1.内蒙古联手路桥有限责任公司 内蒙古巴彦淖尔 015000；2.巴彦淖尔市交通建设工程质量监督站 内蒙古巴彦淖尔 015000
摘要：路基工程在服役期间完全暴露于自然环境中，受降雨冲刷、侵蚀严重，而车辆荷载进一步促进雨水的入渗，极大改变路基渗流场分布及结构性能，严重影响路基稳定性。基于有限元软件建立能够将路基渗流场与应力场有效耦合的分析模型，分别计算在降雨单独作用及降雨-车辆荷载耦合作用时路基孔压值、饱和度、浸润面位置及位移变化规律，进而分析降雨-车辆荷载耦合作用对路基稳定性的影响。结果表明：（1）因路面结构隔水层作用，路基出现饱和流与非饱和流共存现象、孔压值由路基两侧向中间呈递减趋势；（2）降雨情况下路基两侧孔压较大、饱和度较高，使得其抗剪强度减弱、累积沉降变形量增大，易在路面产生纵向裂缝、不均匀沉降及路基边坡产生滑塌、塌陷等现象；（3）与降雨单独作用对比，降雨-车辆荷载耦合作用对路基结构及渗流场的影响更加显著，进一步促进降雨在路基土体中的入渗、加大降雨入渗对路基土体的影响区域。
关键词：道路工程；路基；耦合作用
Abstract：The subgrade engineering is completely exposed to the natural environment during the service period, which is seriously eroded by rainfall. The vehicle load further promotes the infiltration of rainwater, greatly changes the seepage field distribution and structural performance of subgrade, and seriously affects the stability of subgrade. Based on the finite element software, an analysis model which can effectively couple the seepage field and stress field of subgrade is established. The pore pressure value, saturation, saturation surface position and displacement of subgrade under rainfall alone and rainfall-vehicle load coupling action are calculated respectively, and then the influence of rainfall-vehicle load coupling on subgrade stability is analyzed. The results show that: (1) due to the action of water resisting layer of pavement structure, saturated flow and unsaturated flow coexist in the subgrade, and the pore water pressure decreases gradually from both sides of the subgrade to the middle; (2) under rainfall, the pore water pressure on both sides of the subgrade is large and the saturation is high, which makes the shear strength weaken and the accumulated settlement deformation increase, which is easy to produce longitudinal cracks, uneven settlement and subgrade slope (3) compared with rainfall alone, the coupling effect of rainfall-vehicle load on subgrade structure and seepage field is more significant, which further promotes the infiltration of rainfall in subgrade soil and increases the influence area of rainfall infiltration on subgrade soil.
Key words：road engineering; subgrade stability; finite element analysis; subgrade; coupling effect
路基工程在服役期完全暴露于外界环境中，长期遭受雨水冲刷、侵蚀，同时车辆荷载反复作用下易造成路面开裂，促进雨水入渗且车辆荷载极大影响入渗到路基中雨水的分布情况、改变路基的渗流场，导致路基结构发生改变。大量研究表明：路基在降雨入渗后，其抗剪强度减小，易发生滑坡、塌陷等病害现象，是路基边坡失稳最主要因素。因此通过有效分析降雨-车辆荷载耦合作用对路基稳定性的影响情况，对路基工程的设计、建设及病害防治措施的提出具有重要意义。
一、水分对路基稳定性影响研究现状
在水分对路基稳定性影响方面，Sawangsuriya A.等人通过对实体高速公路进行实验研究，表明水分对路基作用是道路破坏现象产生的主要原因之一。Oh J H等人研究表明含水率对路基承载能力和回弹模量影响显著，并建议在道路工程建设过程中应考虑含水率的影响。李萍等人采用人工降雨方式研究黄土地区雨水入渗后运移情况，结果表明随入土深度增加含水率增幅逐渐减小。詹良通以现场模拟试验研究边坡受土水相互作用的影响，结果表明非饱和膨胀土体在降雨入渗后出现软化现象。在车辆荷载对路基稳定性影响方面，Cekerevac C.等通过现场与室内试验研究不同饱和度对路基力学性能的影响，计算得到路基在循环荷载作用下的累积变形规律。董城等采用动三轴试验研究粉性路基在循环荷载作用下累计塑性变形规律，提出相应预估模型。姜岩等采用动三轴与压汞试验研究结构性软土在车辆荷载作用时的特性，结果表明在车辆荷载作用下软土孔隙分布呈现三种类型。卢正等通过研究车辆荷载对路基作用后其动态应力变化规律，提出能够准确计算路基工作区分布深度的公式。
对路基进行完整的力学与渗流耦合分析较困难，通过准耦合的方式进行分析较易实现且满足工程实际要求。Ng and Shi和Gasmo等通过将Fredlund非饱和土抗剪强度公式的极限平衡法与有限元渗流分析结合，对非饱和边坡进行稳定性分析。Cai和Ugai等通过将Bishop非饱和土抗剪强度公式的强度折减有限元法与有限元渗流分析结合，对非饱和边坡进行稳定性分析。大多数研究者均研究降雨或者车辆荷载单独作用下路基稳定性变化情况，很少有学者针对降雨-车辆荷载耦合作用下路基稳定性变化展开研究。而降雨与车辆荷载共同作用下，路基渗流场分布受到严重影响，导致路基结构、强度发生显著变化，极大降低道路工程运营能力。本文通过数值模拟分析降雨-车辆荷载耦合作用下路基稳定性变化规律，为路基工程建设及病害防治措施提出提供有效依据。
二、降雨-车辆荷载耦合作用下的路基数值模型
1.控制方程
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2.边界条件及初始状态
采用降雨强度表示降雨边界函数，且不考虑地表积水现象。在进行降雨入渗分析时，基于路基实际工作时受降雨影响情况，只在路基边坡设置降雨作用，设定入渗面边界条件时须垂直于入渗面方向进行定义，大小根据当地实际降雨强度、边坡倾角进行计算。限制分析区域底部的竖向、水平位移。设定路基底位置为地下水位线，采用稳态分析计算长期未降雨情况下路基的初始应力分布、孔隙水压、饱和度、孔隙比等，作为降雨-车辆荷载耦合作用下路基数值模型分析初始条件。
3.路基土体基本物理指标
所选取的路基土体为内蒙古东北地区分布较丰富的黑色粉砂粘土，其在当地路基工程中广泛使用。根据《公路土工试验规程》JTG E40-2007相关规定对黑色粉砂粘土基本物理指标进行测定，结果如表1所示。
表1 基本物理指标
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三、计算结果分析
降雨在路基中入渗受路基孔隙分布影响，同时降雨入渗会不断改变路基中土颗粒的排列组合、改变路基土体的结构形式、影响路基土体自重，而路基土体自重是路基土体结构变化的主要因素之一。因此分析降雨入渗及降雨-车辆荷载耦合作用对路基稳定性影响时，需考虑路基土体的自重作用，能够与路基工程实际工作情况相符，进而可准确分析降雨入渗及降雨-车辆荷载耦合作用导致路基边坡发生病害的机理。
1.降雨对路基稳定性影响
模拟分析路基在持续100小时暴雨后的渗流场分布规律，揭示降雨入渗对路基结构的影响机理。图1所示为暴雨后路基土体中孔压分布情况，从图中易发现在路基顶部存在负孔压，主要是由于路面结构的隔水层作用使得路面结构下方几乎没有雨水入渗，降雨由路基边坡两侧向中间及下方入渗，出现饱和流与非饱和流共存的现象。图2为降雨后路基中浸润面分布图，即图中标注位置孔压值为零，因受路面结构隔水层影响，浸润面沿路基深度方向逐渐向中间靠拢，孔压值由路基两侧向中间呈减小趋势，表明流入非饱和区域的降雨量在逐渐减弱。
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图1孔压等值线图 图2浸润面位置图
图3为路基在持续暴雨后饱和度分布图，因路面结构隔水层作用，在路基顶位置出现非饱和状态，含水率分布差异较大，严重影响路基的结构性能。图4为路基的位移变化图，在持续暴雨后，路基两侧的沉降量较大，表明降雨入渗对路基两侧及靠近路肩位置影响比较严重。
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图3饱和度等值线图 图4位移变化图
从以上分析得知，降雨入渗对路基两侧影响比较显著，主要因为路面结构隔水层作用，降雨入渗由路基两侧向中间进行，雨水向中间入渗量逐渐减弱，在降雨由路基两侧入渗并从路基底部流出过程中，靠近两侧的路基土体孔压较大、饱和度较高，有效减弱土颗粒间的粘聚力及摩擦力、促进土颗粒的重新排列及较小粒径土颗粒易流失，造成路肩附近土体抗剪强度减弱、累积沉降变形量增大，导致路面产生纵向裂缝、不均匀沉降及路基边坡滑塌、塌陷等病害现象。
2.降雨-车辆荷载耦合作用对路基稳定性影响
图5-7为降雨-车辆荷载耦合作用下路基稳定性变化的计算结果图，与降雨作用下路基稳定性的计算结果对比分析，降雨-车辆荷载耦合作用对路基结构及渗流场的影响更加显著。在降雨-车辆荷载耦合作用下，路基的孔压等值线变化情况如图5所示，其负孔压区域减小；浸润面位置变化情况如图6所示，其浸润线继续向中间移动；饱和度等值线变化情况如图7所示，其非饱和区域缩减。基于以上分析可知，降雨-车辆荷载耦合作用进一步促进降雨在路基中的入渗、加大降雨入渗对路基土体的影响区域。图8为降雨-车辆荷载耦合作用下路基位移变化情况。对降雨-车辆荷载耦合作用下路基位移变化情况与降雨作用下路基位移变化情况进行数值对比分析，两者均呈现由路基两侧向中间逐渐减弱趋势，而降雨-车辆荷载耦合作用下的路基边坡位置沉降变形量比降雨作用下的对应位置约增大40%，进一步加大路肩部分与行车道之间的沉降差，易导致路面结构出现纵向裂缝、不均匀沉降病害。
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图5 孔压等值线图 图6 浸润面位置图
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图7 饱和度等值线图 图8 位移变化图
四、结论
（1）因路面结构隔水层作用，路基出现饱和流与非饱和流共存现象、孔压值由路基两侧向中间呈现递减趋势；（2）降雨情况下路基两侧孔压较大、饱和度较高，使得其抗剪强度减弱、累积沉降变形量增大，易在路面产生纵向裂缝、不均匀沉降及路基边坡产生滑塌、塌陷等现象；（3）与降雨单独作用对比，降雨-车辆荷载耦合作用对路基结构及渗流场的影响更加显著，进一步促进降雨在路基土体中的入渗、加大降雨入渗对路基土体的影响区域。
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【作者简介】李永刚（1970.09-），男，汉族，内蒙古巴彦淖尔市人，内蒙古联手路桥有限责任公司工程师，主要研究方向：道路工程灾害形成机理及防治。