毛細水對道路設計的影響分析
馬春亭
(上海市城市建設設計研究總院天津分院，天津300073)
摘要：道路設計中，地下水由于毛細作用，會上升到路基及路面結構各層，繼而影響道路的整體強度和質量。通過研究毛細水在不同路基填料中的上升高度，提出不同路基填料下道路的合理設計標高，并對路基強度進行驗算，為道路設計提供支撐。最后，結合天津津北路拓寬改造工程對路面設計標高、路基強度等進行驗算，得出毛細水對道路設計的影響。
關鍵詞：道路設計；毛細水；驗算；影響
中圖分類號：U416文章編號：1004-4655( 2016) 02-0001-03
1毛細水分析
1.1毛細水作用機理
毛細現象的產生是由于水與空氣分界面或收縮膜上存在表面張力；另一方面，毛細管管壁的分子與水分子之間有引力作用，使管壁接觸的水面呈向上彎曲狀，呈浸潤現象，當毛細管直徑較細時，浸潤現象使毛細管內水面彎曲相連，形成內凹的彎液面狀。表面張力與浸潤現象緊密聯系在一起，水沿毛細管上升。
毛細水廣泛分布在土粒內部相互貫通的孔隙中，對土體中氣體的分布與流通有一定的影響，導致土體內產生封閉氣體。而封閉氣體增加土體的彈性和減少土體的滲透性，由此在地下水位埋深較淺時，導致路基出現凍脹、彈軟等病害，降低道路使用壽命和質量。
1.2毛細水對道路設計標高的影響
地下水對路基影響是導致路基破壞的主要原因，合理的道路設計標高可以避免道路路基產生凍脹，保證路基的水穩(wěn)定性。
通過研究不同土質中毛細水的上升高度H c,結合地下水位標高hw，以及區(qū)域凍土深度H d確定道路最小設計標高hn1，從而確保路基不會因毛細水作用而出現凍脹破壞。毛細水上升高度與道路設計標高關系圖見圖1。
由圖1可知，滿足毛細水不會對路面結構產生凍脹破壞，道路設計標高應滿足式(1)要求。
道路規(guī)劃設計時，需要考慮地下水位標高、毛細水上升高度等因素，確定合理的設計標高。反之，如受場地標高限制，道路設計標高不能滿足式(1)時，可通過更換路基填料，降低毛細水上升高度，調整道路設計標高。
1.3毛細水對路基填料的影響
道路設計標高越高對路基越有利，但高路基需較大填方量，增加工程投資；低路基中地下水因毛細作用上升，造成路基土體吸水軟化，力學特性改變。在滿足投資要求的前提下，確定合理的設計標高，既滿足路基工作狀態(tài)，又降低工程投資。
1.3.1毛細水上升高度
海森( A.Hazen)經驗公式見式(2)。
不同路基填料下，毛細水上升高度值見表1。
通過以上分析，不同路基填料，毛細水上升高度不相同。以素土作為路基填料，毛細水上升高度最大；以石灰粉煤灰土作為路基填料，毛細水上升高度相對較小；以石灰土作為路基填料，隨著含灰量增加，石灰土的密實逐漸增強，毛細水上升高度呈下降趨勢。毛細水上升高度與含灰量關系見圖2。
石灰粉煤灰土由于其均勻度等均與12%石灰土接近，毛細水上升高度與12%石灰土相差不多，作為路基填料，需要大量粉煤灰。
1.3.2毛細水對路基狀態(tài)影響
根據路基工作區(qū)與毛細水影響范圍的關系，確定路基的干濕類型關系如下（見圖3）。
1)潮濕路基：路基工作區(qū)處于毛細水影響范圍之內。
2)中濕路基：路基工作區(qū)處于毛細水影響范圍的邊緣。
3)干燥路基：路基工作區(qū)處于毛細水影響范圍之上。
因此，為保證路基處于一個合理的工作狀態(tài)，設計過程中需要根據地下水位標高、毛細水上升高度、路基工作區(qū)深度等合理確定設計標高。當道路設計標高受場地限制、處于不利工作狀態(tài)時，需要調整路基填料降低毛細水上升高度，從而改變路基的工作狀態(tài)。
1.4毛細水對路堤強度的影響
確定路基填料后，對路基填料進行驗算，保證路基整體強度值。路基回彈模量作為道路的一個重要指標，其取值表明路基強度的大小，公式見式(3)。
通過以上分析，毛細水作用機理：地下水在毛細作用下，上升到路基及路面結構各層，從而導致路基長期處于飽水狀態(tài)，影響路基的整體強度和穩(wěn)定性；如上升到路面結構中，則出現凍脹現象，導致路面結構的破壞。
2數據驗算及驗證
2.1項目概況
天津津北路拓寬改造工程位于天津市東麗區(qū)，工程所屬區(qū)域地下水位埋深較淺（約1.5 m），道路規(guī)劃標高較低(2.7~2.9 m)。
道路設計過程中，結合工程地質勘查報告，對毛細水上升高度進行計算，對道路規(guī)劃標高的合理性進行復核，提出路基填料方案，確定路基強度。
2.2工程地質
本工程路基土層主要有人工填土層(Qm1)，層厚約為1.10~2.50 m；第1陸相層(Q43a1)，層厚約為1.70~3.30 m；再下層為第1海相層(Q42m)，層厚約為10.00~10.70 m。地下水標高介于1.0~1.6 m，標準凍土深度0.60 m。
2.3工程方案
2.3.1道路設計標高
根據津北路地質勘查報告，勘察期間靜止水位埋深約為1.00~2.50 m，標高介于0.42~2.35 m之間，平均標高1.5 m。
根據式(1)，津北路設計標高hs1≥H d+ He+hw=0.6+He+1.5=2.1m+Hc（H d天津地區(qū)為0.6 m；
H c表1確定；hw根據地勘報告本工程取1.5 m）。
根據表1試驗數據，得出不同含灰量條件下石灰土路基的道路最小設計標高，具體如表2所示。
根據規(guī)劃部門提供資料，津北路規(guī)劃標高為2.7~2.9 m，根據表2可知，12%石灰土滿足毛細水上升最小高度及規(guī)劃要求。毛細水影響范圍示意圖見圖4。
根據交通量統計結果，津北路路面結構厚度需為72cm，毛細水已上升至路面結構底基層內。因此，該規(guī)劃標高不合理，為保證路面結構不受毛細水作用，需提高路面設計標高至3.0 m左右。后經溝通，道路規(guī)劃標高最小值為3.0 m。
2.3.2由道路設計標高確定路基填料
本工程最終選擇12%石灰土作為路基填料。在施工圖階段，針對當地的土質條件，提出12%石灰土的孔隙比、有效粒徑等各項試驗控制參數，確保路基處于合理的工作狀態(tài)。根據式(3)，津北路路基處于潮濕狀態(tài)，在12%石灰土下設置山皮土層作為承托層，保證路基的整體強度。
2.3.3路基強度
根據式(3)對津北路路基強度進行驗算，具體取值：津北路路基處理潮濕狀態(tài)，Ks按照JTGD30-2015《公路路基設計規(guī)范》附錄D，該值為0.6；Kη通過試驗確定，本項目該值為0.77；MR通過試驗確定。
計算路基回彈模量值E0=0.6×0.77×22.1×9000.55。式中的CBR值與路基填料有關，不同含灰量的石灰土CBR值試驗結果見圖5。
工程采用12%石灰土作為路基填料，路基回彈模量E0 =0.6×0.77×22.1×900.55= 121.30 M Pa，滿足重載交通下的路基強度要求。因此，路基填料選擇12%石灰土既減小毛細水對路基的作用及影響，又滿足道路路基強度，符合道路使用要求。
3結語
1)道路設計時充分考慮毛細水影響范圍、路基工作深度等，確定合理的設計標高。
2)石灰土路基對提高路基強度效果明顯。
3)低設計標高、高地下水位條件下，采用石灰土作為路基填料，滿足路基強度使用要求。
對于路基回彈模量的計算中，涉及干濕循環(huán)或凍融循環(huán)條件下路基土模量折減系數，該系數對路基回彈模量影響較大，下一步應通過試驗進行回歸分析，得出不同土體條件下該系數的取值。
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