高速公路路基濕度場空間分布快速測試及評價方法研究

袁剛烈，車愛蘭

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

當車輛荷載作用于路基時，路基內(nèi)部形成的應力場改變了土體孔隙水壓力，導致土體中的水分遷移[1]。在大量循環(huán)荷載作用下，路基土體孔隙水壓力增大并累積，最終擠壓并泵送水沿著孔隙通道內(nèi)壁流動，水分的遷移改變了土體含水率[2-3]。而路基表層的含水率對環(huán)境氣候因素較為敏感[4]，由于降水和水分蒸發(fā)的作用，壓實路基土出現(xiàn)干濕循環(huán)變化，路基的濕度場分布發(fā)生改變，從而影響了土體的結(jié)構(gòu)性及力學特性[5]。在冬季，當路基溫度降到0℃以下時，表層土體水分形成冰晶，未凍結(jié)區(qū)的水分向凍結(jié)緣流動加劇了凍結(jié)狀態(tài)；春季解凍時，最上層的冰晶融化，從而改變了路基的濕度場分布[6]。

高速公路在車輛荷載及凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等綜合作用下，路基土體的濕度場發(fā)生改變，土體抗剪強度降低，路基整體性能發(fā)生衰變，最終形成脫空、不均勻沉降等病害，影響道路的正常使用并且?guī)戆踩[患[7-10]。同時，路基濕度場的改變也改變了路基內(nèi)部土體的導電性及彈性波在路基內(nèi)部的傳播特性。

目前，路基濕度場空間分布的檢測方法主要有干燥法、溫濕度傳感器法和電磁法[11-13]。針對路基濕度場的無損檢測，白哲[14]結(jié)合室內(nèi)試驗及數(shù)值分析研究了路基土體的介電常數(shù)與含水率的相關性，并進行了一系列驗證試驗；劉杰[15]采用探地雷達對路基進行測試，并用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對路基含水率的變化進行了預測分析。上述對路基濕度場的檢測主要是單點檢測，且難以進行定量分析，不適用于高速公路路基的快速檢測。

振動測試及電測量以其效率高的特點，被廣泛應用于許多領域。WANG Jiabi[16]采用多通道瞬態(tài)面波法、高密度地震映像法、垂直反射法和彈性波透射層析法對水庫壩基塑性混凝土防滲墻質(zhì)量進行綜合檢測；屈暢姿等[17]對比分析了正式運營前后動響應幅值沿線路縱向的分布規(guī)律和沿路基深度的衰減規(guī)律，分析振動的峰值頻率、振動能量的頻帶分布及沿深度衰減規(guī)律，得到路基綜合剛度對過渡段振動特性的影響規(guī)律；陳康等[18]以某陶瓷廠空洞探測為例，采用高密度電法進行勘探，結(jié)合三維可視化技術對空洞區(qū)域進行測試及分析評價研究；K. NISHIDA等[19]結(jié)合數(shù)值分析和電法勘探新技術，提出了一種基于電法的非飽和滲流測量方法，該方法能夠快速測量地下水流的分布。

筆者開展了現(xiàn)場等比例路基模型試驗，對路基土含水率與電參數(shù)、振動衰減參數(shù)的相關性進行研究，提出了一種結(jié)合振動測試及電測量的高速公路路基濕度場空間分布快速測試及評價方法；結(jié)合溫濕度傳感器測試及高密度面波測試，驗證了所提出的快速測試及評價方法的可行性。

1 高速公路路基濕度場快速測試系統(tǒng)及評價方法

1.1 快速測試系統(tǒng)

彈性波在路基土體內(nèi)部的傳播特性及土體的導電性均與土體的含水率有著較強的相關性。一方面，隨著含水率的增大，路基整體剛度呈現(xiàn)減小趨勢，剛度的減小減緩了路基內(nèi)動應力的衰減，但卻加速了振動加速度的衰減[20]；另一方面，含水率的增大使得路基土體導電離子濃度增高，增強了土體導電性。

圖1為筆者設計的高速公路路基濕度場空間分布的快速測試系統(tǒng)(包括振動測試系統(tǒng)及電測量系統(tǒng))，通過振動測試快速確定路基濕度較高的路段，再結(jié)合電測量對該區(qū)段進行濕度場空間分布對精細化評估，評價指標包括路基土體的電阻率、剪切波速度、彈性波振動衰減率等指標。

圖1 路基濕度場空間分布及快速測試系統(tǒng)

1.1.1 振動測試系統(tǒng)

振動測試系統(tǒng)包含振動傳感器、震源及數(shù)采裝置(數(shù)字地震儀及計算機)。車輛在行駛過程中，車輪通過震源激勵在路基表面產(chǎn)生彈性波，由振動傳感器來測試彈性波振幅A并進行信號衰減規(guī)律分析。

路基表面震源激發(fā)振動波時，振動波以應力波形式進行傳播；隨著水平距離和深度的增加，波強逐漸減小，波陣面曲率半徑逐漸增加，最終趨近于平面，直至強度衰減至0。振動衰減率a與土體的性質(zhì)和震源等多種因素有關，可用于評價路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化[21-22]。

1.1.2 電測量系統(tǒng)

電測量系統(tǒng)包含數(shù)采裝置(主機及升壓器)、電極和電纜。電測量原理如圖2。假設路基土層是均質(zhì)的，在路基表面布設電極，由主機輸入強度為I的直流電(用電流計測量)，通過一對導電電極P、Q在大地內(nèi)建立穩(wěn)定的電流場，用布置在電極間距LPQ內(nèi)的另外2個導電和非極化測量電極M、N測量電極間電位差ΔU(單位：mV)，電壓及電流信號通過電纜傳輸至主機，完成數(shù)據(jù)采集和記錄。測量點(M和N之間的中點)的視電阻率(Ω·m)為ρs=K·ΔU/I(K為電極排列系數(shù)；I為電流強度，mA)。通過增大電極間距，可測量不同空間位置的視電阻率ρs，最終形成一個倒梯形的視電阻率云圖，結(jié)合反演算法獲取路基的電阻率云圖。

圖2 電測量原理

2 等比例模型試驗

2.1 試驗路基模型

選取連接芷江及懷化地區(qū)的在建高速公路路基中的一段作為本次等比例模型設計的試驗段，開挖區(qū)域?qū)?3 m，長30 m，開挖深度4 m。測試區(qū)域8 m × 8 m，在深度3 m處布設傳感器及注水管網(wǎng)，如圖3。根據(jù)JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術規(guī)范》，確定路基模型壓實度K=93%。設計路基模型寬25.5 m，高8.0 m。地質(zhì)勘查資料顯示，該路段路基填土為粉質(zhì)黏土及少量碎石土的混合土。

圖3 試驗路基模型

2.2 注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)由儲水車、水泵、連接管、注水管網(wǎng)和多個溫濕度傳感器組成。

2.2.1 注水管網(wǎng)布置

注水管直徑為60 mm，管壁上鉆了幾排直徑為10 mm、間距為300 mm的圓孔，注水管均勻布置，埋深分別為0.9、2.0和3.0 m，如圖4。

圖4 注水管網(wǎng)布置

2.2.2 傳感器布置

為實時監(jiān)測路基含水率ω的變化，在試驗區(qū)中心沿y方向不同深度埋設28個溫濕度傳感器，埋深分別為0.2、0.5、1.3、1.7、2.5、4.0 m，如圖5。

圖5 溫濕度傳感器布置(單位：m)

2.3 測線布置

快速測試包括振動測試及電測量，分別得到路基各深度點的彈性波振幅A及視電阻率ρs等指標，將高密度面波測試作為對比試驗，得到剪切波速度V。

振動測試的測線位于試驗區(qū)域路基邊坡處，地表面上共布設12個間距為1 m的檢波器，以采集車輛荷載通過時產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)，其中：12 # 檢波器位于路肩(深度為0 m)，1 # 檢波器位于坡腳處(深度為-8.0 m)，可測試路基不同深度出的彈性波振幅，如圖6(a)。

圖6 測線布置(單位：m)

電測量共鋪設了3條測線，如圖6(b)，測線1、測線3位于模型兩側(cè)，測線2位于模型中心線位置；測線長30 m，其中8 m位于測試區(qū)域內(nèi)；測線間距3 m；每條測線每隔0.5 m均勻布置電極，共布設60個電極，可測試路基試驗區(qū)內(nèi)的視電阻率ρs。3條高密度面波測試測線鋪設的位置同電測量的，測線長28.5 m；共設置18個檢波器，檢波器間距0.5 m；采用單邊激發(fā)，偏移距為2、4 m。每次激發(fā)完畢檢波器整體向前移動5 m，繼續(xù)下一次激發(fā)，直至整條測線測試完畢，可測試路基試驗區(qū)內(nèi)的剪切波速度V。

2.4 試驗操作

2.4.1 3種含水率路基模型制備

首先取試驗現(xiàn)場路基土進行標準擊實試驗，得到含水率17%，即為路基模型Ⅰ的設計含水率ωⅠ。

另設計了2個含水率19%、20%的路基模型。分2次向路基模型注水，第1次注水量16 m3，第2次注水量8 m3；在注水的同時記錄溫濕度傳感器的含水率讀數(shù)，當溫濕度傳感器讀數(shù)達到設計值時停止注水；每次注水結(jié)束后，將路基模型靜置3天，使水分充分滲透以確保路基模型的含水率整體均勻，最終得到注水后路基模型Ⅱ、Ⅲ，設計含水率分別為ωⅡ=19%、ωⅢ=20%。

2.4.2 快速測試

直接對測試過含水率的路基模型A進行快速測試及對比驗證試驗；而對注水路基模型B、C，則在靜置3天后進行快速測試及對比驗證試驗。

3 結(jié)果分析

3.1 路基振動特性分析

3.1.1 彈性波波形

空載汽車以30 km/h的速度分別行駛在3種含水率的路基上時，1 # 檢波器(坡腳位置)及12 # 檢波器(路肩位置)采集到的路基振動波數(shù)據(jù)如圖7。圖中，以進入30 m開挖區(qū)域為記錄起始點，數(shù)據(jù)采集時長為20 s。由圖7可見：

1)當時間達到3 s時，車輛行駛至測線位置，坡腳及路肩彈性波振幅A達到最大值，隨著車輛荷載的遠離，振幅A呈現(xiàn)減小趨勢。

2)當路基含水率分別為17%、19%時，振幅A變化不大，當含水率為20%時，振幅A明顯減小。表明含水率20%為臨界含水率，路基土含水率大于此值后，路基的彈性波振幅明顯減小。

3.1.2 路基振動特性

提取路基模型不同深度h彈性波振幅的最大值Amax，獲得3種路基模型在不同深度處的彈性波振幅最大值變化曲線，如圖8。

圖8 路基不同深度處彈性波振幅最大值Amax

由圖8可見，路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彈性波振幅最大值Amax：在坡肩處(h= 0)，分別為115、91、65 m/s，在坡腳處(h=-8 m)，分別為105、63、50 m/s，均隨著路基土含水率的增大而呈衰減變化。

3.2 路基電阻率分布

由于研究區(qū)域土體不均勻，模型表現(xiàn)出局部不均勻性。經(jīng)過數(shù)據(jù)反演，將測試所得的視電阻率值ρs換算成電阻率值ρ，從而得到3種路基模型測線3在研究區(qū)域一定深度h內(nèi)的電阻率云圖，如圖9。

圖9 測線3電阻率云圖

由圖9可見，電阻率ρ離散較大。分析原因：一方面，在路基模型制作過程中，路基土體不可避免存在大粒徑顆粒，同時顆粒之間存在較大空隙，導致電阻率測值偏大；另一方面，在注水后，路基內(nèi)部含水率分布不均勻，局部區(qū)域形成水泡，含水率達到飽和，導致電阻率測值偏小。

將圖9的電阻率ρ進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，得到對數(shù)電阻率lgρ的概率密度f分布，如圖10。

圖10 lg ρ的高斯分布

由圖10可見，lgρ近似呈正態(tài)分布。因此，可按高斯分布規(guī)律進行處理。

首先，剔除概率密度小于5%的電阻率數(shù)據(jù)，消除由粗顆粒材料和大孔隙間水分引起的高電阻率和低電阻率的影響；然后，對剔除的異常點數(shù)據(jù)采用相鄰點的Kriging插值方法進行插值，剔除異常數(shù)據(jù)，從而得到3種路基模型經(jīng)高斯分布規(guī)律處理后的電阻率(ρ′)云圖，如圖11。

圖11 經(jīng)高斯分布處理后測線3電阻率ρ′云圖

由圖11可見，經(jīng)高斯處理剔除異常點后，路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的測線3的電阻率ρ′范圍及其平均值如表1。

表1 高斯分布處理后測線3的電阻率ρ′

4 高速公路路基濕度場空間分布評價

4.1 基于振動測試的路基振動特性評價

根據(jù)路肩處與坡腳處的彈性波振幅來計算路基土體彈性波的衰減率a。圖12為分別用高密度面波測試及振動測試測得的路基土剪切波速度Vshear及彈性波振幅衰減率a的變化趨勢。

從圖12可以看出，

圖12 路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的振動衰減率及剪切波速度

1)隨著路基模型含水率ω的增大，土體的Vshear逐漸減小。

2)當ω< 19%時，隨著ω的增大，土體的a逐漸增大；當ω> 19%時，隨著ω的增大，a則呈現(xiàn)減小變化趨勢。

上述研究結(jié)果表明，路基振動衰減特性能夠在一定程度上映射路基土含水率的變化。因此，可采用振動測試來快速評價高速公路路基濕度場的分布。

4.2 基于電測量的路基濕度場空間分布評價

土體電阻率與土體含水率呈指數(shù)關系[23]。基于此，筆者根據(jù)土性選取相關系數(shù)，將電測量方法測得的電阻率ρ′值換算成含水率ωρ，如圖13(a)；用Kriging插值法對由溫濕度傳感器測量得到的含水率進行分析，將點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成面數(shù)據(jù)，生成二維含水率ωsensor云圖，如圖13(b)，用于與電測量測試結(jié)果進行比較。

圖13 電測量及溫濕度傳感器測量得到的換算含水率云圖

對圖13進行分析，結(jié)果見表2，表中同時列出了溫濕度傳感器與電測量所得含水率平均值的相對誤差絕對值。圖14為根據(jù)表2繪制的含水率概率密度f正太分布。

表2 電測量及溫濕度傳感器測量得到的路基含水率

圖14 含水率概率密度正太分布

由表2、圖14可以看出：

1)電測量和溫濕度傳感器測量2種方法得到的含水率均呈增長變化趨勢，峰值向含水率高的區(qū)間內(nèi)偏移；溫濕度傳感器測量得到的含水率均被包含在電測量得到的含水率范圍內(nèi)。

2)路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，電測量與溫濕度傳感器測量得到的結(jié)果變化趨勢一致，且誤差均在合理區(qū)間內(nèi)。

5 結(jié) 語

針對高速公路路基在復雜荷載作用下所呈現(xiàn)的濕度場空間分布及變化問題，確定了振動量及電阻率作為高速公路路基濕度場相關檢測指標，設計了快速測試系統(tǒng)。選取粉質(zhì)黏土與少量碎石土的混合土路基開展等比例模型試驗，提出一種結(jié)合振動測試及電測量等的路基濕度場空間分布的快速檢測及評價方法，得到以下結(jié)論：

1)彈性波振幅A隨著路基土體深度的增加及路基土含水率的升高呈現(xiàn)衰減變化趨勢；彈性波振動衰減率a隨著路基土含水率的升高呈現(xiàn)增大變化趨勢；剪切波速度隨著路基土含水率的升高而減小。研究表明：采用振動測試能夠快速評價路基濕度場的變化。

2)由電測量測得的電阻率，經(jīng)反演、頻數(shù)統(tǒng)計及高斯分布規(guī)律處理后，再根據(jù)相關電阻率-含水率關系模型，換算得到的路基模型含水率ωρ，與由溫濕度傳感器測得、并經(jīng)Kriging插值法處理換算得到的路基模型含水率ωsensor進行對比發(fā)現(xiàn)，兩者平均值的相對誤差絕對值在1% ～ 3%之間，表明電測量方法能夠較好地評價路基濕度場的空間分布。