防水土工布

水分迁移引起红粘土路基软化及病害预防研究

宋远明;吴伟国;邓爽

【摘要】通过室内试验认为,含水量的变化将会引起红粘土路基强度的显著变化,因

此水分迁移是造成红粘土路基病害的主要原因之一.为避免出现路基内部含水量的

增加,在路基填筑层上表面覆盖薄膜等防水材料,在填挖交界处铺设无砂混凝土层,确

保填挖交界地下水的排出等防排水措施极为必要.并结合水分扩散和冷凝迁移是引

起路基运营后软化的主要原因,提出了可防水分扩散和冷凝迁移的新方法“一种可

防路基软化的路基结构”,为工程实践提供参考.%Throughindoortest,the

changeofwatercontentwillcausesignificantchangesintheredclay

subgradestrength,sothemoisturemigrationiscausedbytheredclay

rtoavoidtheinterior

moisturecontentincreasing,inthesubgradefillinglayercoveringthe

uppersurfacefilmwaterproofmaterial,thecutandfillatthejunctionof

pavingconcretewithoutsandlayer,ensurethefillandexcavationatthe

junctionofgroundwaterdischargeandotherdrainagemeasuresarevery

edwiththemoisturediffusionandcondensationof

migrationiscausedbySubgradeafteroperationtosoftenthemainreason,

putforwardtopreventmoisturediffusionandcondensationmigration

newmethod"capableofpreventingthesubgradesoftroadbedstructure",

providereferenceforengineeringpractice.

【期刊名称】《公路工程》

【年(卷),期】2013(038)001

【总页数】4页(P40-43)

【关键词】红粘土;路基病害;水分迁移;预防措施

【作者】宋远明;吴伟国;邓爽

【作者单位】湖南华罡规划设计研究院有限公司,湖南长沙410004;湖南省郴宁高

速公路建设开发有限公司,湖南郴州423000;中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖

北武汉430070

【正文语种】中文

【中图分类】U416.1+6

1红粘土基本性质试验

红粘土是碳酸盐类岩石经红土化作用形成的棕红、褐黄色的高塑性粘土，是郴宁高

速公路存在的一种主要不良土质［1－4］。本文对k203+780～910的高液限红

粘土进行了物理力学的室内试验测试。

1.1典型红粘土物理参数(见图1)

对郴宁高速公路5种土样进行了液塑限和最优含水率等测定，其液限WL=64.5%;

塑限Wp=38.2%;塑性指数Ip=26.3;最优含水率Wop=26.4%。

1.2含水量变化对红粘土强度影响试验结果

由于郴宁高液限红粘土易于开裂，使雨水通过裂缝进入路基内部，从而引起路基土

的物理力学性质的不利变化，造成了路基承载力下降和变形量增加。论文采用含水

率分别为21.4%、24.6%、26.4%、28.4%、30.4%的土样，进行3种不同压实度

的直剪试验，其结果如表1所示。

图1颗粒分析累计曲线图Figure1Curvediagram

表1含水率变化引起红粘土抗剪强度变化实验结果Table1Expreimentalresults

含水率/%项目压实度/%90929421.4粘聚力C105.5124.5147内摩擦角Ф

16.513.711.524.6粘聚力C143.5151154内摩擦角Ф11.713.114.226.4粘

聚力C9996.5102内摩擦角Ф15.518.719.328.4粘聚力C728995内摩擦

角Ф15.516.316.230.4粘聚力C787570内摩擦角Ф79.111.5

由此可见，当路基土由于雨水入渗使路基含水率增加到一定值的时候，土体强度会

急剧下降，造成路基承载力不足、沉降变形增加或边坡失稳破坏等现象，因此控制

压实土的含水率至关重要。

1.3红粘土路基土的土水特征曲线

土水特征曲线是土体基质吸力随含水率变化的曲线，反映了红粘土路基土的空隙水

能态高低，能够揭示土中水汽运动的规律和土的体积和强度变化的状态。因此，研

究土体吸力与含水量关系曲线，对于研究非饱和红粘土路基土的变形和强度问题具

有重要意义。本实验采用的试验仪器为压力板仪。

试验陶土板气压采用0.4MPa和2MPa，先在0.4MPa气压下进行陶土板仪测定，

当超过0.4MPa时改用1.5MPa陶土板。试验过程中分别采用5、10、25、50、

100、200、400、800、1000kPa进行加压，当48h内无水流出时认为达到吸

力平衡标准。利用试验得到的含水率与土样干密度相乘，换算得到体积含水率如表

2所示。

表2体积含水率与压力关系表Table2Relationtable压力/kPa1号2号平均含

水率/%553.4553.4353.441051.2950.3950.842547.8546.0546.9550

45.9344.4445.1910044.8243.3844.1020044.0541.6343.3440041.81

41.3641.0880041.4240.2040.81100040.3438.6939.51

利用origin8.0软件对郴宁高速公路的高液限红粘土试验结果进行曲线拟合得到的

土水特征曲线如图2所示。由图2可见:含水量的变化会引起红粘土非饱和路基土

基质吸力和强度的显著变化，红粘土具有产生水分迁移的巨大能态，具备产生水汽

迁移的良好内在条件。

图2土水特征曲线拟合图Figure2Fittingdiagram

2预防雨水入渗的技术措施

2.1有关地表水的防渗措施

预防路基路面地表水的入渗，可以采用边沟、截水沟、排水沟、跌水与急流槽、拦

水带等排水设施，以便尽快将地表水排到路基外围，减少雨水在地表的滞留时间。

2.2地下水的防渗措施

公路建设必将改变原先的地下水环境，地下水的渗流则对路基破坏造成一定影响，

因此，合理引排地下水是维护路基稳定的关键。常用的排水措施一般有排水盲(渗)

沟、排水管、疏干孔等，可根据现场具体的处治情况合理利用。在台背、涵管。涵

洞处，除了应加强施工压实控制外，还建议在填挖交界部位铺设无砂混凝土层作为

防排水层，确保填挖交界地下水的排出。

2.3路面结构防排水

由于沥青混凝土路面的沥青混合物有空隙，当路面存在雨水滞留时，水会沿空隙向

基层渗透，并进入路面结构层，最终向路基土内部扩展，造成部分路基沉陷坍塌及

起路面开裂破坏等。建议采取的措施为:

①路面防渗透措施。通过提高路面的防渗能力，避免雨水通过路面进入路基土;设

置路面上封层或下封层的同时，在路肩处设置排水基层等达到防排水目的。

②分隔带边缘排水措施，如利用纵向集水沟使水流入集水井，而设置横向排水管将

水排出路基，形成封闭式分隔带排水。如果在分隔带上部没有做防排水设施，则上

部回填土不能阻断水的入渗，水向路基内部的局步渗透会使路基土的稳定性降低。

为避免这种情况发生，可以在隔离带内部埋设纵向渗沟或横向排水管，以便将入渗

的水排出路基，形成非封闭式排水。

③路肩防排水措施。路面自中心向路肩采取2%横向坡率，在降雨路面排水时候，

水将向两边汇流，这时候路肩处应设置高于路面层的挡水沟，间隔一定距离设一出

水口，或者是采用纵向集水沟，然后将水汇入集水井里，通过排水管道排出路面。

3一种可防路基软化的路基结构

在南方雨水较多的地区，填方路基泥化沉陷损坏路面部位钻芯取取样检测结果表明，

芯样烘干后的路床土体密实度只有80%～85%。这说明高速公路投入运营后，路

基土的含水量会发生显著变化，并由此产生路基的破坏。

据研究路基含水量变化除了路面地表水的渗入以外，主要有以下几个方面的原因:

①边坡水分扩散:在降雨频繁的南方地区，填方路基边坡含水量很高，高含水量的

边坡水分通过扩散缓慢进入硬路肩、行车道和超车道，两侧边坡水分方能扩散接上

头，使全宽路基泥化。

②毛细水上升水分:粉质土中的毛细水上升现象，当压实度在93%～98%时，毛细

水上升高度可达15m左右，可将地下水位线10m以下的地下水源源不断地抬升

到路床表面。

③土体水分的冷凝迁移:试验证明，当路床表面温度低于路基底部温度时，土体中

的水分能够从温度较高部分向温度较低的一侧迁移。由于白天的热量源自太阳辐射，

在一天24h当中，路表温度高于路基温度的时间不足6h。其他时间的路床土体

下部温度将高于上部，具备产生水分冷凝迁移的条件。从老路基钻取的路床持力层

含水量来看，路床表面的水分往往高于下部，特别是沥青混凝土路面更加明显。

新建路基持力层的承载能力一般为路面结构破坏临界值的1～3倍。而在道路10a

以上的通车运营时间当中，其承载能力与模量随着水分的迁移富集会越来越小，最

终小于路面结构破坏临界值。

由于路基随水分的迁移进入而湿化、泥化，进而软化。不幸的是，路面结构是一个

相对的“死”结构层次，它不适应路基的软化，在轮载作用下，必然以路面结构破

损的形式表现出来。因此，必须设计并施工出质量优良的路床顶面的粒料垫层或底

基层进行路面结构层底部渗透排水，同时也说明了路基持力层应采取措施阻断水分

来源，保持其始终处于干燥状态即高承载力状态的必要性和路基持力层防水设计的

重要性。

为了克服上述传统路基随水分的迁移进入而湿化、泥化，进而软化，导致路面结构

破损的缺点，提供一种结构简单、使用方便、能够大幅延长路面使用年限的技术方

法。本课题组提出了一种可防水分迁移引起路基软化的路基结构(见图3)，其特征

在于:防水土工膜设置在路基顶面以下1.5m深度处，避免由于温度梯度的冷凝和

毛细作用引起的下路堤或地基土中的水分向路基持力层路床迁移，保证路基顶面以

下1.5m深度范围的路基土始终处于低含水量的状态。摊铺的这一层防水土工布

在边坡两侧进行反包，阻止雨水通过两侧边坡的水分扩散作用进入路基持力层。路

床部分最顶层0～－20cm采用碎石、砂等透水性材料，其下摊铺一层防水土工布

或在其下的－20～－40cm采用水泥土或石灰土防止雨水的进一步下渗，保持路

床的干燥稳定。采用上述方法施工后路基持力层底部和边坡两侧形成一层隔水层阻

止外界水分的进入，路床顶面为透水性材料填筑而成的排水层，通过具有向外倾斜

的坡度及时把通过路面渗入的水排出路基以外，能保持路基施工完成后的长期干燥

稳定。

图3可防路基软化的路基结构Figure3Roadbedstrueture

4结论与讨论

①红粘土路基的力学性质随含水量的变化而显著变化，雨水入渗和水分迁移将会引

起红粘土路基承载力的显著下降。

②路基中的水分迁移变化主要由边坡水分扩散、毛细水上升和土体内部的水分冷凝

迁移等原因引起，因此路基持力层应采取措施阻断水分迁移路径，保持路基始终处

于干燥状态。

③为预防地表水和地下水的渗入，应采取路基防渗措施，做好各种防排水结构物的

设计施工以及定期养护处理工作。

④对高液限红粘土路基材料除采用石灰处治、换填等措施外，还可采用封闭法，土

工布、土工薄膜封闭，封闭形式有:路基底部封闭，以防止毛细水上升影响路基稳

定;路基全封闭，以保持路基填土的含水量不变;路基顶面封闭，以防降水渗入路基。

其他封闭方法:浆砌石封闭边坡，路面以下1m用非红粘土土严格压实等。

⑤为了克服水分扩散和冷凝迁移等原因引起的路基湿化、泥化，进而软化，导致路

面结构破损，提出了一种可防水分迁移引起路基软化的路基结构，其特征在于:防

水土工膜设置在路基顶面以下1.5m深度处并在边坡两侧进行反包，路床顶层采

用碎石、砂等透水性材料，其下摊铺一层防水土工布或水泥土防止雨水进一步下渗，

保持路床的干燥稳定。由此形成隔水层阻止和排水层，保持路基施工完成后的长期

干燥稳定。

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