高速公路路基湿度场空间分布快速测试及评价方法研究

袁刚烈，车爱兰

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引 言

当车辆荷载作用于路基时，路基内部形成的应力场改变了土体孔隙水压力，导致土体中的水分迁移[1]。在大量循环荷载作用下，路基土体孔隙水压力增大并累积，最终挤压并泵送水沿着孔隙通道内壁流动，水分的迁移改变了土体含水率[2-3]。而路基表层的含水率对环境气候因素较为敏感[4]，由于降水和水分蒸发的作用，压实路基土出现干湿循环变化，路基的湿度场分布发生改变，从而影响了土体的结构性及力学特性[5]。在冬季，当路基温度降到0℃以下时，表层土体水分形成冰晶，未冻结区的水分向冻结缘流动加剧了冻结状态；春季解冻时，最上层的冰晶融化，从而改变了路基的湿度场分布[6]。

高速公路在车辆荷载及冻融循环、干湿循环等综合作用下，路基土体的湿度场发生改变，土体抗剪强度降低，路基整体性能发生衰变，最终形成脱空、不均匀沉降等病害，影响道路的正常使用并且带来安全隐患[7-10]。同时，路基湿度场的改变也改变了路基内部土体的导电性及弹性波在路基内部的传播特性。

目前，路基湿度场空间分布的检测方法主要有干燥法、温湿度传感器法和电磁法[11-13]。针对路基湿度场的无损检测，白哲[14]结合室内试验及数值分析研究了路基土体的介电常数与含水率的相关性，并进行了一系列验证试验；刘杰[15]采用探地雷达对路基进行测试，并用BP神经网络对路基含水率的变化进行了预测分析。上述对路基湿度场的检测主要是单点检测，且难以进行定量分析，不适用于高速公路路基的快速检测。

振动测试及电测量以其效率高的特点，被广泛应用于许多领域。WANG Jiabi[16]采用多通道瞬态面波法、高密度地震映像法、垂直反射法和弹性波透射层析法对水库坝基塑性混凝土防渗墙质量进行综合检测；屈畅姿等[17]对比分析了正式运营前后动响应幅值沿线路纵向的分布规律和沿路基深度的衰减规律，分析振动的峰值频率、振动能量的频带分布及沿深度衰减规律，得到路基综合刚度对过渡段振动特性的影响规律；陈康等[18]以某陶瓷厂空洞探测为例，采用高密度电法进行勘探，结合三维可视化技术对空洞区域进行测试及分析评价研究；K. NISHIDA等[19]结合数值分析和电法勘探新技术，提出了一种基于电法的非饱和渗流测量方法，该方法能够快速测量地下水流的分布。

笔者开展了现场等比例路基模型试验，对路基土含水率与电参数、振动衰减参数的相关性进行研究，提出了一种结合振动测试及电测量的高速公路路基湿度场空间分布快速测试及评价方法；结合温湿度传感器测试及高密度面波测试，验证了所提出的快速测试及评价方法的可行性。

1 高速公路路基湿度场快速测试系统及评价方法

1.1 快速测试系统

弹性波在路基土体内部的传播特性及土体的导电性均与土体的含水率有着较强的相关性。一方面，随着含水率的增大，路基整体刚度呈现减小趋势，刚度的减小减缓了路基内动应力的衰减，但却加速了振动加速度的衰减[20]；另一方面，含水率的增大使得路基土体导电离子浓度增高，增强了土体导电性。

图1为笔者设计的高速公路路基湿度场空间分布的快速测试系统(包括振动测试系统及电测量系统)，通过振动测试快速确定路基湿度较高的路段，再结合电测量对该区段进行湿度场空间分布对精细化评估，评价指标包括路基土体的电阻率、剪切波速度、弹性波振动衰减率等指标。

图1 路基湿度场空间分布及快速测试系统

1.1.1 振动测试系统

振动测试系统包含振动传感器、震源及数采装置(数字地震仪及计算机)。车辆在行驶过程中，车轮通过震源激励在路基表面产生弹性波，由振动传感器来测试弹性波振幅A并进行信号衰减规律分析。

路基表面震源激发振动波时，振动波以应力波形式进行传播；随着水平距离和深度的增加，波强逐渐减小，波阵面曲率半径逐渐增加，最终趋近于平面，直至强度衰减至0。振动衰减率a与土体的性质和震源等多种因素有关，可用于评价路基内部结构的变化[21-22]。

1.1.2 电测量系统

电测量系统包含数采装置(主机及升压器)、电极和电缆。电测量原理如图2。假设路基土层是均质的，在路基表面布设电极，由主机输入强度为I的直流电(用电流计测量)，通过一对导电电极P、Q在大地内建立稳定的电流场，用布置在电极间距LPQ内的另外2个导电和非极化测量电极M、N测量电极间电位差ΔU(单位：mV)，电压及电流信号通过电缆传输至主机，完成数据采集和记录。测量点(M和N之间的中点)的视电阻率(Ω·m)为ρs=K·ΔU/I(K为电极排列系数；I为电流强度，mA)。通过增大电极间距，可测量不同空间位置的视电阻率ρs，最终形成一个倒梯形的视电阻率云图，结合反演算法获取路基的电阻率云图。

图2 电测量原理

2 等比例模型试验

2.1 试验路基模型

选取连接芷江及怀化地区的在建高速公路路基中的一段作为本次等比例模型设计的试验段，开挖区域宽13 m，长30 m，开挖深度4 m。测试区域8 m × 8 m，在深度3 m处布设传感器及注水管网，如图3。根据JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》，确定路基模型压实度K=93%。设计路基模型宽25.5 m，高8.0 m。地质勘查资料显示，该路段路基填土为粉质黏土及少量碎石土的混合土。

图3 试验路基模型

2.2 注水系统

注水系统由储水车、水泵、连接管、注水管网和多个温湿度传感器组成。

2.2.1 注水管网布置

注水管直径为60 mm，管壁上钻了几排直径为10 mm、间距为300 mm的圆孔，注水管均匀布置，埋深分别为0.9、2.0和3.0 m，如图4。

图4 注水管网布置

2.2.2 传感器布置

为实时监测路基含水率ω的变化，在试验区中心沿y方向不同深度埋设28个温湿度传感器，埋深分别为0.2、0.5、1.3、1.7、2.5、4.0 m，如图5。

图5 温湿度传感器布置(单位：m)

2.3 测线布置

快速测试包括振动测试及电测量，分别得到路基各深度点的弹性波振幅A及视电阻率ρs等指标，将高密度面波测试作为对比试验，得到剪切波速度V。

振动测试的测线位于试验区域路基边坡处，地表面上共布设12个间距为1 m的检波器，以采集车辆荷载通过时产生的波形数据，其中：12 # 检波器位于路肩(深度为0 m)，1 # 检波器位于坡脚处(深度为-8.0 m)，可测试路基不同深度出的弹性波振幅，如图6(a)。

图6 测线布置(单位：m)

电测量共铺设了3条测线，如图6(b)，测线1、测线3位于模型两侧，测线2位于模型中心线位置；测线长30 m，其中8 m位于测试区域内；测线间距3 m；每条测线每隔0.5 m均匀布置电极，共布设60个电极，可测试路基试验区内的视电阻率ρs。3条高密度面波测试测线铺设的位置同电测量的，测线长28.5 m；共设置18个检波器，检波器间距0.5 m；采用单边激发，偏移距为2、4 m。每次激发完毕检波器整体向前移动5 m，继续下一次激发，直至整条测线测试完毕，可测试路基试验区内的剪切波速度V。

2.4 试验操作

2.4.1 3种含水率路基模型制备

首先取试验现场路基土进行标准击实试验，得到含水率17%，即为路基模型Ⅰ的设计含水率ωⅠ。

另设计了2个含水率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；在注水的同时记录温湿度传感器的含水率读数，当温湿度传感器读数达到设计值时停止注水；每次注水结束后，将路基模型静置3天，使水分充分渗透以确保路基模型的含水率整体均匀，最终得到注水后路基模型Ⅱ、Ⅲ，设计含水率分别为ωⅡ=19%、ωⅢ=20%。

2.4.2 快速测试

直接对测试过含水率的路基模型A进行快速测试及对比验证试验；而对注水路基模型B、C，则在静置3天后进行快速测试及对比验证试验。

3 结果分析

3.1 路基振动特性分析

3.1.1 弹性波波形

空载汽车以30 km/h的速度分别行驶在3种含水率的路基上时，1 # 检波器(坡脚位置)及12 # 检波器(路肩位置)采集到的路基振动波数据如图7。图中，以进入30 m开挖区域为记录起始点，数据采集时长为20 s。由图7可见：

1)当时间达到3 s时，车辆行驶至测线位置，坡脚及路肩弹性波振幅A达到最大值，随着车辆荷载的远离，振幅A呈现减小趋势。

2)当路基含水率分别为17%、19%时，振幅A变化不大，当含水率为20%时，振幅A明显减小。表明含水率20%为临界含水率，路基土含水率大于此值后，路基的弹性波振幅明显减小。

3.1.2 路基振动特性

提取路基模型不同深度h弹性波振幅的最大值Amax，获得3种路基模型在不同深度处的弹性波振幅最大值变化曲线，如图8。

图8 路基不同深度处弹性波振幅最大值Amax

由图8可见，路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ弹性波振幅最大值Amax：在坡肩处(h= 0)，分别为115、91、65 m/s，在坡脚处(h=-8 m)，分别为105、63、50 m/s，均随着路基土含水率的增大而呈衰减变化。

3.2 路基电阻率分布

由于研究区域土体不均匀，模型表现出局部不均匀性。经过数据反演，将测试所得的视电阻率值ρs换算成电阻率值ρ，从而得到3种路基模型测线3在研究区域一定深度h内的电阻率云图，如图9。

图9 测线3电阻率云图

由图9可见，电阻率ρ离散较大。分析原因：一方面，在路基模型制作过程中，路基土体不可避免存在大粒径颗粒，同时颗粒之间存在较大空隙，导致电阻率测值偏大；另一方面，在注水后，路基内部含水率分布不均匀，局部区域形成水泡，含水率达到饱和，导致电阻率测值偏小。

将图9的电阻率ρ进行对数转换，得到对数电阻率lgρ的概率密度f分布，如图10。

图10 lg ρ的高斯分布

由图10可见，lgρ近似呈正态分布。因此，可按高斯分布规律进行处理。

首先，剔除概率密度小于5%的电阻率数据，消除由粗颗粒材料和大孔隙间水分引起的高电阻率和低电阻率的影响；然后，对剔除的异常点数据采用相邻点的Kriging插值方法进行插值，剔除异常数据，从而得到3种路基模型经高斯分布规律处理后的电阻率(ρ′)云图，如图11。

图11 经高斯分布处理后测线3电阻率ρ′云图

由图11可见，经高斯处理剔除异常点后，路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的测线3的电阻率ρ′范围及其平均值如表1。

表1 高斯分布处理后测线3的电阻率ρ′

4 高速公路路基湿度场空间分布评价

4.1 基于振动测试的路基振动特性评价

根据路肩处与坡脚处的弹性波振幅来计算路基土体弹性波的衰减率a。图12为分别用高密度面波测试及振动测试测得的路基土剪切波速度Vshear及弹性波振幅衰减率a的变化趋势。

从图12可以看出，

图12 路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的振动衰减率及剪切波速度

1)随着路基模型含水率ω的增大，土体的Vshear逐渐减小。

2)当ω< 19%时，随着ω的增大，土体的a逐渐增大；当ω> 19%时，随着ω的增大，a则呈现减小变化趋势。

上述研究结果表明，路基振动衰减特性能够在一定程度上映射路基土含水率的变化。因此，可采用振动测试来快速评价高速公路路基湿度场的分布。

4.2 基于电测量的路基湿度场空间分布评价

土体电阻率与土体含水率呈指数关系[23]。基于此，笔者根据土性选取相关系数，将电测量方法测得的电阻率ρ′值换算成含水率ωρ，如图13(a)；用Kriging插值法对由温湿度传感器测量得到的含水率进行分析，将点数据转换成面数据，生成二维含水率ωsensor云图，如图13(b)，用于与电测量测试结果进行比较。

图13 电测量及温湿度传感器测量得到的换算含水率云图

对图13进行分析，结果见表2，表中同时列出了温湿度传感器与电测量所得含水率平均值的相对误差绝对值。图14为根据表2绘制的含水率概率密度f正太分布。

表2 电测量及温湿度传感器测量得到的路基含水率

图14 含水率概率密度正太分布

由表2、图14可以看出：

1)电测量和温湿度传感器测量2种方法得到的含水率均呈增长变化趋势，峰值向含水率高的区间内偏移；温湿度传感器测量得到的含水率均被包含在电测量得到的含水率范围内。

2)路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，电测量与温湿度传感器测量得到的结果变化趋势一致，且误差均在合理区间内。

5 结 语

针对高速公路路基在复杂荷载作用下所呈现的湿度场空间分布及变化问题，确定了振动量及电阻率作为高速公路路基湿度场相关检测指标，设计了快速测试系统。选取粉质黏土与少量碎石土的混合土路基开展等比例模型试验，提出一种结合振动测试及电测量等的路基湿度场空间分布的快速检测及评价方法，得到以下结论：

1)弹性波振幅A随着路基土体深度的增加及路基土含水率的升高呈现衰减变化趋势；弹性波振动衰减率a随着路基土含水率的升高呈现增大变化趋势；剪切波速度随着路基土含水率的升高而减小。研究表明：采用振动测试能够快速评价路基湿度场的变化。

2)由电测量测得的电阻率，经反演、频数统计及高斯分布规律处理后，再根据相关电阻率-含水率关系模型，换算得到的路基模型含水率ωρ，与由温湿度传感器测得、并经Kriging插值法处理换算得到的路基模型含水率ωsensor进行对比发现，两者平均值的相对误差绝对值在1% ～ 3%之间，表明电测量方法能够较好地评价路基湿度场的空间分布。