道路兩側綠地蓄水對路基滲透變形的影響研究

劉躍成, 伍東衛, 蔣中明, 葉保權

(1.云南鳳云高速公路有限公司，云南 臨滄 675800； 2.云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650000；3.長沙理工大學，湖南 長沙 410114)

0 前言

在當今交通運輸和旅游融合發展的時代背景下，公路交通工程已不僅僅局限于承擔車輛通行的基礎功能，還是促進旅游、扶貧攻堅、激發經濟活力、助推鄉村振興、實現價值延伸的必備“整合利器”。因而，公路工程沿線設施的建設已成為公路交通的重點，特別是綠化工程。公路沿線綠化工程的建設，給傳統公路的建設帶來了新的技術問題，其中最重要的問題來源就是水。一方面水是植物生長所必須的，另一方面水是誘發路基路面病害的根源。路基水分主要來自于降雨。為美化亮點工程，公路設計者會盡可能多地增加綠化地帶，如斜坡填方路基的靠山一側有時會直接填平做成綠化帶。在雨水入滲條件下，綠地土壤會存儲大量的水，并逐漸演變成“蓄水區”，而后向路基內部滲透。如何做好這類路基的水治理工作，關乎路基路面的使用壽命和運維安全。我國對公路防排水重要性的認識大致經歷了3個階段，從簡單的路表排水，到設置防水封層，最后走向防排結合[1-4]。但在如何協調道路兩側綠化“用水”和防治水害“排水”之間的矛盾方面，仍需要進行深入研究。因此，本文以滇西南云鳳高速公路為例，針對有上述綠化帶特征的部分路段，開展該類路基滲透變形破壞的機理研究，分析路基病害產生的原因，為滇西南強降雨區后續公路工程防排水系統的建設提供借鑒。

1 道路綠地蓄水及路基水害特征

1.1 綠地蓄水特征分析

土壤的孔隙結構，賦予了其對水分有良好的積蓄、運輸、保持、調配等功能，簡稱為“土壤水庫”[5]。土壤水庫按其“庫容”，可用土壤總體庫容量、土壤水分現存量、剩余蓄水空間、有效庫容、死庫容和滯洪庫容等來評價土壤的蓄水能力[6]。綠地土壤可通過吸納大氣降水、部分地表徑流及周圍環境的巖土滲水，消減因降雨導致的地表徑流，從而一定程度上減緩洪澇災害。因此，城市綠地蓄水滯洪效應作為防治城市內澇的重要手段，一直都是廣大學者的重點研究對象。史學正等[7]通過人工模擬試驗研究，提出充分調用“土壤水庫”實現長江流域防洪減災的措施，闡述了只要疏通土壤下滲通道，那么1 m厚土層蓄水量就能吸納降雨量的19%，試驗中4 h共204 mm降雨約有165.1 mm進入“土壤水庫”。張波等[8]以深圳市不同地區的綠地土壤為對象，分析了土壤容重、孔隙狀況對土壤水分常數和水分入滲特征的影響。李青林等[9]以貴陽市綠化帶的喬木林、灌木林、草地等3類典型人工綠地為研究對象，得到了土壤飽和導水率以喬木綠地最大、灌木綠地居中、草地綠地最小的結果，指出了綠地飽和導水率與土壤容重呈極顯著負相關，與總孔隙度、毛管孔隙度呈顯著正相關，與砂礫含量呈顯著正相關。朱永杰等[10]通過監測下凹式綠地蓄水過程中水分滲透量和入滲速率，發現下凹式綠地土壤滲透性能會隨暴雨強度的增加而增大，滲透量隨時間呈拋物線型增加，且最后土壤滲透總量隨水負荷增加而增大，同時，土壤的滲透性能會隨著蓄水次數增加而變差。以上研究成果均較好地闡述了綠地蓄水的特征，對于城市綠地，蓄水滯洪作用是有益的，但對于山區公路綠地，若無專門設計的防排水措施，綠地蓄水的長期存在勢必將引發水分向路基內部發生滲透，進而引發新的路基路面病害。

1.2 綠地蓄水滲透作用下路基水害特征

目前，關于山區高速公路規劃兩側綠地蓄水滲透作用的研究成果較少，以往研究大多集中在路基拓寬及防排水體系、路基路面病害防治等方面[11-12]。公路設計規范僅對中央綠化帶的防排水設計做了比較詳細的描述，但仍存在耐久性、生態性較差、經濟成本高、影響綠化種植等問題[13]。在公路工程中，降雨是公路水的主要來源，雨水入滲路基路面引發病害的工程實例和研究成果均較多[14-17]。道路兩側綠地蓄水的主要來源有：①雨水經綠化帶地表直接滲入；②周圍土體降雨蓄水后重力或毛細管作用下的水分遷移；③產流發生前地表坑塘的存水及產流過程途徑綠化帶的水；④人工帶來的綠化帶灌溉用水。綠地蓄水后滲流方向受周圍地形地貌、土體性質、壓實度、含水率、重力等因素綜合影響。經調研，因綠地蓄水的滲透作用引發路基不均勻沉降、甚至滲透變形破壞的現象較多。以滇西南強降雨區砂類土填料路基為例，幾乎每年都會出現不同程度的路基路面水害現象，道路兩側綠地蓄水滲透作用下典型路基水害現象如圖1所示。

(a)半填半挖路基滲透

(b)表層土體滲透

(c)填方路基單側綠化帶滲透

(d)樁板墻填方路基水集聚圖1 道路兩側綠地蓄水滲透作用下典型路基水害現象

結合圖1可知，綠地蓄水對路基滲透作用引發的路基水害主要特征如下：①綠地蓄水對路基的滲透作用是一個循序漸進、逐步發展的過程，與泥石流、山洪相比，綠地蓄水滲透引發的路基路面水害具有明顯的緩慢性和滯后性；②路基臨空側可能因綠地蓄水出現逐層剝蝕、垮塌等現象，相應的路面也同步出現開裂、脫空和塌陷等現象；③雖路基實際發生變形破壞的區域不大，但綠地蓄水對路基滲透作用的影響面積普遍較大，水害處治的難度也相對較大。

2 路基填料遇水分解及彈模衰減特征

2.1 含細粒土砂填料顆粒遇水分解研究

公路路基填料土體普遍處于非飽和狀態，強度和變形受降雨滲流影響較大，土體內含水量的變化將直接導致其物理力學性質的改變。土水特征曲線是土體基質吸力與飽和度之間的變化關系，反映了土體含水量變化時，其強度、體變和滲流的變化特性。影響土水特征曲線的基本因素就是土的礦物成分和孔隙結構，土體遇水致礦物成分吸水后狀態變化，將直接影響土水曲線的各項特征。

滇西南強降雨區普遍存在砂類土填料，其力學性能滿足《公路路基施工技術規范》(JTG/T 3610-2019)的各項要求，但其遇水后的狀態變化未明確。如云鳳高速公路多處高填方路段采用的是含細粒土砂填料，該類填料在泡水前后的顆粒篩分試驗級配曲線如圖2所示。由圖可知，大顆粒土遇水后形態會發生分解，變成粒徑更小的顆粒。表現最為明顯的是小于0.075 mm孔徑顆粒含量突然由7.69%大幅度增至27.75%，土樣最大粒徑由10mm銳減至2 mm。土樣顆粒組成由含細粒土砂變為黏土質砂。由此可見，滇西南地區含細粒土砂類路基填料在水作用下顆粒組成發生了明顯改變，從而引起填料的物理力學性能變化，最終誘發路基路面沉降、開裂、不密實等病害。

圖2 填料泡水前后級配曲線

2.2 含細粒土砂路基彈模衰減特征研究

為進一步探究路基填料在水作用下的工程特性變化情況，對路基土樣進行吸水膨脹試驗和彈性模量試驗，結果如表1所示。試驗結果表明，土體孔隙率將直接影響其吸水膨脹性能。含細粒土砂類填料的吸水量與膨脹量具有較好的相關性，與土體的密實度呈線性負相關關系。

表1 不同壓實度的填料土樣吸水膨脹試驗結果%項目30擊壓實度約89% 50擊壓實度約92% 94區壓實度約94% 96區壓實度約96% 98擊壓實度100% 吸水量6.715.655.294.703.87膨脹量3.542.872.191.710.72

根據滇西南強降雨區干濕季節分明的氣象特征，開展了壓實度為94%、96%的土樣浸泡前后的回彈模量對比試驗，試驗結果如表2、表3所示，泡水前后壓力P-變形L關系曲線如圖3、圖4所示。試驗結果表明含細粒土砂類路基在雨水入滲浸泡又自然干燥的條件下，土樣表層會出現厚約2 mm的松散層，表層約1 cm土體彈性模量的代表值降低約50%。土樣的彈性模量呈現出隨試驗深度增加而增大的現象。由此可推測，在干濕循環作用下，路基將呈現出由外向內的力學性能漸進式衰減的水害現象。

表2 94區土樣泡水前后回彈模量對比壓力/kPa泡水前泡水4 d,風干15 d后總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa0000-0 00-509 4.94 2.83 2.11 8 31820.34 20.30 0.04 -1 019 9.48 5.20 4.28 8 201 56.83 47.29 9.54 3 679 1 528 16.32 10.26 6.06 8 688 92.50 80.30 12.20 4 316 2 037 30.10 22.57 7.54 9 310 126.43 118.39 8.04 8 731 2 546 50.39 39.20 11.21 7 828 ----

表3 96區土樣泡水前后回彈模量對比壓力/kPa泡水前泡水4 d,風干15 d后總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa0000-000-509 3.75 1.80 1.95 9 00019.4719.400.07-1 019 7.38 3.56 3.82 9 188 42.8733.619.263 790 1 528 11.43 6.38 5.05 10 426 76.9665.3711.594 5432 037 17.14 10.84 6.30 11 143 119.2112.896.3111 125 2 546 27.19 17.38 9.81 8 945 ----

(a)泡水前

(b)泡水4 d，自然風干15 d后圖3 94區土樣泡水前后壓力P-變形L曲線

(a)泡水前

(b)泡水4 d，自然風干15 d后圖4 96區土樣泡水前后壓力P-變形L曲線

3 路基填料滲透變形特征研究

為探究降雨滲流作用下路基的滲透破壞特征，以云鳳高速公路含細粒土砂填料為對象，開展室內滲透破壞試驗研究，試驗裝置如圖5所示，圖5(b)是根據滲透破壞試驗原理對常用TST-55滲透系數儀進行部分改造后的試驗裝置，主要原理是水從底部對環刀內土樣進行滲透，利用土樣上下面的水頭差使其發生滲透破壞。

(a)供水及水頭加載裝置

(b)改造后的TST-55滲透儀圖5 滲透破壞試驗裝置

通過對云鳳高速含細粒土砂路基的病害調研，發現路基經歷降雨滲流作用后，路基邊坡表層存在蜂窩狀骨架結構的土樣，坡腳處有大量細砂土。同時，邊坡防護結構存在大面積脫空，邊坡表面存在大量溝槽。蜂窩狀骨架土樣穩定性較差，極易在重力、風力或其他作用力的影響下出現結構擾動、坍塌重組的現象。為探究含細粒土砂路基填料的整個滲流破壞過程，本次研究分別以完整土樣、0.075 mm篩余土樣、0.25 mm篩余土樣、0.5 mm篩余土樣為對象，開展滲透破壞試驗。各土樣臨界水力梯度的試驗結果如表4所示。由試驗結果可知，完整土樣在水力坡降Jr=0.45時，就會出現了管涌破壞；Jr=1.175時，會出現管狀爆噴式滲透破壞。0.25 mm篩余土樣管涌破壞的現象很不明顯，在Jr=29.325下，面積約占20%的土會出現抬高式流土破壞。由此可知：①土顆粒組成將直接影響其滲流破壞的形式；②滲流作用下，土中細顆粒將率先被帶走，粗顆粒能維持一定時長的穩定；③伴隨著滲透壓力的持續增大，粗顆粒形成的蜂窩狀結構土樣將以流土的方式發生滲透破壞；④土樣滲流通道貫通的過程，既是細顆粒被帶走的過程，也伴隨著骨架重構、調整。本次試驗結果與經歷降雨作用后路基邊坡表層出現的多種結構土樣及表面溝槽、結構物脫空等情況具有很好的關聯性。

表4 各類土樣臨界水力坡降Jr計算結果臨界類型完整土樣0.075 mm篩余土樣0.25 mm篩余土樣0.5 mm篩余土樣管涌0.4501.12520.575-流土1.1751.82529.32558.7

4 綠地蓄水對路基的滲透發展特征分析

為探究綠地蓄水對路基的滲透發展特征，以云鳳高速公路K16+900處路基含細粒土砂填料的綠地為例，建立滲流數值計算網格模型(見圖6)。根據現場注水試驗和抗滲試驗，擬定了數值模型的計算參數見表5。為更好地反映滲透發展的特征，仿真分析時假定綠地蓄水長期處于飽和狀態，即綠地與周圍土體的交界面上始終保持一定的孔隙水壓力。持續滲透1個月和1 a后，路基孔隙水壓力分布分別如圖7、圖8所示。

圖6 K16+900路基數值計算網格

圖7 持續滲透1個月后路基孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖8 持續滲透1 a后路基孔隙水壓力分布(單位：kPa)

表5 數值模型計算參數土樣重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內摩擦角/(°)泊松比滲透系數/(cm·s-1)路床(96區)21.85733.117.70.253.29×10-4路堤(94區)21.655.7233.117.70.303.32×10-4地基21.08 680160350.281.96×10-5擋墻混凝土23.030 0001 000520.21.1×10-6

由圖7和圖8可知：在綠地土壤蓄水的滲透作用下，路基滲流場演化呈現出以下特征：①隨著時間推移，滲透由右側綠地“蓄水區”逐步擴展、并順著填挖交界處向左側坡腳滲透；②孔隙水壓力分布沿順坡向、由表及里逐步增大；③長期滲透作用下，在擋墻附近的填土內部會形成一片超孔隙水壓力的區域；④擋墻地基的土體最終將面臨泡水軟化的風險，進而引發失穩破壞。在工程實踐中，諸如此類擋墻在孔隙水壓力和填土壓力的共同作用下出現局部垮塌的例子也屢見不鮮。因此，綠地土壤若一直處于飽水狀態且無防排水措施的條件下，土壤中的自由水在重力作用下，持續對路基進行滲透，將引發路基出現水毀破壞現象，特別是滇西南強降雨區的砂土填料路基，此種現象更為明顯。

5 結論

道路兩側綠地蓄水對路基病害的發生有重大影響，建設過程中應注重設置防排水措施。以滇西南強降雨區含細料土砂類填料為例，研究了該類填土在水作用下的分解特征以及軟化特性，采用數值模擬方法研究了綠地“蓄水”對路基滲流場及水害的影響。主要結論如下：

1)受地形地貌影響，道路兩側綠地蓄水引發路基水害的現象容易發生在雨水匯流區域。

2)綠地蓄水對路基的滲透作用是一個循序漸進、逐步發展過程，對應的路基路面水害發展過程也表現出階段性，如路基臨空側土層的逐層剝蝕、垮塌。

3)滇西南地區普遍存在的砂類填料遇水后會出現顆粒再次分解，土體級配、孔隙率、密度等指標將出現重大變化。土樣在經歷干濕循環后，表層土彈性模量的衰減幅度也將高達50%，并表現出由外向內逐步發展的變化特征。

4)對含細粒土砂類路基，綠地蓄水向路基的滲透發展呈現出階段性，首先受影響的是靠綠地的路肩部位，而后將在路基臨空面的坡腳附近出現孔隙水壓力最大的區域，甚至出現超孔隙水壓力，最終導致路基臨空面坡腳處率先出現滲透變形破壞。