黃土路基濕度變化規律跟蹤觀測研究

張 鋒

（山西長治市交通運輸局，山西 長治 046011）

0 引言

截止2016年底，我國高速公路通車里程已經超過13萬km，計劃今年還將增加5 000 km以上。高速公路規模的不斷擴大，經濟帶動能力逐漸明顯，但仍沒有達到預期的效果。高速公路使用壽命低于設計年限已成為限制通行能力的主要原因。由于延續“重路面，輕路基”的設計理念，高速公路病害中路基病害影響最大，維修困難，難以實現耐久性基礎的效果[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境、地質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，由于土質特性，路基內部的濕度會隨著運營時間的變化發生變化，且極易受降雨等影響發生較大的變化，直接對路基強度產生負面影響[4-5]。目前，國內外關于路基濕度變化及分布規律的研究較少，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]研究認為環境降雨可在4～5周時間內從路基頂面滲入到工作區范圍；Cumberledge[7]等認為不同程度的降雨對路基的濕度影響沒有明顯的規律，但集中降雨將加快促進路基濕度增加速度；周文[8]等研究表明環境溫度和空氣含水率對路基濕度有明顯的相關性；而錐妞麗[9]分析認為路基濕度對運營穩定性有直接影響，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，通過在路基內不同深度布設溫濕度傳感器，定期監測路基內的濕度變化，并分析濕度對路基強度的關系，評價濕度變化對路基穩定性的影響，為黃土路基的設計、施工、養護提供理論指導。

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計方案，路基寬度26 m，邊坡坡率1∶1.5，于2015年底運營。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。

2 監測方案

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）分別布設濕度傳感器，平面位置位于行車道外側輪跡帶處。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，其基本參數如表1所示。

表1 溫濕度儀基本參數

同一位置間隔2 m，平行布設相同的傳感器，以其平均值作為評價值。

3 路基濕度變化規律分析

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行測試，結果如表2所示。

表2 濕度監測記錄 %

3.1 環境溫度對路基濕度變化規律分析

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

圖3 環境溫度對路基濕度變化規律

晉西北地區，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，路基內濕度一直處于變化的狀態。在120 d階段，0～90 cm范圍內的路基濕度逐漸增加，而120～210 cm范圍內的路基濕度逐漸降低。在120～210 d階段，0～80 cm范圍內的路基濕度逐漸降低，而120～210 cm范圍內的路基濕度逐漸增加。分析其原因：悉知，路基內的溫度與環境溫度變化規律基本一致，且略顯滯后。結合常年的氣溫統計情況，從9月開始，晉西北地區氣溫開始下降，路基上部的溫度變化率相對較大，偏低于路基內部溫度，路基從頂面到內部形成溫度梯度，路基內部的濕度順沿溫度梯度發生移動，從而導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，路基內部的濕度順沿溫度梯度向下發生移動，從而導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，路基下部的保護層面積相對較大，故路基上部的溫濕度變化更為明顯。

在環境溫度較低的階段，由于路基上部濕度的增加，極易由于保護層厚度小于冰凍深度而結冰，在溫度回暖時而融化，造成路基的承載力不足，故在設計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律分析

路基填筑完成后，濕度在多種影響因素規律性的變化中逐漸趨于穩定。而環境降雨會使得路基濕度發生較為明顯的變化，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，進行單獨分析，基本規律如圖4所示。

圖4 降雨對路基濕度變化規律

從圖4可以看出，在多雨季節，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系，初始含水率越大，在降雨季節的濕度變化率增加更多，并沒有因為深度的增加而減小。分析其原因：路基范圍內的雨水，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部。此外，路基周圍的降雨可能導致地下水位上升，也是導致路基工作區內濕度增加的原因。因此，考慮環境降雨對路基濕度的影響，應在施工期內控制路基的含水率，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生較大的影響。

4 結論

本文通過在路基內布設溫度傳感器對路基內濕度變化進行了跟蹤觀測，分析了環境溫度和降雨兩個因素對路基濕度變化的影響規律，主要結論如下：

a）在環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。