改扩建旧路基开挖台阶雨水渗流的影响*

梁 晨，刘丽萍,余美娴

(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

在进行高速公路改扩建时为了控制新旧路基的差异性沉降，需要在既有路基开挖台阶进行搭接，此时既有路基将受到自然环境的影响，其中降雨可能会对既有路基造成影响进而导致施工难度增加或出现安全隐患[1-2]。遇到降雨时可以在开挖的路基处铺设塑料薄膜并开挖排水槽[3]，既有路基雨水渗流初期的形式为垂直渗流，主要导致竖向沉降；随着降雨时长增加，雨水渗流形式会逐渐变为水平渗流，主要导致水平位移[4]。当大量雨水渗入开挖的路基时，若路基渗透系数较小，则排水能力较差，在行车荷载的作用下可能会对开挖面造成破坏[5]。在未降雨的情况下边坡因开挖发生失稳的概率与行车荷载和开挖高度有关[6]，如果遇到降雨，将降低土体承载能力[7]，土体渗透性与边坡稳定性呈正比[8]。随着降雨时长的增加，边坡坡角处的位移逐渐增大，在降雨4～60 h时安全系数降低40%[9]。在进行挖方路基改扩建时，开挖会导致既有边坡发生应力释放，遇到降水时边坡抗剪强度随之减小[10]。

台阶式加宽是目前改扩建常用的加宽方式，相比斜坡式加宽能够更好的控制差异性沉降，防止路面结构出现破坏。在冬季进行路基施工时，土中水分不易蒸发,土颗粒孔隙中的自由水含量增加,土体粒间引力下降不明显,孔隙中自由水阻碍土颗粒移动,导致路基压实效果下降[11]，依托工程在夏季施工，2021年夏季降雨量较往年有明显增加，9月上中旬降雨量平均增加约3.3倍。目前相关研究大部分集中在降雨对采用斜坡式搭接的边坡的变形等方面的影响分析，但降雨对台阶式搭接边坡变形的影响研究相对较少，文中利用ABAQUS有限元软件，结合实体工程，并在陕西省今年降雨频发的环境背景下，分析了雨水在台阶内的渗流特征、台阶发生破坏的影响因素以及在路床超挖段区域降雨影响深度的变化规律，预防已开挖的台阶发生破坏，为依托工程和其他有关改扩建工程的设计和施工提供参考依据。

1 工程概况

陕西省某高速公路改扩建工程位于关中平原中部，路面结构形式为4 cm 沥青混凝土(AC-20)+8 cm 沥青碎石(AM)+20 cm 二灰砂砾+23 cm 二灰土。全段采用双侧加宽，将原有四车道加宽至六车道，加宽后路面宽度为3×375 cm。新旧路基搭接方式为台阶式搭接，台阶采用双台阶式布置(路床和路基底部各有一组台阶)，路面底部以下0～1.2 m为路床台阶区域台阶，开挖坡度为1∶1.5，设有路床超挖段，超挖段位于路面底部以下1.2 m处。改扩建断面设计图如图1所示。

图1 改扩建断面设计图Fig.1 Design diagram of reconstruction and expansion section

依托工程所在地区2021年夏季降雨频发，9月上中旬平均降水量比常年多2.7～3.8倍，不同降雨强度的降雨时长分别为6 d、5 d和7 d，依据《公路排水设计规范》[12]进行公路路基设计。总降雨量为0.081 1 mm、0.100 9 mm和0.130 2 mm，平均每分钟降雨量为9.4×10-6mm、1.4×10-5mm和1.3×10-4mm，总体来说持续降雨5 d的情况下降雨强度较大，故文中选择持续降雨5 d为研究背景，分析降雨对台阶的影响。

2 渗流分析

研究段的加宽方案为双侧加宽且左右对称，故取设计图右幅为模型搭建依据。根据高速公路改扩建设计相关细则[13]、公路路基设计有关规范[14]和设计文件，利用ABAQUS有限元软件依照设计图搭建一个底宽约21.6 m，高约12.81 m的二维模型，其中地基高约8 m，宽约21.6 m；路基高约4.8 m，宽约17.6 m；路面结构采用4 cm 沥青混凝土(AC-20)+8 cm 沥青碎石(AM)+20 cm 二灰砂砾+23 cm 二灰土。台阶由两部分组成，两部分尺寸分别为0.4 m×1.0 m、0.8 m×1.2 m，两部分均设置内倾横坡，角度为3%，台阶开挖坡度为1∶1.5。材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

约束仿真模型两侧边界的X向位移、底部边界的X向和Y向位移，地下水位线以下的两侧边界设置静孔隙水压力边界，静孔隙水压力随深度的增加而增加，且呈线性变化趋势，路面结构设为不透水层，其余边界设为不排水边界。结合依托工程的地勘资料，为了便于计算和分析，假设路基土和地基土在饱和时的渗透系数一致，饱和渗透系数为2.1×10-5m·h-1。降雨边界函数用降雨强度表示，雨水沿台阶面法向入渗，由于单位流通量与法向方向相同时为正，因此在荷载中设置降雨强度时应取负值。分别选取降雨6 h、12 h、18 h和24 h渗流场进行分析，渗流场变化如图2所示。

图2 不同降雨时长的雨水渗流场变化Fig.2 Changes in seepage field at different times

从图2可知，由于路面结构不透水，所以路面下远离开挖面的路基土没有出现渗流场。图2反映出在降雨6 h时渗流场以竖向渗流为主，随着降雨时长的增加，水平渗流强度逐渐增加，在持续降雨24 h时路基土内出现了明显的水平渗流，最明显的位置出现在路床处台阶的内侧，这是由于路面下路基土不会直接受到雨水影响，基质吸力较大，随着降雨时长的增加，与路床处台阶的水位差逐渐增大，所以在路床台阶内侧出现了明显的水平渗流。其他分析区域也出现了不同程度水平渗流，原因同样是路基土内出现了水位差。

路床第二级台阶在降雨约72 h后发生破坏，为此针对路床处台阶展开进一步研究，分析发生破坏的原因。随着降雨时长的增加和降雨强度的变化，可以得到路床第二级台阶顶点饱和度-降雨时长曲线,如图3所示，饱和度呈指数增加，在临近破坏时处于饱和状态。各级台阶底部基质吸力变化如图4所示。

图3 路床处第二级台阶顶点饱和度Fig.3 Saturation of the second step vertex of the road bed

图4 路床和路基台阶底部基质吸力Fig.4 Matrix suction at the bottom of roadbed and subgrade steps

由图4可知，降雨初期路床第二级台阶底部基质吸力比第一级台阶底部大，因此竖向渗流更明显；随着降雨，路床第二级台阶底部基质吸力逐渐减小，变化量超过下一级台阶底部，这是由于路床台阶高度低，雨水竖向渗流逐渐达到下一级台阶顶面，且下一级台阶雨水渗流存在向上一级台阶渗流的分量，使得雨水渗流影响发生叠加，孔隙水压增加，基质吸力减小，土体粒间应力减小，导致土体的剪切强度减小，发生破坏，也导致路床台阶底部基质吸力变化趋势较路基底部第一级台阶显著，最终第二级台阶底部基质吸力小于路基底部第一级台阶。

超挖路床是为防止路床台阶的宽度过小，在依托工程中路床超挖段长度大于各区域台阶面的长度，受到降雨荷载作用的面积较大，对路床超挖段进行降雨与影响深度关系分析，取路床超挖段中点处向下至路基底部的路径为研究对象，可以得到不同降雨时长下基质吸力的变化，如图5所示。

图5 不同降雨时长路基土的基质吸力Fig.5 Different rainfall duration subgrade soil matrix suction

由图5可知，在雨水影响深度为0.8 m时，不同降雨时长的基质吸力变化幅度逐渐相近，这是由于土体内部产生了水位差，导致雨水水平渗流能力逐渐增大，减弱了竖向渗流的影响，而且受到了地下水的影响。将不同降雨时长的基质吸力变化曲线与未降雨时基质吸力的变化进行比较，可以发现在基质吸力一定、雨水影响深度小于0.8 m时雨水影响深度随着降雨时长的增加而增大。基质吸力曲线在不同降雨时长下皆出现反弯点，不同降雨时长下反弯点深度变化如图6所示。

图6 不同降雨时长雨水的反弯点深度Fig.6 Inflection point depth of different rainfall duration

由图6可知，反弯点平均深度为1.0 m，因此在持续降雨60 h时雨水对路床超挖段中点的影响深度约为1.0 m，深度0.4 m处的基质吸力比路床第二级台阶底部大。

3 结 论

1) 降雨初期土体中的孔隙水压力逐渐增加，孔隙气压力与水压力差值逐渐下降，表现为基质吸力减小，此时以竖向渗流为主；随着降雨时长的增加，竖向渗流路径两侧的土体与路径上的土体产生水压差，故逐渐发生水平渗流，减小路基土承载力，不利于控制差异性沉降。工程中若遇长时间降雨，应采取覆盖土工薄膜等方法减少雨水的渗入量。

2) 路床台阶雨水竖向渗流与下一级台阶发生叠加，体现在考虑地下水作用下路床第二级台阶底部基质吸力比路基第一级台阶底部大6.50%。未降雨时，路床第二级台阶底部基质吸力在地下水的影响下比第一级台阶底部大2.50%，雨水渗流影响更大；由于路床台阶高度比路基台阶高度低，路床台阶底部基质吸力大，因此路床台阶在降雨时易发生破坏。在降雨时应加强对高度较低台阶的变形观测，必要时采取支护等防护措施。

3) 未降雨时路床超挖段土体的基质吸力呈线性分布，降雨时由于雨水水平和竖向渗流，导致土体基质吸力发生变化，并且影响深度与降雨时长的增加呈正相关，持续降雨12 h和24 h影响深度增幅最大。持续降雨60 h，超挖段路基土平均影响深度约1.0 m，在降雨结束后可以对路床超挖段采用翻土晾晒等措施，使土体含水量降低，改善后续压实性能。