改擴(kuò)建舊路基開挖臺(tái)階雨水滲流的影響*

梁 晨，劉麗萍,余美嫻

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

在進(jìn)行高速公路改擴(kuò)建時(shí)為了控制新舊路基的差異性沉降，需要在既有路基開挖臺(tái)階進(jìn)行搭接，此時(shí)既有路基將受到自然環(huán)境的影響，其中降雨可能會(huì)對(duì)既有路基造成影響進(jìn)而導(dǎo)致施工難度增加或出現(xiàn)安全隱患[1-2]。遇到降雨時(shí)可以在開挖的路基處鋪設(shè)塑料薄膜并開挖排水槽[3]，既有路基雨水滲流初期的形式為垂直滲流，主要導(dǎo)致豎向沉降；隨著降雨時(shí)長(zhǎng)增加，雨水滲流形式會(huì)逐漸變?yōu)樗綕B流，主要導(dǎo)致水平位移[4]。當(dāng)大量雨水滲入開挖的路基時(shí)，若路基滲透系數(shù)較小，則排水能力較差，在行車荷載的作用下可能會(huì)對(duì)開挖面造成破壞[5]。在未降雨的情況下邊坡因開挖發(fā)生失穩(wěn)的概率與行車荷載和開挖高度有關(guān)[6]，如果遇到降雨，將降低土體承載能力[7]，土體滲透性與邊坡穩(wěn)定性呈正比[8]。隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，邊坡坡角處的位移逐漸增大，在降雨4～60 h時(shí)安全系數(shù)降低40%[9]。在進(jìn)行挖方路基改擴(kuò)建時(shí)，開挖會(huì)導(dǎo)致既有邊坡發(fā)生應(yīng)力釋放，遇到降水時(shí)邊坡抗剪強(qiáng)度隨之減小[10]。

臺(tái)階式加寬是目前改擴(kuò)建常用的加寬方式，相比斜坡式加寬能夠更好的控制差異性沉降，防止路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。在冬季進(jìn)行路基施工時(shí)，土中水分不易蒸發(fā),土顆?？紫吨械淖杂伤吭黾?土體粒間引力下降不明顯,孔隙中自由水阻礙土顆粒移動(dòng),導(dǎo)致路基壓實(shí)效果下降[11]，依托工程在夏季施工，2021年夏季降雨量較往年有明顯增加，9月上中旬降雨量平均增加約3.3倍。目前相關(guān)研究大部分集中在降雨對(duì)采用斜坡式搭接的邊坡的變形等方面的影響分析，但降雨對(duì)臺(tái)階式搭接邊坡變形的影響研究相對(duì)較少，文中利用ABAQUS有限元軟件，結(jié)合實(shí)體工程，并在陜西省今年降雨頻發(fā)的環(huán)境背景下，分析了雨水在臺(tái)階內(nèi)的滲流特征、臺(tái)階發(fā)生破壞的影響因素以及在路床超挖段區(qū)域降雨影響深度的變化規(guī)律，預(yù)防已開挖的臺(tái)階發(fā)生破壞，為依托工程和其他有關(guān)改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

陜西省某高速公路改擴(kuò)建工程位于關(guān)中平原中部，路面結(jié)構(gòu)形式為4 cm 瀝青混凝土(AC-20)+8 cm 瀝青碎石(AM)+20 cm 二灰砂礫+23 cm 二灰土。全段采用雙側(cè)加寬，將原有四車道加寬至六車道，加寬后路面寬度為3×375 cm。新舊路基搭接方式為臺(tái)階式搭接，臺(tái)階采用雙臺(tái)階式布置(路床和路基底部各有一組臺(tái)階)，路面底部以下0～1.2 m為路床臺(tái)階區(qū)域臺(tái)階，開挖坡度為1∶1.5，設(shè)有路床超挖段，超挖段位于路面底部以下1.2 m處。改擴(kuò)建斷面設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 改擴(kuò)建斷面設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of reconstruction and expansion section

依托工程所在地區(qū)2021年夏季降雨頻發(fā)，9月上中旬平均降水量比常年多2.7～3.8倍，不同降雨強(qiáng)度的降雨時(shí)長(zhǎng)分別為6 d、5 d和7 d，依據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]進(jìn)行公路路基設(shè)計(jì)。總降雨量為0.081 1 mm、0.100 9 mm和0.130 2 mm，平均每分鐘降雨量為9.4×10-6mm、1.4×10-5mm和1.3×10-4mm，總體來(lái)說(shuō)持續(xù)降雨5 d的情況下降雨強(qiáng)度較大，故文中選擇持續(xù)降雨5 d為研究背景，分析降雨對(duì)臺(tái)階的影響。

2 滲流分析

研究段的加寬方案為雙側(cè)加寬且左右對(duì)稱，故取設(shè)計(jì)圖右幅為模型搭建依據(jù)。根據(jù)高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)相關(guān)細(xì)則[13]、公路路基設(shè)計(jì)有關(guān)規(guī)范[14]和設(shè)計(jì)文件，利用ABAQUS有限元軟件依照設(shè)計(jì)圖搭建一個(gè)底寬約21.6 m，高約12.81 m的二維模型，其中地基高約8 m，寬約21.6 m；路基高約4.8 m，寬約17.6 m；路面結(jié)構(gòu)采用4 cm 瀝青混凝土(AC-20)+8 cm 瀝青碎石(AM)+20 cm 二灰砂礫+23 cm 二灰土。臺(tái)階由兩部分組成，兩部分尺寸分別為0.4 m×1.0 m、0.8 m×1.2 m，兩部分均設(shè)置內(nèi)傾橫坡，角度為3%，臺(tái)階開挖坡度為1∶1.5。材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

約束仿真模型兩側(cè)邊界的X向位移、底部邊界的X向和Y向位移，地下水位線以下的兩側(cè)邊界設(shè)置靜孔隙水壓力邊界，靜孔隙水壓力隨深度的增加而增加，且呈線性變化趨勢(shì)，路面結(jié)構(gòu)設(shè)為不透水層，其余邊界設(shè)為不排水邊界。結(jié)合依托工程的地勘資料，為了便于計(jì)算和分析，假設(shè)路基土和地基土在飽和時(shí)的滲透系數(shù)一致，飽和滲透系數(shù)為2.1×10-5m·h-1。降雨邊界函數(shù)用降雨強(qiáng)度表示，雨水沿臺(tái)階面法向入滲，由于單位流通量與法向方向相同時(shí)為正，因此在荷載中設(shè)置降雨強(qiáng)度時(shí)應(yīng)取負(fù)值。分別選取降雨6 h、12 h、18 h和24 h滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，滲流場(chǎng)變化如圖2所示。

圖2 不同降雨時(shí)長(zhǎng)的雨水滲流場(chǎng)變化Fig.2 Changes in seepage field at different times

從圖2可知，由于路面結(jié)構(gòu)不透水，所以路面下遠(yuǎn)離開挖面的路基土沒有出現(xiàn)滲流場(chǎng)。圖2反映出在降雨6 h時(shí)滲流場(chǎng)以豎向滲流為主，隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，水平滲流強(qiáng)度逐漸增加，在持續(xù)降雨24 h時(shí)路基土內(nèi)出現(xiàn)了明顯的水平滲流，最明顯的位置出現(xiàn)在路床處臺(tái)階的內(nèi)側(cè)，這是由于路面下路基土不會(huì)直接受到雨水影響，基質(zhì)吸力較大，隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，與路床處臺(tái)階的水位差逐漸增大，所以在路床臺(tái)階內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯的水平滲流。其他分析區(qū)域也出現(xiàn)了不同程度水平滲流，原因同樣是路基土內(nèi)出現(xiàn)了水位差。

路床第二級(jí)臺(tái)階在降雨約72 h后發(fā)生破壞，為此針對(duì)路床處臺(tái)階展開進(jìn)一步研究，分析發(fā)生破壞的原因。隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加和降雨強(qiáng)度的變化，可以得到路床第二級(jí)臺(tái)階頂點(diǎn)飽和度-降雨時(shí)長(zhǎng)曲線,如圖3所示，飽和度呈指數(shù)增加，在臨近破壞時(shí)處于飽和狀態(tài)。各級(jí)臺(tái)階底部基質(zhì)吸力變化如圖4所示。

圖3 路床處第二級(jí)臺(tái)階頂點(diǎn)飽和度Fig.3 Saturation of the second step vertex of the road bed

圖4 路床和路基臺(tái)階底部基質(zhì)吸力Fig.4 Matrix suction at the bottom of roadbed and subgrade steps

由圖4可知，降雨初期路床第二級(jí)臺(tái)階底部基質(zhì)吸力比第一級(jí)臺(tái)階底部大，因此豎向滲流更明顯；隨著降雨，路床第二級(jí)臺(tái)階底部基質(zhì)吸力逐漸減小，變化量超過下一級(jí)臺(tái)階底部，這是由于路床臺(tái)階高度低，雨水豎向滲流逐漸達(dá)到下一級(jí)臺(tái)階頂面，且下一級(jí)臺(tái)階雨水滲流存在向上一級(jí)臺(tái)階滲流的分量，使得雨水滲流影響發(fā)生疊加，孔隙水壓增加，基質(zhì)吸力減小，土體粒間應(yīng)力減小，導(dǎo)致土體的剪切強(qiáng)度減小，發(fā)生破壞，也導(dǎo)致路床臺(tái)階底部基質(zhì)吸力變化趨勢(shì)較路基底部第一級(jí)臺(tái)階顯著，最終第二級(jí)臺(tái)階底部基質(zhì)吸力小于路基底部第一級(jí)臺(tái)階。

超挖路床是為防止路床臺(tái)階的寬度過小，在依托工程中路床超挖段長(zhǎng)度大于各區(qū)域臺(tái)階面的長(zhǎng)度，受到降雨荷載作用的面積較大，對(duì)路床超挖段進(jìn)行降雨與影響深度關(guān)系分析，取路床超挖段中點(diǎn)處向下至路基底部的路徑為研究對(duì)象，可以得到不同降雨時(shí)長(zhǎng)下基質(zhì)吸力的變化，如圖5所示。

圖5 不同降雨時(shí)長(zhǎng)路基土的基質(zhì)吸力Fig.5 Different rainfall duration subgrade soil matrix suction

由圖5可知，在雨水影響深度為0.8 m時(shí)，不同降雨時(shí)長(zhǎng)的基質(zhì)吸力變化幅度逐漸相近，這是由于土體內(nèi)部產(chǎn)生了水位差，導(dǎo)致雨水水平滲流能力逐漸增大，減弱了豎向滲流的影響，而且受到了地下水的影響。將不同降雨時(shí)長(zhǎng)的基質(zhì)吸力變化曲線與未降雨時(shí)基質(zhì)吸力的變化進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)在基質(zhì)吸力一定、雨水影響深度小于0.8 m時(shí)雨水影響深度隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加而增大。基質(zhì)吸力曲線在不同降雨時(shí)長(zhǎng)下皆出現(xiàn)反彎點(diǎn)，不同降雨時(shí)長(zhǎng)下反彎點(diǎn)深度變化如圖6所示。

圖6 不同降雨時(shí)長(zhǎng)雨水的反彎點(diǎn)深度Fig.6 Inflection point depth of different rainfall duration

由圖6可知，反彎點(diǎn)平均深度為1.0 m，因此在持續(xù)降雨60 h時(shí)雨水對(duì)路床超挖段中點(diǎn)的影響深度約為1.0 m，深度0.4 m處的基質(zhì)吸力比路床第二級(jí)臺(tái)階底部大。

3 結(jié) 論

1) 降雨初期土體中的孔隙水壓力逐漸增加，孔隙氣壓力與水壓力差值逐漸下降，表現(xiàn)為基質(zhì)吸力減小，此時(shí)以豎向滲流為主；隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，豎向滲流路徑兩側(cè)的土體與路徑上的土體產(chǎn)生水壓差，故逐漸發(fā)生水平滲流，減小路基土承載力，不利于控制差異性沉降。工程中若遇長(zhǎng)時(shí)間降雨，應(yīng)采取覆蓋土工薄膜等方法減少雨水的滲入量。

2) 路床臺(tái)階雨水豎向滲流與下一級(jí)臺(tái)階發(fā)生疊加，體現(xiàn)在考慮地下水作用下路床第二級(jí)臺(tái)階底部基質(zhì)吸力比路基第一級(jí)臺(tái)階底部大6.50%。未降雨時(shí)，路床第二級(jí)臺(tái)階底部基質(zhì)吸力在地下水的影響下比第一級(jí)臺(tái)階底部大2.50%，雨水滲流影響更大；由于路床臺(tái)階高度比路基臺(tái)階高度低，路床臺(tái)階底部基質(zhì)吸力大，因此路床臺(tái)階在降雨時(shí)易發(fā)生破壞。在降雨時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高度較低臺(tái)階的變形觀測(cè)，必要時(shí)采取支護(hù)等防護(hù)措施。

3) 未降雨時(shí)路床超挖段土體的基質(zhì)吸力呈線性分布，降雨時(shí)由于雨水水平和豎向滲流，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力發(fā)生變化，并且影響深度與降雨時(shí)長(zhǎng)的增加呈正相關(guān)，持續(xù)降雨12 h和24 h影響深度增幅最大。持續(xù)降雨60 h，超挖段路基土平均影響深度約1.0 m，在降雨結(jié)束后可以對(duì)路床超挖段采用翻土晾曬等措施，使土體含水量降低，改善后續(xù)壓實(shí)性能。