简述水对路基路面稳定性的影响和控制方法

张 新

(越秀（中国）交通基建投资有限公司， 广东 广州 510623)

在道路工程中，路基路面的强度和稳定性，主要受到岩土类型、水体、温度的影响，其中水的作用最明显。因地表水或地下水渗入，会降低路基土的抗剪力，出现翻浆、塌陷等现象，继而导致上部结构破坏，出现冻害、溶蚀等情况。因此，要掌握水对路基路面的影响特征，并制定有效控制方法，从而提高道路质量。

1 水的入渗作用机理

1.1 理化作用

一是化学侵蚀作用。在地下水的侵蚀下，会对裂隙结构中的石英颗粒产生溶蚀性，和铁元素结合产生氧化反应，以碳酸盐质岩体为例，化学反应式如下：

二是物理弱化作用。水对断层和裂缝带的岩土会产生软化、泥化效应，随着含水率的变化，岩土体由固态变为塑态、液态，降低了岩土体的力学性能，尤其是减小了内聚力和内摩擦角。

1.2 力学作用

一是静水压力（Ps），是地下水在裂隙结构面上形成的法向应力，其力学作用包括两个方面：①裂隙结构发生拉-张扩展作用，促使隙宽加大；②裂隙结构面发生剪切延展，裂隙的延伸长度增大。计算公式如下：

式中ρ代表地下水密度，g代表重力加速度，h代表地下水的总水头，z代表位置水头，γ代表地下水重度。

二是动水压力（Pd），是在水头差的作用下，地下水的运动对结构面、充填物产生的作用力，作用方向和地下水流动方向相同，其力学作用包括三个方面：①裂隙结构面和充填物发生位移变形，促使裂隙扩展；②随着裂隙增大，空隙度、透水性加大，渗透速度加快；③当渗透速度足够大时，会将细小颗粒管涌携带出去。计算公式如下：

式中Ji代表水力坡度在i方向上的分量，参数δ3i=1（i=3），δ3i=0（i=1,2）。

1.3 遇水软化作用

岩土体和结构面雨水的软化作用，主要是强度软化，结合非饱和土抗剪强度τ的表达式，计算公式如下：

式中C’、φ’代表饱和土的有效粘聚力、内摩擦角；σf代表破坏面上的法向总应力；Ua代表破坏面上的孔隙气压力；(σf-Ua)f代表破坏面上的净法向应力；τu代表基质吸力附加强度，计算方式是τu=(Ua-Uw)f·tanφb，式中Uw代表破坏面上的孔隙水压力。由此可见，随着降雨入渗量的增加，C’、φ’、φb均会降低，导致非饱和土体的抗剪强度软化，引起地面沉降变形。

2 路基含水率原位监测试验

2.1 工程案例

以我国某高速公路为例，位于广州中心城区，路基宽度为 32m，采用双向六车道标准建设，是城区东西方向的公路交通主干。本次路基含水率监测试验，选择西行线中的一个断面，桩号为K26+280，属于填方路基，填方高度为10m左右。其中面层包括：AC-13上面层+AC-16中面层+AC-25下面层，厚度15cm；基层为水泥稳定碎石，厚度为50cm；垫层为级配碎石，厚度为15cm；路基为砂质粘土。

2.2 监测设备

该公路日常交通量大，为了减少对交通的影响，将传感器设置在路肩范围内。其中监测设备如下：①时域反射仪 TDR，基于介电特性原理下，能快速测定土体的含水率。相比于烘干法等常规手段，该设备操作简单，具有无损、连续、定点监测的优势，主要用于粘土、粉土、砂性土中，其数据结果能满足含水率监测的精度要求。②TDR-3传感器，以ABS工程塑料作为支撑，具有密封性好、稳定性高、耐久性强的特点。采用不锈钢探针，长度为70mm，量程在0-100%，精度为±2%，计算得到土体的体积含水率。③QTS-6水分速测仪，和传感器连接后，能实现数据采集，并利用计算机软件进行计算、生成报表。

2.3 布设方法

试验路段的填方厚度较大，路基顶部的填方含水率基本不受地下水的影响，因此在断面布设3支TDR-3传感器，埋设点均为路肩中心位置的下方路基中，如下图1所示，编号由下向上分别为1#、2#、3#，和路面相距230cm、170cm、110cm。测试时间为4-9月，前期频率为每周2次，后期为每2周1次，根据监测数据生成路基含水率增量-时间曲线图。

图1 TDR-3传感器的埋设位置示意图

2.4 试验结果

2.4.1 降雨对路基含水率的影响

分析监测结果如下：①4月1日-5月1日，三支传感器的测试结果变化不大，原因在于降水量少，没有出现大雨或连续降雨的情况，因此路基土体的含水率变化小。经过长时间的非雨季，此时路基土湿度处于稳定状态。②5月1日到6月15日，由于降雨量增加，三支传感器的测试结果明显变化，因此路基土体含水率显著增加。其中，1#、2#、3#传感器的监测结果增幅分别为 6%、8%、8%。③6月15日到9月30日，在连续降雨、暴雨的影响下，2#、3#传感器的监测数据波动明显，说明该部位土体含水率剧烈变化。其中，3#传感器处的土体含水量接近饱和，1#传感器处的土体含水率持续升高。由此可见，降雨会影响路基土体的含水率，地表水会渗入较大深度，但由于传感器和路面的距离远，因此变化不明显。

2.4.2 路基含水率的空间变异性

如下表 1，是路基土体积含水率的平均值和变异系数，分析可知：①4月-5月路基土含水率低于40%，6月-9月含水率高于40%；②距离路面110m、170m的路基土体，含水率变异系数最小为4月、最大为6月；距离路面230m的路基土体，含水率变异系数最小为8月、最大为7月。

表1 路基土体积含水率统计结果

3 水对路基路面稳定性的影响

3.1 对路基的影响

一是碾压不密实。如果路基不满足最佳含水量的要求，在碾压作业期间，使用重型机械会导致土体出现裂缝，降低了土体强度。而且，随着土体含水率的增高，会产生冻胀现象。数据显示，实际含水量是最佳含水量的1.2倍，此时冻胀值高出 2倍以上。二是沉降量大。当路基填筑以后，内部水分蒸发，土体发生收缩形变，增加了密实度，出现纵向裂缝和横向裂缝，最终导致路堤沉陷。此外，水分蒸发时，边坡两侧蒸发速度快、中部蒸发速度慢，因此两侧形变大、中间形变小，导致路基产生裂缝。

3.2 对路面的影响

一是降低结构承载力。降雨时，水分会沿着空隙进入路面，但是排出速度缓慢，此时路面类似于封闭槽，水分会浸湿路基土和材料。再加上车辆荷载的影响，压力水会冲刷路面结构，降低了路面强度，产生结构变形、脱空等问题。二是发生翻浆和冻胀。在冻融作用下，水的侵入会降低路基路面的稳定性，此时路基上层冻结，可能引起路面膨胀开裂。而翻浆则是水体、温度、路面、车辆荷载共同影响的结果，会缩短道路的使用寿命，不利于行车安全。

4 路基路面施工中对水的控制方法

4.1 加强排水系统设计

道路施工和使用中，完全避水不可能，应该通过排水设施及时排出水体。排水系统设计时，应该考虑地形、地质、水文、气象、公路等级等要素，并且结合路基路面排水要求，实现排水构造和设施的有效衔接，促使路基防护、路面排水形成一个整体。以排水沟渠为例，设计要点如下：第一，尽量缩短地面和地下排水沟渠的长度，避免水流过于集中，实现就近分散、及时疏散的目标。第二，排水沟渠应该和附近的农田水利相配合，必要时可以增大管涵的孔径。第三，路基边沟要独立使用，作为农田灌溉用途时，要增加边沟断面并加固处理。第四，有效排除并拦截路基范围以内的地表水，避免发生下渗、漫流、积水等现象。

4.2 针对不同路段控制

第一，填方路段。合理选择填筑材料，要求强度高、水温稳定性好，常见如砂性土。而且填料中的粗细颗粒比例均匀，既保证较高强度，又增强粘结力，有利于压实作业。第二，挖方路段。施工期间设置截水沟，避免水体冲刷边坡，提高边坡稳定性。针对滑坡现象，应该通过试验测定边坡土质的密实度、含水量，制定有效的防护措施。第三，软土地基路段。采用换填土层法提高路基强度，在路基外设置排水沟、盲沟，避免水体浸泡路基。调整路槽后，还要加强路基养护工作，保证两侧排水通畅，防止冲刷边坡。

5 结语

综上所述，在道路工程中，水会造成路基碾压不密实、沉降量大；降低了路面结构承载力，发生翻浆和冻胀现象。分析可知，水体对路基路面的影响，作用原理包括理化、力学、遇水软化等作用。文中结合工程案例，进行路基含水率原位监测试验，提示施工企业加强排水系统设计，针对不同路段进行控制，从而避免或减轻水体的不利影响，提高道路工程质量。

[1] 王计冬.水对路基路面稳定性的影响和控制方法[J].交通世界（下旬刊）,2016,(6):42-43.

[2] 游元富.道路桥梁过渡段的路基路面施工技术探析[J].江西建材,2015,(6):176-176.