黄土路基湿度变化规律跟踪观测研究

张 锋

（山西长治市交通运输局，山西 长治 046011）

0 引言

截止2016年底，我国高速公路通车里程已经超过13万km，计划今年还将增加5 000 km以上。高速公路规模的不断扩大，经济带动能力逐渐明显，但仍没有达到预期的效果。高速公路使用寿命低于设计年限已成为限制通行能力的主要原因。由于延续“重路面，轻路基”的设计理念，高速公路病害中路基病害影响最大，维修困难，难以实现耐久性基础的效果[1]。正常情况下，路基填筑完成后其含水率会停滞在一个受环境、地质水文相等条件综合影响的平衡值[2-3]；而山西省地处黄土高原，由于土质特性，路基内部的湿度会随着运营时间的变化发生变化，且极易受降雨等影响发生较大的变化，直接对路基强度产生负面影响[4-5]。目前，国内外关于路基湿度变化及分布规律的研究较少，主要成果集中于路基湿度影响因素的研究，以及水土平衡特征曲线等。Marks[6]研究认为环境降雨可在4～5周时间内从路基顶面渗入到工作区范围；Cumberledge[7]等认为不同程度的降雨对路基的湿度影响没有明显的规律，但集中降雨将加快促进路基湿度增加速度；周文[8]等研究表明环境温度和空气含水率对路基湿度有明显的相关性；而锥妞丽[9]分析认为路基湿度对运营稳定性有直接影响，是路基病害的主要原因之一，总体而言缺乏针对于黄土路基湿度变化的研究。

本文以山西省黄土路基为研究对象，通过在路基内不同深度布设温湿度传感器，定期监测路基内的湿度变化，并分析湿度对路基强度的关系，评价湿度变化对路基稳定性的影响，为黄土路基的设计、施工、养护提供理论指导。

1 工程概况

本文依托工程位于山西省某一高速公路，地处晋西北黄土高原，昼夜温差大，年平均气温4.6℃，年平均降水量为481.3 mm。依托工程采用双向四车道设计方案，路基宽度26 m，边坡坡率1∶1.5，于2015年底运营。通车以来，交通量较小，没有拥堵情况。本文的温湿度采集仪布设于某一填方路段，填方高度12 m，其中路基顶层30 cm采用砂砾填筑。施工采用了普通分层填筑的工艺，没有较大的病害出现。

2 监测方案

为检测不同深度路基的湿度变化，在黄土路基的纵向深 度 15 cm（A）、30 cm（B）、80 cm（C）、150 cm（D）、210 cm（E）分别布设湿度传感器，平面位置位于行车道外侧轮迹带处。湿度传感器布置示意图如图1所示。

图1 湿度传感器布置示意图

图2 湿度传感器安置示意图

传感器采用武汉海为无线科技有限公司的埋入式土壤温湿度测试仪，其基本参数如表1所示。

表1 温湿度仪基本参数

同一位置间隔2 m，平行布设相同的传感器，以其平均值作为评价值。

3 路基湿度变化规律分析

从路基填筑完成之日（9月）起，以30 d为间隔对5个深度位置的湿度进行测试，结果如表2所示。

表2 湿度监测记录 %

3.1 环境温度对路基湿度变化规律分析

为分析路基湿度受环境温度的影响规律，将测试的路基湿度绘制曲线图，如图3所示。

图3 环境温度对路基湿度变化规律

晋西北地区，一月份温度最低，七八月份温度最高。从图3可以看出，随着施工完成时间的延续，路基内湿度一直处于变化的状态。在120 d阶段，0～90 cm范围内的路基湿度逐渐增加，而120～210 cm范围内的路基湿度逐渐降低。在120～210 d阶段，0～80 cm范围内的路基湿度逐渐降低，而120～210 cm范围内的路基湿度逐渐增加。分析其原因：悉知，路基内的温度与环境温度变化规律基本一致，且略显滞后。结合常年的气温统计情况，从9月开始，晋西北地区气温开始下降，路基上部的温度变化率相对较大，偏低于路基内部温度，路基从顶面到内部形成温度梯度，路基内部的湿度顺沿温度梯度发生移动，从而导致路基上部湿度增加，而下部路基湿度逐渐降低。相反，从二月开始，气温开始上升，路基上部的温度变化率相对较大，上部路基的温度逐渐高于下部温度，同样形成一个反向的温度梯度，路基内部的湿度顺沿温度梯度向下发生移动，从而导致路基上部湿度下降，而下部路基湿度逐渐增加。由于路基为梯形断面，路基下部的保护层面积相对较大，故路基上部的温湿度变化更为明显。

在环境温度较低的阶段，由于路基上部湿度的增加，极易由于保护层厚度小于冰冻深度而结冰，在温度回暖时而融化，造成路基的承载力不足，故在设计过程中必须考虑路基上部由于湿度变化而带来的影响。

3.2 降雨对路基湿度变化规律分析

路基填筑完成后，湿度在多种影响因素规律性的变化中逐渐趋于稳定。而环境降雨会使得路基湿度发生较为明显的变化，为研究降雨对路基湿度变化的影响，针对9～10月这一多雨季节，进行单独分析，基本规律如图4所示。

图4 降雨对路基湿度变化规律

从图4可以看出，在多雨季节，路基的湿度变化率明显增大，且与初始的含水率有直接的关系，初始含水率越大，在降雨季节的湿度变化率增加更多，并没有因为深度的增加而减小。分析其原因：路基范围内的雨水，大部分通过排水沟流走，其余部分渗入路基边坡及周边土壤，极可能逐渐迁移到路基内部。此外，路基周围的降雨可能导致地下水位上升，也是导致路基工作区内湿度增加的原因。因此，考虑环境降雨对路基湿度的影响，应在施工期内控制路基的含水率，可考虑采用特殊的措施降低路基填土材料的最佳含水率，来保证路基湿度变化不对路用性能产生较大的影响。

4 结论

本文通过在路基内布设温度传感器对路基内湿度变化进行了跟踪观测，分析了环境温度和降雨两个因素对路基湿度变化的影响规律，主要结论如下：

a）在环境温度下降的过程中，路基上部的湿度增加，下部湿度降低；而在环境温度升高过程中，路基上部的湿度降低，下部湿度增加，最终趋于稳定。

b）降雨明显提升路基的湿度，且增大路基湿度的变化率，必须采取足够的措施降低路基湿度增加幅度及速率，确保路基的路用性能。