湖水位变化对临湖防洪道路路面结构安全性的影响规律

沈才华， 陈 伟， 陈晓静， 任增谊， 王 媛， 柴思嘉

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210022）

目前很多地方因经济发展需要，大力开发堤防道路，堤防道路是在堤顶、堤前或堤后铺筑路面结构的堤路结合工程，它既是抗洪防汛的水利设施，也是满足车辆通行的道路工程，兼具道路交通和水利抗洪的作用［1-2］.

临堤道路因其特殊性，其土基含水量随湖水位的变化而变化，现行规范中采用最不利季节测定土基回弹模量值作为土基强度的设计值，即在土基回弹模量取值过程中没有考虑一年中土基含水量的变化对土基强度的影响，这种取值是偏安全. 路面设计中采用回弹模量作为土基抗压强度的指标，国内外学者针对土基的回弹模量做了大量研究. 宋修广等［3］做了压实粉土回弹模量随含水量的变化规律，试验结果表明，当实际含水率高于最优含水率时，路基土回弹模量随含水率的增大呈显著的衰减关系. Liang 等［4］为了定量预估湿度对路基回弹模量的影响，提出在回弹模量本构模型中考虑非饱和土基质吸力. Sawangsuriya 等［5］研究施工后压实路基的力学性质（即刚度或模量）因路基水分状况变化而发生的变化. 祁孔庆等［6］通过数值模拟得出，路基回弹模量与路基湿度具有较强的相关性，路基模量随着水位上升基本呈线性减小的趋势. 章定文等［7］采用非饱和土三轴仪对不同初始压实含水率和经历干湿过程后不同含水率土样进行常含水率三轴试验得出，土体含水率的增加会引起非饱和压实土体模量的降低. 崔书珍等［8］实例分析了长三角典型高速铁路路基工后沉降年监测成果及对应的年降雨情况，发现监测区高速铁路路基工后沉降随年降雨变化呈现季节性特征，季节性降雨导致路堤与地基中含水量增加，从而改变了其内部力学特性引起沉降.王悦月等［9］分析了水分迁移对千枚岩填筑路基回弹模量及其对路面结构力学特性的影响规律. 目前对临堤道路主要集中在沿湖路基边坡的渗透稳定性研究，楼晓昱等［10］基于饱和-非饱和渗流与非饱和抗剪强度理论研究水位升降对沿湖路基边坡渗流场及稳定性的影响，得出对路基渗流特征的正确分析是开展其稳定性研究的先决条件. 付宏渊等［11］研究了坡前水位升降对炭质泥岩-粉土分层填筑路堤边坡渗流特征及稳定性的影响. 张俊荣等［12］采用岩土计算软件Geo-studio 分别分析了不同填土材料、单侧和双侧水位降低、不同水位降低速率、不同路堤高度和不同渗透系数等影响因素下的浸水路堤内渗流特征以及路堤稳定性.蔡俊华［13］考虑了初始水位不变、水位骤升、水位骤降和水位简谐4种工况，对比分析了不同水位条件下滩涂路基沉降和孔压变化规律.

实践证明，道路的损坏80%～90%是由于路基变形引起的，蔡俊华［14］基于现场的工程地质条件，通过数值模拟软件Plaxis2 D对反复水位作用下的深厚滩涂路基沉降及预测系统开展了研究. 张英平等［15］通过水位循环升降模拟试验，研究水位循环升降作用下粉土孔隙水压力、土压力周期性变化规律及由此产生的变形沉降特性. 土基回弹模量作为控制路基变形的主要指标，其影响因素主要包括土质类型、压实度和含水量这三个方面，堤防道路路基含水量除受降雨和地下水位的影响外，边坡外侧湖水位的变化也会影响路基的含水量，进而对临堤道路弯沉值产生影响. 朱益军等［16］提出路堤内水位升降对地基具有循环荷载的作用效果，易引起路堤工后进一步固结沉降变形. 因此，建立起湖水位的变化对弯沉值的影响规律，对临堤道路建设具有重要的参考价值.

1 湖水位变化时路基不同深度含水率的现场实测分析

根据现场试验段情况，选择试验段的一个断面进行现场试验，断面在路中位置沿深度方向布置，详见图1和图2. 路基表面埋设一个，接着每隔50 cm布置一个，最后一个间隔100 cm，共5个土壤水分仪.

图3显示，不同深度土层含水率随时间的变化规律，八九月汛期土层含水率受湖水位的影响波动范围较大，深度越深影响越大，本堤防汛期湖水位较高，对路基顶部土层的含水率也有影响，影响规律基本与湖水位变化一致. 并且路基顶部的土层含水率还与降雨情况相关，连续降雨时，影响较大. 如果水经过道路表面及基层最后进入土基，就会影响整个道路结构的承载性能、减弱土基强度，使道路的结构损坏［17］. 对于发生在表面层和中、上面层的破坏，应主要考虑提高沥青面层的防水性能，严格控制沥青混合料的孔隙率范围，防止降雨下渗到路面结构内部［18］. 同时湖水位变化对不同深度处路基含水率变化有显著影响，从而对路面结构产生影响，因此临湖道路修建和改建时，路面结构的设计应考虑当地路基受汛期湖水位的影响.

图1 水分仪安装的剖面位置示例Fig.1 Example of profile location of moisture meter installation

图2 水分仪现场埋设图Fig.2 The site burying diagram of moisture meter

图3 断面A1部分含水率Fig.3 Water content of section A1

图4显示，路基顶部和深部的实测含水率随着湖水位上涨后，路基顶部含水率从25.8%左右增加至30%左右，波动幅度约4%. 距离路基顶部2.5 m深的A1-4处实测含水率从31.5%增加到41%，变化幅度约9.5%.由于路基含水率的变化会引起路基变形模量和强度的变化，从而对路面结构产生负面影响，因此，临湖防洪堤建造时应针对实际路基特性和湖水位变化特性，进行路面顶标高和路面结构层的优化设计，并设计蝶形边沟及时排出路面积水.

图4 湖水位与A1-1、A1-4含水率随时间的变化Fig.4 Change of lake water level and water content of A1-1 and A1-4 with time

2 湖水位变化对路面弯沉值的影响规律分析

土基回弹模量表示土基在弹性变形阶段内，在垂直荷载作用下，抵抗竖向变形的能力［19］. 如果垂直荷载为定值，土基回弹模量值愈大则产生的垂直位移就愈小；如果竖向位移是定值，回弹模量值愈大，则土基承受外荷载作用的能力就愈大. 因此，路面设计中采用回弹模量作为土基抗压强度的指标. 土基是道路结构的下层，承受着由路面传下来的车辆荷载和上部结构的自重. 在实践中，常常出现的路面损坏现象，大部分都是由于土基强度不足，稳定性不够，在外荷载作用下产生的过量变形所致. 由于其特殊性，研究路表弯沉值随土基回弹模量变化规律十分必要. 由于土的成层性，采用等效回弹模量，本工程设计路面结构层组合见表1.

表1 组合结构层的计算参数表Tab.1 Calculation parameters of composite structure layer

各层层底拉应力验算如下表2所示.

表2 组合结构层厚度的层底拉应力表Tab.2 Bottom tensile stress of composite structure layer thickness

不同含水率路基土的等效回弹模量实测值分析：对现场路基内的填土进行取样，制作97%压实度的土样，其最佳含水率12.2%，然后增加含水率至26%，根据规范，以1 mm回弹位移量时对应的等效回弹模量值作为设计等效回弹模量，测得其等效回弹模量52.83 MPa；然后增加含水量至30%，测得等效回弹模量39.40 MPa；土基等效回弹模量降低了25.4%左右，降低了13.43 MPa.

根据实际工程设计的路面结构形式，其设计弯沉值为40.09（0.01 mm）. 采用中国现行规范中沥青路面设计弯沉计算方法，计算不同路基等效回弹模量下路面结构的弯沉计算值变化，分析由于路基含水率变化对路面弯沉的影响规律. 假设路基等效回弹模量分别为20、25、30、35、40、45、50、55、60 MPa，路面计算弯沉值如图5所示.

图5显示，土基等效回弹模量增大时，路面的计算弯沉值随之减小，计算弯沉值呈现出非线性变化的规律，在土基等效回弹模量越小时，计算弯沉值的减小率越大，等效回弹模量在35 MPa后变化率变缓. 土基的等效回弹模量越小对于结构层的层底拉应力和路面弯沉值的影响越大. 土基等效回弹模量每增加5 MPa，路面计算弯沉值在1.29～7.32（0.01 mm）范围内变化. 因此根据实测路基顶部的土随含水率的变化等效回弹模量减小范围约13.43 MPa，因此可以预测由于湖水位的变化，本防洪堤路面计算弯沉值的变化率为5%～17%.

土基等效回弹模量是表征土基强度的，是路面结构设计的主要参数，它对路表弯沉的影响是很明显的，但对于不同的路面结构路表弯沉不能反映土基顶面工作应力状态，由于路表弯沉大部分都是由土基强度引起的，在对不同土基等效回弹模量的路面结构设计中仅以路表弯沉为指标来判断路面结构的稳定性是不全面的［20］. 因此采用不同路基等效回弹模量与各层底拉应力关系来反应路面实际承载能力. 图6 为不同路基等效回弹模量与各层底拉应力关系曲线，显示增大土基等效回弹模量时，上层的细粒式沥青混凝土和中粒式沥青混凝土的层底拉应力都为0（为受压状态），水泥稳定碎石层和石灰土层的层底拉应力都相应减小，呈现出非线性的变化规律，在土基等效回弹模量值越低的时候，层底拉应力的下降率越高. 土基等效回弹模量每增加5 MPa，水泥稳定碎石层底拉应力减小0.02～0.07 MPa，石灰土层底拉应力减小0.02～0.06 MPa；水泥稳定碎石的层底拉应力的变化率为1.6%～5%左右，石灰土的层底拉应力变化率为3%～6.7%左右.

图5 不同土基等效回弹模量与路面计算弯沉值关系曲线Fig.5 Relationship curve between equivalent resilient modulus of different soil foundation and calculated deflection value of pavement

图6 不同路基等效回弹模量与各层底拉应力关系曲线Fig.6 Relationship curve between equivalent resilient modulus of different subgrade and bottom tensile stress of each layer

根据试验段实测含水率变化规律显示，路基顶部土层含水率受水位等综合影响，波动范围达4%，又根据土基等效回弹模量的敏感性分析显示，土基等效回弹模量每降低5 MPa，弯沉值将平均增加4.3（0.01 mm），因此路面结构的计算弯沉值将增加11.5（0.01 mm）平均增幅为33%；水泥稳定碎石层底拉应力平均增加0.045 MPa，平均增加率3.3%左右；石灰土层底拉应力平均增加0.04 MPa，平均增加率4.9%左右. 防汛道路受湖水位变化影响，路面结构的弯沉值波动增幅达11.5（0.01 mm）；水泥稳定碎石层底拉应力增幅达0.121 MPa；石灰土层底拉应力增幅0.107 MPa. 因此，湖水位波动变化会引发路基土含水率的波动变化，从而对路面结构产生影响，应引起重视，但本工程设计的路面结构在汛期湖水位波动范围内整体的路面结构弯沉值及结构底层拉应力均满足设计要求.

3 结论

1）临湖道路湖水位波动变化将引起路基含水率的变化，变化规律基本一致，道路完工后，汛期路基内部A1-4深度土层含水率随着湖水位变化的变化幅度在10%左右，路基顶部A1-1的实测波动范围4%左右，路基顶部还受降雨有一定影响，对于发生在表面层和中、上面层的破坏，应主要考虑提高沥青面层的防水性能，严格控制沥青混合料的孔隙率范围，防止降雨下渗到路面结构内部. 湖水位变化影响土基含水率从而对路基变形有影响，对路面结构产生影响，因此临湖道路修建和改建时，路面结构的设计应考虑当地路基受汛期湖水位的影响规律.

2）路基含水率的变化会引发路基等效回弹模量的变化，其含水率每增加4%，路基等效回弹模量减小25.4%左右，路基的等效回弹模量越小对于结构层的层底拉应力和路面弯沉值的影响越大. 路基等效回弹模量每增加5 MPa，路面弯沉值减小1.29～7.32（0.01 mm），变化率为5%～17%.