黃土路基濕度變化規(guī)律跟蹤觀測研究

張 鋒

（山西長治市交通運(yùn)輸局，山西 長治 046011）

0 引言

截止2016年底，我國高速公路通車?yán)锍桃呀?jīng)超過13萬km，計(jì)劃今年還將增加5 000 km以上。高速公路規(guī)模的不斷擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)帶動能力逐漸明顯，但仍沒有達(dá)到預(yù)期的效果。高速公路使用壽命低于設(shè)計(jì)年限已成為限制通行能力的主要原因。由于延續(xù)“重路面，輕路基”的設(shè)計(jì)理念，高速公路病害中路基病害影響最大，維修困難，難以實(shí)現(xiàn)耐久性基礎(chǔ)的效果[1]。正常情況下，路基填筑完成后其含水率會停滯在一個受環(huán)境、地質(zhì)水文相等條件綜合影響的平衡值[2-3]；而山西省地處黃土高原，由于土質(zhì)特性，路基內(nèi)部的濕度會隨著運(yùn)營時間的變化發(fā)生變化，且極易受降雨等影響發(fā)生較大的變化，直接對路基強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響[4-5]。目前，國內(nèi)外關(guān)于路基濕度變化及分布規(guī)律的研究較少，主要成果集中于路基濕度影響因素的研究，以及水土平衡特征曲線等。Marks[6]研究認(rèn)為環(huán)境降雨可在4～5周時間內(nèi)從路基頂面滲入到工作區(qū)范圍；Cumberledge[7]等認(rèn)為不同程度的降雨對路基的濕度影響沒有明顯的規(guī)律，但集中降雨將加快促進(jìn)路基濕度增加速度；周文[8]等研究表明環(huán)境溫度和空氣含水率對路基濕度有明顯的相關(guān)性；而錐妞麗[9]分析認(rèn)為路基濕度對運(yùn)營穩(wěn)定性有直接影響，是路基病害的主要原因之一，總體而言缺乏針對于黃土路基濕度變化的研究。

本文以山西省黃土路基為研究對象，通過在路基內(nèi)不同深度布設(shè)溫濕度傳感器，定期監(jiān)測路基內(nèi)的濕度變化，并分析濕度對路基強(qiáng)度的關(guān)系，評價濕度變化對路基穩(wěn)定性的影響，為黃土路基的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

本文依托工程位于山西省某一高速公路，地處晉西北黃土高原，晝夜溫差大，年平均氣溫4.6℃，年平均降水量為481.3 mm。依托工程采用雙向四車道設(shè)計(jì)方案，路基寬度26 m，邊坡坡率1∶1.5，于2015年底運(yùn)營。通車以來，交通量較小，沒有擁堵情況。本文的溫濕度采集儀布設(shè)于某一填方路段，填方高度12 m，其中路基頂層30 cm采用砂礫填筑。施工采用了普通分層填筑的工藝，沒有較大的病害出現(xiàn)。

2 監(jiān)測方案

為檢測不同深度路基的濕度變化，在黃土路基的縱向深 度 15 cm（A）、30 cm（B）、80 cm（C）、150 cm（D）、210 cm（E）分別布設(shè)濕度傳感器，平面位置位于行車道外側(cè)輪跡帶處。濕度傳感器布置示意圖如圖1所示。

圖1 濕度傳感器布置示意圖

圖2 濕度傳感器安置示意圖

傳感器采用武漢海為無線科技有限公司的埋入式土壤溫濕度測試儀，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 溫濕度儀基本參數(shù)

同一位置間隔2 m，平行布設(shè)相同的傳感器，以其平均值作為評價值。

3 路基濕度變化規(guī)律分析

從路基填筑完成之日（9月）起，以30 d為間隔對5個深度位置的濕度進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 濕度監(jiān)測記錄 %

3.1 環(huán)境溫度對路基濕度變化規(guī)律分析

為分析路基濕度受環(huán)境溫度的影響規(guī)律，將測試的路基濕度繪制曲線圖，如圖3所示。

圖3 環(huán)境溫度對路基濕度變化規(guī)律

晉西北地區(qū)，一月份溫度最低，七八月份溫度最高。從圖3可以看出，隨著施工完成時間的延續(xù)，路基內(nèi)濕度一直處于變化的狀態(tài)。在120 d階段，0～90 cm范圍內(nèi)的路基濕度逐漸增加，而120～210 cm范圍內(nèi)的路基濕度逐漸降低。在120～210 d階段，0～80 cm范圍內(nèi)的路基濕度逐漸降低，而120～210 cm范圍內(nèi)的路基濕度逐漸增加。分析其原因：悉知，路基內(nèi)的溫度與環(huán)境溫度變化規(guī)律基本一致，且略顯滯后。結(jié)合常年的氣溫統(tǒng)計(jì)情況，從9月開始，晉西北地區(qū)氣溫開始下降，路基上部的溫度變化率相對較大，偏低于路基內(nèi)部溫度，路基從頂面到內(nèi)部形成溫度梯度，路基內(nèi)部的濕度順沿溫度梯度發(fā)生移動，從而導(dǎo)致路基上部濕度增加，而下部路基濕度逐漸降低。相反，從二月開始，氣溫開始上升，路基上部的溫度變化率相對較大，上部路基的溫度逐漸高于下部溫度，同樣形成一個反向的溫度梯度，路基內(nèi)部的濕度順沿溫度梯度向下發(fā)生移動，從而導(dǎo)致路基上部濕度下降，而下部路基濕度逐漸增加。由于路基為梯形斷面，路基下部的保護(hù)層面積相對較大，故路基上部的溫濕度變化更為明顯。

在環(huán)境溫度較低的階段，由于路基上部濕度的增加，極易由于保護(hù)層厚度小于冰凍深度而結(jié)冰，在溫度回暖時而融化，造成路基的承載力不足，故在設(shè)計(jì)過程中必須考慮路基上部由于濕度變化而帶來的影響。

3.2 降雨對路基濕度變化規(guī)律分析

路基填筑完成后，濕度在多種影響因素規(guī)律性的變化中逐漸趨于穩(wěn)定。而環(huán)境降雨會使得路基濕度發(fā)生較為明顯的變化，為研究降雨對路基濕度變化的影響，針對9～10月這一多雨季節(jié)，進(jìn)行單獨(dú)分析，基本規(guī)律如圖4所示。

圖4 降雨對路基濕度變化規(guī)律

從圖4可以看出，在多雨季節(jié)，路基的濕度變化率明顯增大，且與初始的含水率有直接的關(guān)系，初始含水率越大，在降雨季節(jié)的濕度變化率增加更多，并沒有因?yàn)樯疃鹊脑黾佣鴾p小。分析其原因：路基范圍內(nèi)的雨水，大部分通過排水溝流走，其余部分滲入路基邊坡及周邊土壤，極可能逐漸遷移到路基內(nèi)部。此外，路基周圍的降雨可能導(dǎo)致地下水位上升，也是導(dǎo)致路基工作區(qū)內(nèi)濕度增加的原因。因此，考慮環(huán)境降雨對路基濕度的影響，應(yīng)在施工期內(nèi)控制路基的含水率，可考慮采用特殊的措施降低路基填土材料的最佳含水率，來保證路基濕度變化不對路用性能產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié)論

本文通過在路基內(nèi)布設(shè)溫度傳感器對路基內(nèi)濕度變化進(jìn)行了跟蹤觀測，分析了環(huán)境溫度和降雨兩個因素對路基濕度變化的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

a）在環(huán)境溫度下降的過程中，路基上部的濕度增加，下部濕度降低；而在環(huán)境溫度升高過程中，路基上部的濕度降低，下部濕度增加，最終趨于穩(wěn)定。

b）降雨明顯提升路基的濕度，且增大路基濕度的變化率，必須采取足夠的措施降低路基濕度增加幅度及速率，確保路基的路用性能。