公路路基內壓強的日變化規律研究

馬樹平 欒紀昊 高宏剛 張斌 劉琪

（1甘肅恒石公路檢測科技有限公司；2甘肅恒路交通勘察設計院有限公司；3甘肅省公路路網監測重點實驗室；4甘肅省高等級公路養護工程研究中心，甘肅 蘭州730070）

0 引言

路基內部壓強是導致路基伸縮、變形的直接原因，其受多種因素影響。路基建設壓實時以最大理論密度為目標，極大壓縮了路基空間，為路基內部壓強的貢獻最大，這部分壓強為有益壓強，使得路基達到了理想服役狀態。然而外力的加入往往會破壞這一狀態，如膨脹土的膨脹力、硫酸鹽漬土的鹽脹力、水的凍脹力、熱脹冷縮等都會引起路基內部壓強的變化，嚴重時會打破路基內部壓強平衡，從而尋找薄弱點進行應力釋放，導致路基變形、凍脹、鹽脹、裂縫等病害。國內外對鹽脹[1]、凍脹[2-3]及長時間軸溫度引起的壓力變化研究較多[4-5]，往往忽略了每日氣溫變化下路基內壓強的變化規律。本文通過高精度溫度及壓力傳感器監測了每日路基溫度及壓力的變化規律。

1 試驗設備及現場監測

1.1 設備指標

選用埋入式FS-TY10振弦式土壓力計，量程0-1MPa，分辨力為0.1%，用以監測路基內部壓強。

1.2 現場監測

監測路段高速公路分離式路基，填土約3m，寬度12.25m。橫向上監測線設置在距離邊坡5.1m的行車道中間；縱向上為確保監測的準確性，相隔20m，設置兩條監測線，兩條監測線安裝深度、工藝及碾壓保持一致。為了保障壓力計在碾壓過程中不被毀壞及影響精度，采用在壓實的路基上挖＞20cm的坑槽，然后上層碾壓的方式，埋設壓實前土壓力計數值調整為0。各監測點安裝深度及下挖深度如表1。

表1 監測點安裝參數

圖1 壓力傳感器安裝位置示意圖

2 監測結果與分析

通過長期監測數據反饋，發現路基內部壓強在每日內均呈現規律性波動變化，且8個點變化趨勢基本保持一致，壓力波峰出現在9:00 左右，壓力波谷出現在19:00 左右，且相同深度壓力值及變化趨勢波形相近。路基內壓強呈現D2＞A1＞D1＞A2＞B1＞B2＞C1＞C2，總體趨勢上為D＞A＞B＞C，波動幅度總體呈現為A＞B＞D＞C，其中，A2波動差0.099MPa，B1波動差0.093MPa，D2波動差0.04MPa，C1波動差0.019MPa。

圖2 壓力趨勢圖

路基內壓強呈波浪形規律變化，這是由每日規律性變化因素引起的，這一因素基本可以鎖定為溫度。該地區每日氣溫的峰值出現在18:00左右，路基內壓力波峰出現在9:00左右，是因為熱量在路基內的傳播具有滯后性，隨著深度的增加，滯后時間增長，且能量逐漸減弱[6]。如果路基壓力的波動是監測點位處溫度波動造成的，那么其波峰出現時間會各不相同，這與監測實際相悖，說明隨著路基深度增加到一定值，溫度波動將減弱到無法影響路基內部壓力。因此，路基內壓強的波動是由大氣溫度引起路基表層一定厚度土質膨脹收縮，脹縮力向路基內部傳遞，導致路基內壓強被動式變化。

由于力由外向內傳導，上部的監測點受外力的影響更大，表現為A、B監測點的波動最大；當然，引起路基壓強變化的直接因素并不是外力，而是內部空間的壓縮，因此監測點所在層位的可壓縮性也是波動大小的關鍵因素，通過馮世進（2012）室內強夯模型試驗[6]及商玉潔（2017）對黃土的擊實試驗[7]，發現擊實次數越多，傳遞到底部壓力傳感器的能力越多，C點在布設時下挖深度最淺，埋設區域土質壓實度較好，可壓縮性較差，對應力的吸收較少，更多應力會向下傳遞，因此表現為C點波動最小。

3 結語

本文通過在路基不同深度埋設高分辨率土壓力感器，監測了路基土壓強的日變化規律，得出結論如下：

1）路基內壓強的波動，是由大氣溫度引起路基表層一定厚度土質膨脹收縮，脹縮力向路基內部傳遞導致的被動式變化。

2）波動的大小受力源距離影響，波動幅度排序整體呈現由上向下遞減趨勢；波動大小同時受監測點原始壓實度影響，壓實度越好，對力的吸收性越差，極少用于自身壓縮，大多數傳導至下層，波動也就越小。

3）C點壓強最小的原因，可能是因為埋設時下挖較淺，在較大壓實能的沖擊下，土壓力盒與土的粘結力差，造成土與壓力盒分離出小空隙，使得壓力值減小。此觀點仍需要進一步驗證。