岭南地区河网密布带路基湿度调整系数预估方法研究

摘 要：探讨了路基湿度状态的变迁、影响因素及路基设计、施工、运营阶段的关系，通过非饱和土力学理论阐述了基质吸力对于路基湿度的影响，利用土的三项指标推导了饱和度与体积含水率的关系，基于模型进一步建立了饱和度和基质吸力的特征曲线。根据岭南地区特点提出了湿度调整系数的近似计算方法。研究表明，岭南地区河网密布带路基在运营期的平衡湿度状态多为受地下水控制的潮湿状态，路基土类和地下水埋深是重要影响因素，采用经过饱和度换算的水-土特征曲线计算的路基湿度调整系数相比于规范查表法偏大，对设计的回弹模量值偏严格。

关键词：河网密布带;湿度调整系数;水—土特征曲线;饱和度;回弹模量

中图分类号：U416.1 文献标识码：A

0 引言

我国岭南地区大多呈现出高温多雨、河网密布，地下水埋深浅，土质较细，毛细现象明显的特点，在这样特殊的水热环境中设计路基，必须对运营阶段的路基湿度状况进行合理的预估，以便选取合理的路基顶面动态回弹模量值来保证对路面结构的有效支撑，其取值大小对路面结构的疲劳寿命、路基施工的压实控制标准等有着直接的影响[1]。近些年，国内外广大学者采用非饱和土力学基本理论，采用基质吸力的概念对路基的回弹模量及其影响因素展开了广泛深入的理论研究，相关设计规范也吸收了大量成熟的研究成果，得以让公路设计者以一个动态的视角把握路基全寿命工作状态，特别是湿度状态的变化规律，最终形成了技术参数供设计人员选取。但现行公路路基设计规范针对影响路基动态回弹模量最重要的湿度调整系数给定的取值范围比较广泛。这种差异在岭南地区河网密布带可能会导致对路基湿度状况预估不足，使得运营阶段路基回弹模量随含水量增多而迅速衰减，以至于无法达到路面设计时对土基变形的控制要求，最终造成路基路面受力变形不协调而产生结构损伤。

所以，如何从设计的角度针对岭南地区河网密布带的水文地质特点，充分考虑运营期湿度对粘性土路基的影响，是保障道路按设计预估状态正常工作的关键。

1 路基设计状态和水-土特征曲线方程

1.1 路基设计状态

路基从设计到通车运营期间经历了设计状态、施工状态和使用状态，根据路基的功能，设计状态应与使用状态保持一致。但路基施工是在最佳含水率和最大干密度的状态下分层压实而成，此时处于最佳湿度状态。通车运营后，在当地降雨、蒸发、地下水等作用下路基内部会产生新的水分迁移和湿度重分布，工程经验表明含水量会增大5%至10%，并在施工完后2至3年达到平衡，此时路基处于平衡湿度状态。这种湿度的影响最终在结构设计中体现在路基动态回弹模量的衰减上，因此需要在设计阶段进行考虑。

1.2 水-土特征曲线方程

岭南地区多为冲积平原或滨海相沉积物，修筑路基一般以填筑路堤为主，填料多为工程性质良好的粘性土，结构上属于重塑后再压实的三相非饱和土。

根据非饱和土力学理论，非饱和土的孔隙中孔隙气压力大于孔隙水压力，具有表面张力的水—气分界面承受着大于水压力的空气压力，这个压力差即为基质吸力，体现了土颗粒的分子引力作用和孔隙的毛细管作用，是路基土湿度状况发生变迁的主要内因[2]。考虑到河网密布带粘性土路基湿度受地下水控制为主，非飽和状态土体的体积含水率和基质吸力的关系可通过模型的水—土特征曲线来描述。

根据模型，对于受地下水位控制的潮湿区路基，其所选取计算点的基质吸力与距离地下水位的高度密切相关，经过回归分析可认为二者呈线形关系，如公式1所示。

公式中为水的重度，为计算点到地下水位的距离。

由于在工程实践中饱和度较体积含水率更为直观，并且考虑到不同的土质对水的敏感程度不一样，这是引起模量变化的重要因素，选取饱和度表征填料土体湿度状况具有更广泛的适应性。因此根据填料土体的相对密度、干密度、质量含水率，以及4℃水的密度，便可通过土力学中非饱和土的三相体积质量指标换算推导出饱和度的表达式：

由于，因此：

根据公式2和3，可以通过饱和度与体积含水率的关系进一步建立饱和度与基质吸力的水—土关系曲线。

2 平衡状态湿度调整系数计算

对路基土的湿度预估主要是确定湿度调整系数，通过对标准状态下路基顶面的动态回弹模量的折减来表征平衡状态的工作性能。有研究表明，非冰冻地区湿度变化对于路基土模量的影响远大于季节性干湿变化。因此，可在计算出不同点位基质吸力后根据水-土特征曲线得到平衡湿度下的饱和度预估值，按照如下近似的方法岭南地区河网密布带路基湿度调整系数：

其中，。

公式中为平衡状态下路基动态回弹模量设计值;标准状态下路基动态回弹模量值，由动三轴试验或填料值换算得来;施工阶段标准状态下的饱和度;为根据非饱和土土—水特征曲线读取的平衡状态下预估饱和度;当为细粒土时，=﹣0.593 4，=0.4，=6.1324。

由于设计阶段路基尚未建成，路基的平衡湿度状况可根据地质勘测报告和路基平纵横设计图，规范中推荐的方法为分路段选择平均高度作为代表计算点，通过填料类型和地下水埋深、毛细水上升高度等因素判定出平衡状态的湿度类型，最后查表得出规范推荐的湿度系数取值范围。但对于岭南地区河网密布带粘性土路基，其平衡湿度状况受地下水的影响较一般地带路基更严重，设计时可按上述优化后的水-土特征曲线法和湿度系数方程进一步定量化计算，得出更准确的参数值。

3 实体工程分析与比选

广州市二级公路S296（海鸥公路）扩建工程位于番禺区海鸥岛，周边水田、鱼塘密集，设计拟采用粘性土填筑路基，要求填料CBR≥12%，且施工状态的饱和度为0.43，根据纵断面设计图，路基高于原地面2 m，沥青路面结构层0.89 m，交通荷载等级为中等，根据车辆荷载换算知路基工作区位于路面结构下2.0 m，地勘资料显示该区域地下水位于原地面下0.6 m，土质类型以粘土和粉质黏土为主。

该工况属于岭南地区典型的河网密布带，干湿循环系数取0.95，由于路基顶距离地下水位的高度为1.5 m，小于粘性土毛细水上升高度3 m，路基工作区完全在毛细水浸润范围内，因此属于潮湿类路基，计算得到基质吸力值为21 kPa，预估计算点饱和度为0.48，如图1所示。

通过填料的CBR值可根据经验公式换算得到标准状态下路基动态回弹模量，最终确定路基路床顶面设计回弹模量值时可采用规范查表法（分为取中值法和低路堤低值法）和上述基于水-土特征曲线的定量计算法，三者计算结果如表1所示。

由计算结果可知，规范中值法和特征曲线法所求得的回弹模量设计值大于沥青路面二级公路中等交通荷载等级下60 MPa的要求，可取计算值，而按规范低值法求得的设计值取值应修正为60 MPa。海鸥公路河网密布带粘性土路基要使得运营期平衡状态的工作性能正常发挥，应取三者的最大值进行设计控制，即采用水-土特征曲线法计算的回弹模量值更为合理。

4 结语

本文分析和总结了在岭南地区河网密布带粘性土路基的湿度变迁规律、影响因素以及湿度调整系数的计算，在现有技术规范的框架下提出优化后的参数计算方法，以便设计人员明确概念，选取合适的设计参数，具有一定的工程实践意义。进一步研究建议如下：

（1）现阶段对路基湿度状况的分析仅以环境因素为主，需进一步分析铺筑路面后对湿度自然变迁的覆盖效应，并且应区分透水路面与不透水路面的影响。

（2）非饱和土的土—水特征曲线对于不同土质的适用性以及基质吸力与饱和度指标的内在逻辑关系仍需要继续深入研究。

参考文献：

[1]杨学良，邹泽雄.详论路基设计模量及其环境因素的演变和确定过程[J].公路，2016（6）：52-57.

[2]童申家，叶从，王乾.非饱和粘性路基土回弹模量之研究[J].岩土工程学报，2006（2）：225-229.

作者简介：李俊（1990—），男，湖南常德人，硕士研究生，路桥工程师，从事路桥设计工作。