道路两侧绿地蓄水对路基渗透变形的影响研究

刘跃成, 伍东卫, 蒋中明, 叶保权

(1.云南凤云高速公路有限公司，云南 临沧 675800； 2.云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650000；3.长沙理工大学，湖南 长沙 410114)

0 前言

在当今交通运输和旅游融合发展的时代背景下，公路交通工程已不仅仅局限于承担车辆通行的基础功能，还是促进旅游、扶贫攻坚、激发经济活力、助推乡村振兴、实现价值延伸的必备“整合利器”。因而，公路工程沿线设施的建设已成为公路交通的重点，特别是绿化工程。公路沿线绿化工程的建设，给传统公路的建设带来了新的技术问题，其中最重要的问题来源就是水。一方面水是植物生长所必须的，另一方面水是诱发路基路面病害的根源。路基水分主要来自于降雨。为美化亮点工程，公路设计者会尽可能多地增加绿化地带，如斜坡填方路基的靠山一侧有时会直接填平做成绿化带。在雨水入渗条件下，绿地土壤会存储大量的水，并逐渐演变成“蓄水区”，而后向路基内部渗透。如何做好这类路基的水治理工作，关乎路基路面的使用寿命和运维安全。我国对公路防排水重要性的认识大致经历了3个阶段，从简单的路表排水，到设置防水封层，最后走向防排结合[1-4]。但在如何协调道路两侧绿化“用水”和防治水害“排水”之间的矛盾方面，仍需要进行深入研究。因此，本文以滇西南云凤高速公路为例，针对有上述绿化带特征的部分路段，开展该类路基渗透变形破坏的机理研究，分析路基病害产生的原因，为滇西南强降雨区后续公路工程防排水系统的建设提供借鉴。

1 道路绿地蓄水及路基水害特征

1.1 绿地蓄水特征分析

土壤的孔隙结构，赋予了其对水分有良好的积蓄、运输、保持、调配等功能，简称为“土壤水库”[5]。土壤水库按其“库容”，可用土壤总体库容量、土壤水分现存量、剩余蓄水空间、有效库容、死库容和滞洪库容等来评价土壤的蓄水能力[6]。绿地土壤可通过吸纳大气降水、部分地表径流及周围环境的岩土渗水，消减因降雨导致的地表径流，从而一定程度上减缓洪涝灾害。因此，城市绿地蓄水滞洪效应作为防治城市内涝的重要手段，一直都是广大学者的重点研究对象。史学正等[7]通过人工模拟试验研究，提出充分调用“土壤水库”实现长江流域防洪减灾的措施，阐述了只要疏通土壤下渗通道，那么1 m厚土层蓄水量就能吸纳降雨量的19%，试验中4 h共204 mm降雨约有165.1 mm进入“土壤水库”。张波等[8]以深圳市不同地区的绿地土壤为对象，分析了土壤容重、孔隙状况对土壤水分常数和水分入渗特征的影响。李青林等[9]以贵阳市绿化带的乔木林、灌木林、草地等3类典型人工绿地为研究对象，得到了土壤饱和导水率以乔木绿地最大、灌木绿地居中、草地绿地最小的结果，指出了绿地饱和导水率与土壤容重呈极显著负相关，与总孔隙度、毛管孔隙度呈显著正相关，与砂砾含量呈显著正相关。朱永杰等[10]通过监测下凹式绿地蓄水过程中水分渗透量和入渗速率，发现下凹式绿地土壤渗透性能会随暴雨强度的增加而增大，渗透量随时间呈抛物线型增加，且最后土壤渗透总量随水负荷增加而增大，同时，土壤的渗透性能会随着蓄水次数增加而变差。以上研究成果均较好地阐述了绿地蓄水的特征，对于城市绿地，蓄水滞洪作用是有益的，但对于山区公路绿地，若无专门设计的防排水措施，绿地蓄水的长期存在势必将引发水分向路基内部发生渗透，进而引发新的路基路面病害。

1.2 绿地蓄水渗透作用下路基水害特征

目前，关于山区高速公路规划两侧绿地蓄水渗透作用的研究成果较少，以往研究大多集中在路基拓宽及防排水体系、路基路面病害防治等方面[11-12]。公路设计规范仅对中央绿化带的防排水设计做了比较详细的描述，但仍存在耐久性、生态性较差、经济成本高、影响绿化种植等问题[13]。在公路工程中，降雨是公路水的主要来源，雨水入渗路基路面引发病害的工程实例和研究成果均较多[14-17]。道路两侧绿地蓄水的主要来源有：①雨水经绿化带地表直接渗入；②周围土体降雨蓄水后重力或毛细管作用下的水分迁移；③产流发生前地表坑塘的存水及产流过程途径绿化带的水；④人工带来的绿化带灌溉用水。绿地蓄水后渗流方向受周围地形地貌、土体性质、压实度、含水率、重力等因素综合影响。经调研，因绿地蓄水的渗透作用引发路基不均匀沉降、甚至渗透变形破坏的现象较多。以滇西南强降雨区砂类土填料路基为例，几乎每年都会出现不同程度的路基路面水害现象，道路两侧绿地蓄水渗透作用下典型路基水害现象如图1所示。

(a)半填半挖路基渗透

(b)表层土体渗透

(c)填方路基单侧绿化带渗透

(d)桩板墙填方路基水集聚图1 道路两侧绿地蓄水渗透作用下典型路基水害现象

结合图1可知，绿地蓄水对路基渗透作用引发的路基水害主要特征如下：①绿地蓄水对路基的渗透作用是一个循序渐进、逐步发展的过程，与泥石流、山洪相比，绿地蓄水渗透引发的路基路面水害具有明显的缓慢性和滞后性；②路基临空侧可能因绿地蓄水出现逐层剥蚀、垮塌等现象，相应的路面也同步出现开裂、脱空和塌陷等现象；③虽路基实际发生变形破坏的区域不大，但绿地蓄水对路基渗透作用的影响面积普遍较大，水害处治的难度也相对较大。

2 路基填料遇水分解及弹模衰减特征

2.1 含细粒土砂填料颗粒遇水分解研究

公路路基填料土体普遍处于非饱和状态，强度和变形受降雨渗流影响较大，土体内含水量的变化将直接导致其物理力学性质的改变。土水特征曲线是土体基质吸力与饱和度之间的变化关系，反映了土体含水量变化时，其强度、体变和渗流的变化特性。影响土水特征曲线的基本因素就是土的矿物成分和孔隙结构，土体遇水致矿物成分吸水后状态变化，将直接影响土水曲线的各项特征。

滇西南强降雨区普遍存在砂类土填料，其力学性能满足《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610-2019)的各项要求，但其遇水后的状态变化未明确。如云凤高速公路多处高填方路段采用的是含细粒土砂填料，该类填料在泡水前后的颗粒筛分试验级配曲线如图2所示。由图可知，大颗粒土遇水后形态会发生分解，变成粒径更小的颗粒。表现最为明显的是小于0.075 mm孔径颗粒含量突然由7.69%大幅度增至27.75%，土样最大粒径由10mm锐减至2 mm。土样颗粒组成由含细粒土砂变为黏土质砂。由此可见，滇西南地区含细粒土砂类路基填料在水作用下颗粒组成发生了明显改变，从而引起填料的物理力学性能变化，最终诱发路基路面沉降、开裂、不密实等病害。

图2 填料泡水前后级配曲线

2.2 含细粒土砂路基弹模衰减特征研究

为进一步探究路基填料在水作用下的工程特性变化情况，对路基土样进行吸水膨胀试验和弹性模量试验，结果如表1所示。试验结果表明，土体孔隙率将直接影响其吸水膨胀性能。含细粒土砂类填料的吸水量与膨胀量具有较好的相关性，与土体的密实度呈线性负相关关系。

表1 不同压实度的填料土样吸水膨胀试验结果%项目30击压实度约89% 50击压实度约92% 94区压实度约94% 96区压实度约96% 98击压实度100% 吸水量6.715.655.294.703.87膨胀量3.542.872.191.710.72

根据滇西南强降雨区干湿季节分明的气象特征，开展了压实度为94%、96%的土样浸泡前后的回弹模量对比试验，试验结果如表2、表3所示，泡水前后压力P-变形L关系曲线如图3、图4所示。试验结果表明含细粒土砂类路基在雨水入渗浸泡又自然干燥的条件下，土样表层会出现厚约2 mm的松散层，表层约1 cm土体弹性模量的代表值降低约50%。土样的弹性模量呈现出随试验深度增加而增大的现象。由此可推测，在干湿循环作用下，路基将呈现出由外向内的力学性能渐进式衰减的水害现象。

表2 94区土样泡水前后回弹模量对比压力/kPa泡水前泡水4 d,风干15 d后总变形/(0.1 mm)残余变形/(0.1 mm)弹性变形/(0.1 mm)回弹模量/kPa总变形/(0.1 mm)残余变形/(0.1 mm)弹性变形/(0.1 mm)回弹模量/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区土样泡水前后回弹模量对比压力/kPa泡水前泡水4 d,风干15 d后总变形/(0.1 mm)残余变形/(0.1 mm)弹性变形/(0.1 mm)回弹模量/kPa总变形/(0.1 mm)残余变形/(0.1 mm)弹性变形/(0.1 mm)回弹模量/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，自然风干15 d后图3 94区土样泡水前后压力P-变形L曲线

(a)泡水前

(b)泡水4 d，自然风干15 d后图4 96区土样泡水前后压力P-变形L曲线

3 路基填料渗透变形特征研究

为探究降雨渗流作用下路基的渗透破坏特征，以云凤高速公路含细粒土砂填料为对象，开展室内渗透破坏试验研究，试验装置如图5所示，图5(b)是根据渗透破坏试验原理对常用TST-55渗透系数仪进行部分改造后的试验装置，主要原理是水从底部对环刀内土样进行渗透，利用土样上下面的水头差使其发生渗透破坏。

(a)供水及水头加载装置

(b)改造后的TST-55渗透仪图5 渗透破坏试验装置

通过对云凤高速含细粒土砂路基的病害调研，发现路基经历降雨渗流作用后，路基边坡表层存在蜂窝状骨架结构的土样，坡脚处有大量细砂土。同时，边坡防护结构存在大面积脱空，边坡表面存在大量沟槽。蜂窝状骨架土样稳定性较差，极易在重力、风力或其他作用力的影响下出现结构扰动、坍塌重组的现象。为探究含细粒土砂路基填料的整个渗流破坏过程，本次研究分别以完整土样、0.075 mm筛余土样、0.25 mm筛余土样、0.5 mm筛余土样为对象，开展渗透破坏试验。各土样临界水力梯度的试验结果如表4所示。由试验结果可知，完整土样在水力坡降Jr=0.45时，就会出现了管涌破坏；Jr=1.175时，会出现管状爆喷式渗透破坏。0.25 mm筛余土样管涌破坏的现象很不明显，在Jr=29.325下，面积约占20%的土会出现抬高式流土破坏。由此可知：①土颗粒组成将直接影响其渗流破坏的形式；②渗流作用下，土中细颗粒将率先被带走，粗颗粒能维持一定时长的稳定；③伴随着渗透压力的持续增大，粗颗粒形成的蜂窝状结构土样将以流土的方式发生渗透破坏；④土样渗流通道贯通的过程，既是细颗粒被带走的过程，也伴随着骨架重构、调整。本次试验结果与经历降雨作用后路基边坡表层出现的多种结构土样及表面沟槽、结构物脱空等情况具有很好的关联性。

表4 各类土样临界水力坡降Jr计算结果临界类型完整土样0.075 mm筛余土样0.25 mm筛余土样0.5 mm筛余土样管涌0.4501.12520.575-流土1.1751.82529.32558.7

4 绿地蓄水对路基的渗透发展特征分析

为探究绿地蓄水对路基的渗透发展特征，以云凤高速公路K16+900处路基含细粒土砂填料的绿地为例，建立渗流数值计算网格模型(见图6)。根据现场注水试验和抗渗试验，拟定了数值模型的计算参数见表5。为更好地反映渗透发展的特征，仿真分析时假定绿地蓄水长期处于饱和状态，即绿地与周围土体的交界面上始终保持一定的孔隙水压力。持续渗透1个月和1 a后，路基孔隙水压力分布分别如图7、图8所示。

图6 K16+900路基数值计算网格

图7 持续渗透1个月后路基孔隙水压力分布(单位：kPa)

图8 持续渗透1 a后路基孔隙水压力分布(单位：kPa)

表5 数值模型计算参数土样重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比渗透系数/(cm·s-1)路床(96区)21.85733.117.70.253.29×10-4路堤(94区)21.655.7233.117.70.303.32×10-4地基21.08 680160350.281.96×10-5挡墙混凝土23.030 0001 000520.21.1×10-6

由图7和图8可知：在绿地土壤蓄水的渗透作用下，路基渗流场演化呈现出以下特征：①随着时间推移，渗透由右侧绿地“蓄水区”逐步扩展、并顺着填挖交界处向左侧坡脚渗透；②孔隙水压力分布沿顺坡向、由表及里逐步增大；③长期渗透作用下，在挡墙附近的填土内部会形成一片超孔隙水压力的区域；④挡墙地基的土体最终将面临泡水软化的风险，进而引发失稳破坏。在工程实践中，诸如此类挡墙在孔隙水压力和填土压力的共同作用下出现局部垮塌的例子也屡见不鲜。因此，绿地土壤若一直处于饱水状态且无防排水措施的条件下，土壤中的自由水在重力作用下，持续对路基进行渗透，将引发路基出现水毁破坏现象，特别是滇西南强降雨区的砂土填料路基，此种现象更为明显。

5 结论

道路两侧绿地蓄水对路基病害的发生有重大影响，建设过程中应注重设置防排水措施。以滇西南强降雨区含细料土砂类填料为例，研究了该类填土在水作用下的分解特征以及软化特性，采用数值模拟方法研究了绿地“蓄水”对路基渗流场及水害的影响。主要结论如下：

1)受地形地貌影响，道路两侧绿地蓄水引发路基水害的现象容易发生在雨水汇流区域。

2)绿地蓄水对路基的渗透作用是一个循序渐进、逐步发展过程，对应的路基路面水害发展过程也表现出阶段性，如路基临空侧土层的逐层剥蚀、垮塌。

3)滇西南地区普遍存在的砂类填料遇水后会出现颗粒再次分解，土体级配、孔隙率、密度等指标将出现重大变化。土样在经历干湿循环后，表层土弹性模量的衰减幅度也将高达50%，并表现出由外向内逐步发展的变化特征。

4)对含细粒土砂类路基，绿地蓄水向路基的渗透发展呈现出阶段性，首先受影响的是靠绿地的路肩部位，而后将在路基临空面的坡脚附近出现孔隙水压力最大的区域，甚至出现超孔隙水压力，最终导致路基临空面坡脚处率先出现渗透变形破坏。