高速公路路基內(nèi)部含水率監(jiān)測(cè)與分析

李 培 樂(lè)

(山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

高速公路投入使用后，路基內(nèi)部含水率會(huì)受到大氣降水、氣溫等因素的影響，會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。在一年四季中，大氣降雨量和氣溫會(huì)呈現(xiàn)周期性的變化，路基含水率變化也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。而路基含水率的變化會(huì)改變路基的物理力學(xué)性能，直接影響路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性?；诖耍x取試驗(yàn)段對(duì)路基內(nèi)部含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果確定路基含水率的變化規(guī)律。

1 路基含水率監(jiān)測(cè)方案

1.1 工程簡(jiǎn)介

寧淮高速公路K18+550～K19+020段為路堤，路堤填筑高度范圍為1.5 m～3.4 m。該地區(qū)地基土為第四系全新統(tǒng)(Q4)沉積的亞黏土、黏土，厚度為2.9 m～4.8 m。該地區(qū)四季分明，降雨量充沛，年平均氣溫為15.1 ℃，其中7月氣溫最高，1月氣溫最低。6月、7月降雨量最大，約占全年降雨總量的54%，年平均降雨量為1 030 mm。地基淺層局部有少量潛水，但水量較少，地下水位較低，路基含水率主要受大氣降水和地表徑流水影響，水分通過(guò)路基邊坡滲入。選取K18+800斷面作為測(cè)試斷面，該路段路基土為含砂黏質(zhì)土。路基為填方路基，填方路基高度為2 m，邊坡坡度為1∶1.5。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

傳統(tǒng)的含水率檢測(cè)方法會(huì)破壞路基和路面結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目采用TSZ-1型土壤水分速測(cè)儀對(duì)路基含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該設(shè)備由主機(jī)和探針組成，將探針布置在路基內(nèi)部，通過(guò)原位測(cè)試儀器測(cè)定土壤的含水率，可在主機(jī)上快速讀出含水率測(cè)值。為了準(zhǔn)確測(cè)定路基含水率，分別在路基基底、路基中部和路基頂部設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，自上而下分別為測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。為了分析路基含水率在不同季節(jié)的變化情況，分別在不同時(shí)間段對(duì)路基含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

為了防止模型試驗(yàn)中的尺寸效應(yīng)的問(wèn)題，試驗(yàn)路段按照1∶1的比例修筑。路面寬度為6 m，路肩寬度為0.6 m，其寬度相當(dāng)于三級(jí)公路的標(biāo)準(zhǔn)，路基邊坡1∶1.5。

當(dāng)路基填筑高度達(dá)到探針埋設(shè)高度30 cm以上時(shí)，壓實(shí)達(dá)到要求后在路基上部挖一個(gè)深度為30 cm的試坑，埋入土壤水分速測(cè)儀探針。埋入后回填路基土并壓實(shí)，壓實(shí)過(guò)程中注意保護(hù)探針。將探針數(shù)據(jù)線從路基邊坡引出，為了防止數(shù)據(jù)線接頭損壞，使用密封袋包裹數(shù)據(jù)線接頭，并用膠帶封口。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

本項(xiàng)目路基含水率監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2017年3月～2019年3月，監(jiān)測(cè)總時(shí)間為24個(gè)月。為了準(zhǔn)確掌握路基含水率的變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)頻率為每個(gè)月監(jiān)測(cè)一次。達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段后將數(shù)據(jù)線接頭部位的密封袋取下，接上主機(jī)，讀出數(shù)據(jù)并做好記錄。監(jiān)測(cè)完成后重新使用密封袋包裹探針數(shù)據(jù)線接頭，并做好密封。如發(fā)現(xiàn)密封袋有破損或風(fēng)化現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)更換。

2 路基含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

收集路基含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別整理3個(gè)測(cè)點(diǎn)的含水率并繪制含水率隨時(shí)間變化曲線，如圖2所示。

分析圖2曲線變化情況，可以得出3個(gè)測(cè)點(diǎn)的路基含水率檢測(cè)結(jié)果相差不大，含水率差值均小于2%，且在各監(jiān)測(cè)時(shí)間段基本相同。在兩年的監(jiān)測(cè)期間，每年對(duì)應(yīng)的相同月份路基含水率檢測(cè)結(jié)果基本相同，測(cè)點(diǎn)2含水率檢測(cè)值最大，其次為測(cè)點(diǎn)1，測(cè)點(diǎn)3含水率檢測(cè)值最小。在2017年3月～2019年3月監(jiān)測(cè)期間，每年路基含水率最低的月份為12月、1月和2月，路基含水率最低值為17%。路基含水率最高月份為6月和7月，這是由于12月～1月降雨量最小，而6月和7月降雨量最大，路基含水率最高值為24.7%。另外，分析路基含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果，含水率值總體隨一年中氣溫的變化呈現(xiàn)周期性變化，但個(gè)別月份出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。

3 路基含水率變化規(guī)律分析

根據(jù)上述路基含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果，兩年中對(duì)應(yīng)月份的含水率相差不大，含水率數(shù)值基本保持一致。而一年中路基含水率的變化受氣溫、降雨量等因素的影響，且路基含水率隨季節(jié)變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，通過(guò)對(duì)每月含水率監(jiān)測(cè)平均值的變化規(guī)律進(jìn)行分析，確定路基含水率的變化規(guī)律。

3.1 路基含水率隨氣溫變化規(guī)律

結(jié)合上述監(jiān)測(cè)結(jié)果和當(dāng)?shù)貧鉁刈兓闆r，繪制月平均氣溫/含水率—時(shí)間變化曲線如圖3所示。

分析圖3月平均氣溫/含水率—時(shí)間曲線變化情況，各月份路基含水率隨時(shí)間變化曲線與氣溫—時(shí)間變化曲線變化趨勢(shì)基本一致，且基本符合正弦函數(shù)變化規(guī)律。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蟊O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，代入路基含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算，得出路基含水率計(jì)算公式：

采用上述路基含水率計(jì)算公式，得出各月份含水率計(jì)算值，繪制含水率—時(shí)間曲線如圖4所示，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

分析圖4路基含水率計(jì)算值和實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化曲線，可以看出實(shí)測(cè)值和計(jì)算值存在較大差異，但曲線總體變化趨勢(shì)基本一致。這是由于實(shí)測(cè)值是每個(gè)月進(jìn)行一次含水率監(jiān)測(cè)，而計(jì)算值是每個(gè)月的路基含水率平均值，造成二者產(chǎn)生了較大差異。

3.2 路基含水率隨降雨量變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)不同月份降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制路基含水率—降雨量變化曲線，路基含水率—降雨量變化曲線如圖5所示。為了能夠便于進(jìn)行對(duì)比分析，繪制降雨量曲線時(shí)取0.1倍月降雨量。

分析圖5路基含水率與降雨量變化曲線，可以看出各月份降雨量與路基含水率之間并不存在良好的線性相關(guān)性，很難找到二者之間存在的規(guī)律。這主要是由于大氣降水在滲入路基的過(guò)程中受到滲透、蒸發(fā)和毛細(xì)作用的影響，并不會(huì)完全隨降雨量的變化而快速產(chǎn)生變化，且不會(huì)呈現(xiàn)完全一致的變化趨勢(shì)。

3.3 路基含水率隨凈降雨量變化規(guī)律

根據(jù)上述分析結(jié)果，路基含水率與降水量之間沒(méi)有呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。為了降低外界因素的影響，在全面考慮降水量和蒸發(fā)量變化的前提下，采用凈降水量(降雨量與蒸發(fā)量的差值)分析路基含水率的變化規(guī)律，繪制路基含水率—月凈降雨量—時(shí)間曲線如圖6所示。為了能夠便于進(jìn)行對(duì)比分析，繪制降雨量時(shí)取0.1倍月降雨量。

分析圖6變化曲線，路基含水率和凈降雨量之間雖然沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，但凈降雨量較大的月份，路基含水率也較高。這說(shuō)明凈降雨量對(duì)路基含水率的影響較大，隨著凈降雨量的增加路基含水率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了確定運(yùn)營(yíng)后路基含水率的變化規(guī)律，選取試驗(yàn)段，布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行路基含水率監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果得出以下結(jié)論：1)路基含水率隨氣溫變化呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，雖然實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果之間存在一定的差異，但這是由于計(jì)算方法不同造成的；2)路基含水率與降雨量之間并不存在良好的線性相關(guān)性，這是由于大氣降水在滲入路基的過(guò)程中受到滲透、蒸發(fā)和毛細(xì)作用的影響，降低路基含水率的變化速度；3)路基含水率和凈降雨量之間雖然沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，但隨著凈降雨量的增加路基含水率呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。