毛细水对道路设计的影响分析

 马春亭

 (上海市城市建设设计研究总院天津分院，天津300073)

摘要：道路设计中，地下水由于毛细作用，会上升到路基及路面结构各层，继而影响道路的整体强度和质量。通过研究毛细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设计标高，并对路基强度进行验算，为道路设计提供支撑。最后，结合天津津北路拓宽改造工程对路面设计标高、路基强度等进行验算，得出毛细水对道路设计的影响。

关键词：道路设计；毛细水；验算；影响

中图分类号：U416文章编号：1004-4655( 2016) 02-0001-03

1毛细水分析

1.1毛细水作用机理

 毛细现象的产生是由于水与空气分界面或收缩膜上存在表面张力；另一方面，毛细管管壁的分子与水分子之间有引力作用，使管壁接触的水面呈向上弯曲状，呈浸润现象，当毛细管直径较细时，浸润现象使毛细管内水面弯曲相连，形成内凹的弯液面状。表面张力与浸润现象紧密联系在一起，水沿毛细管上升。

 毛细水广泛分布在土粒内部相互贯通的孔隙中，对土体中气体的分布与流通有一定的影响，导致土体内产生封闭气体。而封闭气体增加土体的弹性和减少土体的渗透性，由此在地下水位埋深较浅时，导致路基出现冻胀、弹软等病害，降低道路使用寿命和质量。

1.2毛细水对道路设计标高的影响

 地下水对路基影响是导致路基破坏的主要原因，合理的道路设计标高可以避免道路路基产生冻胀，保证路基的水稳定性。

 通过研究不同土质中毛细水的上升高度H c,结合地下水位标高hw，以及区域冻土深度H d确定道路最小设计标高hn1，从而确保路基不会因毛细水作用而出现冻胀破坏。毛细水上升高度与道路设计标高关系图见图1。

 由图1可知，满足毛细水不会对路面结构产生冻胀破坏，道路设计标高应满足式(1)要求。

 道路规划设计时，需要考虑地下水位标高、毛细水上升高度等因素，确定合理的设计标高。反之，如受场地标高限制，道路设计标高不能满足式(1)时，可通过更换路基填料，降低毛细水上升高度，调整道路设计标高。

1.3毛细水对路基填料的影响

 道路设计标高越高对路基越有利，但高路基需较大填方量，增加工程投资；低路基中地下水因毛细作用上升，造成路基土体吸水软化，力学特性改变。在满足投资要求的前提下，确定合理的设计标高，既满足路基工作状态，又降低工程投资。

1.3.1毛细水上升高度

海森( A.Hazen)经验公式见式(2)。

不同路基填料下，毛细水上升高度值见表1。

 通过以上分析，不同路基填料，毛细水上升高度不相同。以素土作为路基填料，毛细水上升高度最大；以石灰粉煤灰土作为路基填料，毛细水上升高度相对较小；以石灰土作为路基填料，随着含灰量增加，石灰土的密实逐渐增强，毛细水上升高度呈下降趋势。毛细水上升高度与含灰量关系见图2。

 石灰粉煤灰土由于其均匀度等均与12%石灰土接近，毛细水上升高度与12%石灰土相差不多，作为路基填料，需要大量粉煤灰。

1.3.2毛细水对路基状态影响

 根据路基工作区与毛细水影响范围的关系，确定路基的干湿类型关系如下（见图3）。

 1)潮湿路基：路基工作区处于毛细水影响范围之内。

 2)中湿路基：路基工作区处于毛细水影响范围的边缘。

  3)干燥路基：路基工作区处于毛细水影响范围之上。

 因此，为保证路基处于一个合理的工作状态，设计过程中需要根据地下水位标高、毛细水上升高度、路基工作区深度等合理确定设计标高。当道路设计标高受场地限制、处于不利工作状态时，需要调整路基填料降低毛细水上升高度，从而改变路基的工作状态。

1.4毛细水对路堤强度的影响

 确定路基填料后，对路基填料进行验算，保证路基整体强度值。路基回弹模量作为道路的一个重要指标，其取值表明路基强度的大小，公式见式(3)。

 通过以上分析，毛细水作用机理：地下水在毛细作用下，上升到路基及路面结构各层，从而导致路基长期处于饱水状态，影响路基的整体强度和稳定性；如上升到路面结构中，则出现冻胀现象，导致路面结构的破坏。

2数据验算及验证

2.1项目概况

 天津津北路拓宽改造工程位于天津市东丽区，工程所属区域地下水位埋深较浅（约1.5 m），道路规划标高较低(2.7~2.9 m)。

 道路设计过程中，结合工程地质勘查报告，对毛细水上升高度进行计算，对道路规划标高的合理性进行复核，提出路基填料方案，确定路基强度。

2.2工程地质

 本工程路基土层主要有人工填土层(Qm1)，层厚约为1.10~2.50 m；第1陆相层(Q43a1)，层厚约为1.70~3.30 m；再下层为第1海相层(Q42m)，层厚约为10.00~10.70 m。地下水标高介于1.0~1.6 m，标准冻土深度0.60 m。

2.3工程方案

2.3.1道路设计标高

 根据津北路地质勘查报告，勘察期间静止水位埋深约为1.00~2.50 m，标高介于0.42~2.35 m之间，平均标高1.5 m。

 根据式(1)，津北路设计标高hs1≥H d+ He+hw=0.6+He+1.5=2.1m+Hc（H d天津地区为0.6 m；

H c表1确定；hw根据地勘报告本工程取1.5 m）。

 根据表1试验数据，得出不同含灰量条件下石灰土路基的道路最小设计标高，具体如表2所示。

 根据规划部门提供资料，津北路规划标高为2.7~2.9 m，根据表2可知，12%石灰土满足毛细水上升最小高度及规划要求。毛细水影响范围示意图见图4。

  根据交通量统计结果，津北路路面结构厚度需为72cm，毛细水已上升至路面结构底基层内。因此，该规划标高不合理，为保证路面结构不受毛细水作用，需提高路面设计标高至3.0 m左右。后经沟通，道路规划标高最小值为3.0 m。

2.3.2由道路设计标高确定路基填料

  本工程最终选择12%石灰土作为路基填料。在施工图阶段，针对当地的土质条件，提出12%石灰土的孔隙比、有效粒径等各项试验控制参数，确保路基处于合理的工作状态。根据式(3)，津北路路基处于潮湿状态，在12%石灰土下设置山皮土层作为承托层，保证路基的整体强度。

2.3.3路基强度

 根据式(3)对津北路路基强度进行验算，具体取值：津北路路基处理潮湿状态，Ks按照JTGD30-2015《公路路基设计规范》附录D，该值为0.6；Kη通过试验确定，本项目该值为0.77；MR通过试验确定。

 计算路基回弹模量值E0=0.6×0.77×22.1×9000.55。式中的CBR值与路基填料有关，不同含灰量的石灰土CBR值试验结果见图5。

 工程采用12%石灰土作为路基填料，路基回弹模量E0 =0.6×0.77×22.1×900.55= 121.30 M Pa，满足重载交通下的路基强度要求。因此，路基填料选择12%石灰土既减小毛细水对路基的作用及影响，又满足道路路基强度，符合道路使用要求。

3结语

 1)道路设计时充分考虑毛细水影响范围、路基工作深度等，确定合理的设计标高。

 2)石灰土路基对提高路基强度效果明显。

 3)低设计标高、高地下水位条件下，采用石灰土作为路基填料，满足路基强度使用要求。

 对于路基回弹模量的计算中，涉及干湿循环或冻融循环条件下路基土模量折减系数，该系数对路基回弹模量影响较大，下一步应通过试验进行回归分析，得出不同土体条件下该系数的取值。