干线公路全风化花岗岩路基湿度场变化分析★

刘展瑞 张 潭 张 鹏 李宜航

(1.广西壮族自治区玉林公路管理局，广西 玉林 537000；2.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006；3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)

全风化花岗岩具有吸水能力强，组织松散等特点[1，2]，其力学性能随含水率的增加逐渐衰减[3，4]，在施工时要妥善处理，尤其要注意坡面与坡脚的防护[5]。赵文斌[6]对全风化花岗岩材料的水泥改良工艺开展研究，获得了满足高速公路填料要求的填料配合比。方聪等[5]研究了湖南省花岗岩残积土的填筑工艺，得到了最佳压实施工工艺。梁为邦[7]对勐堆水库工程所在的风化花岗岩地基的物理力学性质、长期稳定性、坝体动力特性，稳定性等进行了研究。研究表明:该地区周边的花岗岩风化砂作为分区坝填筑料使用均是可行的。张永波等[8]研究了全风化花岗岩路基填土的浅层地基承载力与含水量的关系，研究结果表明，浅层地基的承载力随地基含水率的增加而逐渐降低。当工程途经全风化花岗岩软基地质区域时，其路基内部性能变化更加复杂[9]，路基建成后，随着时间变化，受气候等因素影响，路基含水率逐渐增加到一个稳定的状态，即平衡湿度[10，11]， 在此过程中路基填料力学性能随之改变，进而引起路基路面的不均匀沉降。综上，为保证所依托项目工程的路基稳定，探究全风化花岗岩路基内部含水率演变规律十分必要。

1 工程概况

依托广西玉林某干线公路，某断面A土样的相关试验表明，该路段全风化花岗岩多数试样有65%～75%之间的2 mm筛通过率，同时有着40%左右的0.075 mm筛通过率；试样最大干密度1.86 g/cm3，液限为40.6%，塑限为20.8%，属低液限黏土砂；天然含水率为20.4%，最佳含水率为12.78%，填筑时选择达到最大干密度的含水率16.08%。路基填方高度11 m，其中93区 9.5 m，94区 0.7 m，96区0.8 m，地下水位于路基坡脚下 2 m深处，坡脚外1 m修筑浆砌片石排水沟，深度0.8 m，选取路基下方计算深度为10 m。

2 路基湿度场计算模型

使用GeoStudio软件中的VADOSE/W模块，对断面A在复杂环境下的地下水渗流问题进行分析。

2.1 假定与边界条件

1)土的水力性质：利用适用于粉土，砂土等中等地质壤土的Arya-Paris模型建立依据土粒径分布与干重度的土—水特征曲线的物理经验模型[12,13]。确定拟合曲线的具体工作为：推导体积含水率；得出孔隙半径与土粒粒径的联系；确定基质吸力与孔隙半径的关系，之后可得到土—水特征曲线。相关人员采用压力板法计算并得到了干密度为1.58 g/cm3的风化花岗岩土样的土—水特征曲线，验证了该预测曲线的适用性。通过静压法得到两种土的饱和渗透系数，采用Van Genuchten模型预测非饱和渗透系数。

拟合曲线预测包括相关地基土、路基土的水力性质参数，两种土的土—水特征曲线及渗透系数曲线如图1所示，两种土的数据十分接近但仍有差别。

2)毛细与蒸发作用：本模型考虑毛细与蒸发作用对路基土湿度场的影响。

2.2 路基模型建立

2.2.1路基模型参数

选取路基中心线右侧建立模型，图2中A1～C4各点为不同位置的含水率监测点，A组各点位于路面下方1 m，沿水平方向距离路基中线2 m,7 m，12 m；B组各点位于路面下方5 m，沿水平方向距离路基中线2 m,7 m,12 m,19 m；C组各点位于路面下方9 m，沿水平方向距离路基中线2 m,7 m,12 m,24 m。具体尺寸见图2。

2.2.2路基模型边界条件

根据地质勘探资料，设置如下边界条件：

1)初始温度边界条件：地基20 ℃、路基23 ℃、路面27 ℃；

2)初始地下水位：地下水位位于边坡坡脚下2 m处；

3)边界条件：地基、分隔带，边坡设置气候边界条件，路面设置不透水边界条件。

2.3 湿度场模型建立

1)土的热力学性质参数；路基路面各层材料的导热系数和比热值如表1所示。

表1 各材料的热力性质参数

2)气象参数：气候参数均取自中国气象数据网并推测出工后12年的相关参数：日最高最低气温、最高最低相对湿度，日均风速，日均降雨量、蒸发量与日照平均时数，限于篇幅本文仅给出相对更重要的温度与湿度数据，见图3。

3 计算结果与分析

3.1 路基内部水平方向湿度变化及分析

路基内各深度水平方向监测点位置的质量含水率随时间变化曲线如图4所示。

由图4可以发现：1)图4a)中A1和A3点的含水率由于降雨及蒸发而随时间呈现大幅度上下波动的趋势，且A1点的波动程度更大，这是由于A1处于中央分隔带下方，降水会被及时排除，而A3点处于坡面下方，降水会从坡面直接下渗。A2点水分来源主要来自路面面层的少量渗水及包括毛细水上升在内的水分迁移所致，含水率先随着时间增大，而后在17.5%～18.5%的范围波动。2)图4b)中B各点的含水率变化规律同A2,A3点，呈现出先增大后小范围内波动的趋势。相对应的，位于边坡下方的B4点的质量含水率曲线与A3点相似，但振幅较轻。3)图4c)中各点质量含水率变化曲线与图4b)相应点的曲线相似，C4点振幅较B4点进一步减轻。

3.2 路基内部竖直方向湿度变化及分析

路基内竖直方向各监测点位置的含水率随时间变化曲线如图5所示。由图5可知，路基内部达到平衡湿度状态的时间随深度减小，B，C深度的路基通常在3-4a达到该状态，且达到平衡湿度状态时，C1点的含水率(19.5%)高于B1点(18.2%)，因为B1点处于地下水位与降水渗入两因素综合影响程度最小的深度，图5c)也可以同样得出此结论。由图5b)可以得出：在同一纵断面内随着深度的增加，地下水的影响程度在增强，路基土内部的质量含水率在逐渐增大。

由图4，图5能够得出：自路基完工后，路基土含水率受到气候因素影响随时间增长呈现逐渐增大趋势，并最终达到平衡湿度，且大于路基的设计含水率。同一水平面内，路基内部的质量含水率由路基中心线向路基边缘处逐渐增大，说明中央分隔带对其下方的路基土起到了很好的排水保护作用，最大程度的降低了气候因素的影响；受到降水、蒸发，风化等气候影响，边坡路基土体含水量变化范围大，由A3，B4,C4点的位置可知，影响深度至少为2 m；同一纵断面，由于地下水影响增大，路基土体含水量随深度增加而增大。

4 结语

结合工程实际，利用GeoStudio建立路基内部湿度场分析模型并计算工后运营期内的路基含水率变化曲线，得到路基内部湿度演变规律，为边坡与边沟的防排水设计提供一定的依据。1)降水与地下水是影响全风化花岗岩填料路基含水率的主要因素，路基建成后在3-4a内达到平衡湿度状态。 2)同一水平面方向内，路基土含水率由中心线向两侧逐渐增大，中央分隔带显著降低气候对其下方路基土湿度影响的程度，而气候因素对边坡坡面以下深度至少为2 m内的路基土影响较大；行车道下方路基含水率增长幅度较小，有利于维持路基长期性能。3)同一竖直面方向内，路基土含水率随深度的增加而逐步增大，因为地下水位的变化对路基内部湿度的变化影响程度逐渐增大，且降水蒸发等气候因素影响逐渐减小，地下水至少主导水位线以上4 m厚度的路基土含水率变化。4)本文仅使用数值模拟的方法对一定高度与地质气候条件的路基进行研究，后期仍需对不同填筑高度、地质气候等条件下路基进行研究，以更好的指导防排水设计。