路面覆蓋效應(yīng)響下的路基濕度及溫度分布特性*

冉武平 李 玲

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 烏魯木齊 830047)

路面覆蓋效應(yīng)響下的路基濕度及溫度分布特性*

冉武平 李 玲

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 烏魯木齊 830047)

以非飽和土力學(xué)理論、流體力學(xué)理論和熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析非飽和土路基水汽遷移機(jī)理；通過(guò)在強(qiáng)蒸發(fā)地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和路基內(nèi)部埋設(shè)溫濕度傳感器對(duì)路基不同深度處的溫濕度監(jiān)測(cè)，探討了該地區(qū)在路面覆蓋效應(yīng)影響下的路基濕度和溫度分布特性.結(jié)果表明，水汽遷移主要是以氣態(tài)形式運(yùn)動(dòng)，主要受濕度梯度和溫度梯度的影響；受路面覆蓋效應(yīng)的影響，路基內(nèi)部溫度和濕度分布隨路基深度而不同：路基溫度會(huì)增加，越靠路基頂面，增加度越大.溫度梯度由上至下逐漸變大，溫度波動(dòng)由上至下逐漸變小.強(qiáng)蒸發(fā)地區(qū)路基濕度主要受水汽遷移影響.受路面覆蓋效應(yīng)、路基溫度場(chǎng)和重力場(chǎng)共同影響下，在30～90 cm范圍路基濕度最大，且路基濕度梯度也最大，濕度波動(dòng)受溫度影響顯著.

路面覆蓋效應(yīng)；水汽遷移；溫度分布；濕度分布

0 引 言

路基作為道路結(jié)構(gòu)的支撐體系，其性能不但受行車荷載的影響，更是受到自然因素尤其是水和溫度的影響，由此使得路基回彈模量衰減以及過(guò)量的永久變形[1-2]，并最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)車轍、沉陷、開(kāi)裂等一系列嚴(yán)重影路面長(zhǎng)期性能(long term pavement performance，LTPP)的病害.而對(duì)于新疆乃至整個(gè)西北地區(qū)，蒸發(fā)劇烈，晝夜和季節(jié)性溫差都較大，使得路表和環(huán)境形成強(qiáng)烈的熱能交換，這就形成了顯著的路面覆蓋效應(yīng).在覆蓋效應(yīng)影響下，路基內(nèi)部的濕度和溫度時(shí)空分布特性會(huì)直接影響到路基水汽遷移，從而嚴(yán)重影響到路基的工作狀態(tài)和性能變化.因而掌握路基在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的溫濕狀態(tài)是公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的基礎(chǔ)任務(wù)之一[3].目前關(guān)于路基溫度分布特性的研究主要是通過(guò)相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等手段，集中于凍土地區(qū)溫度場(chǎng)，以及由此引起的路基變形等問(wèn)題的研究[4-8].而路基濕度方面的研究，則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法展開(kāi)研究[9-12].

綜上所述，外界環(huán)境的諸多因素將對(duì)非飽和路基土的溫度和濕度狀態(tài)產(chǎn)生影響，并最終導(dǎo)致路基工作狀態(tài)產(chǎn)生變化[13]，而對(duì)受路面覆蓋效應(yīng)影響的路基平衡濕度及其溫度時(shí)空分布特征的研究較少.且在現(xiàn)有的規(guī)范中也僅是提到路面覆蓋對(duì)入滲的影響，并沒(méi)有正真考慮到覆蓋效應(yīng)對(duì)路基工作狀態(tài)影響.鑒于此，全面了解和把握路面覆蓋效應(yīng)影響的路基濕度和溫度分布特性，對(duì)于研究和把控路基水汽遷移規(guī)律，限制路基永久變形，確保路基具有足夠強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性具有非常重要的意義.

1 路基溫濕度監(jiān)測(cè)方案

本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)溫濕度計(jì)全面監(jiān)測(cè)道路中心下方路基和路肩下方路基的溫濕度.而監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是新疆地區(qū)道路里程數(shù)最長(zhǎng)和分布最廣的國(guó)省道二級(jí)公路.

1.1 監(jiān)測(cè)路段路基填料

按照試驗(yàn)計(jì)劃，并現(xiàn)場(chǎng)取樣取樣，按照規(guī)范進(jìn)行相關(guān)土性參數(shù)試驗(yàn)：最佳含水量5.1%；最大干密度2.28 g/cm3；通過(guò)篩分試驗(yàn)，具體顆粒組成情況見(jiàn)表1.由試驗(yàn)結(jié)果可知，該土樣為粗粒土.

表1 篩分試驗(yàn)

1.2 濕度標(biāo)定

由現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果可知，路基填料為粗粒土，因而填料的保濕狀況較細(xì)粒土差.為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，以現(xiàn)場(chǎng)土樣對(duì)濕度傳感器重新標(biāo)定，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)的精度.

1.3 試驗(yàn)段平面布置及傳感器埋設(shè)

圖1 溫濕度傳感器布設(shè)

考慮到在路基工作區(qū)內(nèi)的工作狀態(tài)對(duì)道路整體性能影響最顯著，因而溫濕度監(jiān)測(cè)主要是半剛性基層下0～180 cm路基深度.在路基中央每30 cm間隔埋設(shè)6個(gè)溫濕度傳感器，路肩處每隔60 cm埋設(shè)3個(gè)溫濕度傳感器，路肩處的傳感器用作有無(wú)路面覆蓋效應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn).所有數(shù)據(jù)采集1次/h.具體布設(shè)見(jiàn)圖1.垂直向下開(kāi)挖100 cm×100 cm大小的探坑，開(kāi)挖深度在220 cm左右，橫穿線纜從半剛性基層底部穿過(guò)，用鋼套管做橫穿.

2 路基水汽遷移理論

受路面覆蓋效應(yīng)影響的路基內(nèi)部水汽擴(kuò)散是與溫度梯度和濕度梯度有關(guān)的過(guò)程，且路基內(nèi)部的溫度和水汽濃度隨著外界的溫度變化而發(fā)生變化，尤其是外界氣候變化劇烈時(shí)，路基內(nèi)的水溫狀況變化更為明顯，因而水汽擴(kuò)散是非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程.根據(jù)Fick第二定律，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散通量為

(1)

式中：C為蒸汽的質(zhì)量濃度，kg/m3；t為擴(kuò)散時(shí)間，s；D是擴(kuò)散系數(shù),一般認(rèn)為是常數(shù).

(2)

(3)

式中:MVW、VVW分別為土中水汽的質(zhì)量和體積；S為土體飽和度；n為孔隙率.

將式(3)代入式(1)可得：

(4)

將式(2)代入式(4)可得

(5)

根據(jù)孔隙水的蒸汽壓和熱動(dòng)力學(xué)的關(guān)系式，非飽和土的吸力

(6)

將式(5)代入式(6)可得

(7)

由此可見(jiàn)，路基內(nèi)水汽遷移主要受土的吸力和溫度影響.氣態(tài)水遷移是溫度不均勻和濕度不均勻分布單獨(dú)或共同作用的表現(xiàn)形式.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到吐魯番地區(qū)具有新疆東疆典型的高溫干旱日溫差大等氣候特點(diǎn)，本現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段選定為吐魯番地區(qū)托克遜縣S301K39+ 800處.該試驗(yàn)段處無(wú)影響日照與空氣流動(dòng)的植被與建筑物，溫濕度監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014年8月1日～10月18日共計(jì)79 d，氣溫高低溫分布見(jiàn)圖2.

圖2 托克遜地區(qū)氣溫分布圖

3.1 氣溫分布特點(diǎn)

由圖3可知，該地區(qū)氣溫日最高氣溫與日最

低氣溫下差較大，其溫差為高溫的40%～60%，最大溫差幾乎為最高溫的80%左右.而在監(jiān)測(cè)階段，該地區(qū)最高氣溫為41 ℃，大多數(shù)高溫在35 ℃以上，同時(shí)在監(jiān)測(cè)的79 d時(shí)間內(nèi)，共有2 d為小雨天氣，其余均未有降雨.這充分說(shuō)明該地區(qū)夏季氣溫高，晝夜溫差大，降雨量小，蒸發(fā)量大，氣候干燥.

3.2 覆蓋效應(yīng)下的溫度特性分析

由上述理論分析可知，溫度對(duì)于路基水汽運(yùn)動(dòng)起到至關(guān)重要的控制作用.同時(shí)氣候特點(diǎn)成為形成典型的路面覆蓋效應(yīng)的必備條件.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，半剛性基層底面以下180 cm范圍內(nèi)路基溫度分布見(jiàn)圖3.

由圖3可知：

1) 路基內(nèi)的溫度隨大氣溫度波動(dòng)程度隨路基深度逐漸減弱，且溫度波動(dòng)的波峰和波谷沿深度也出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象.

圖3 路基溫度分布圖

2) 從溫度隨氣溫波動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看，受路面覆蓋效應(yīng)影響的路基溫度分布呈現(xiàn)出3種狀態(tài)：在半剛性基層下0～90 cm范圍內(nèi)，路基內(nèi)部溫度隨外界大氣產(chǎn)生變化產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，可稱為溫度波動(dòng)帶；而對(duì)于半剛性基層下90～150 cm范圍內(nèi)路基，其內(nèi)部溫度隨外界大氣溫度輕微波動(dòng)稱之為溫度起伏帶；而對(duì)于150 cm以下路基，其內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)非常小，幾乎沒(méi)有波動(dòng)，總體溫度仍有升降變化趨勢(shì)，但其變化幅度非常的平穩(wěn)，稱為溫度穩(wěn)定帶.

3) 就溫度梯度變化趨勢(shì)來(lái)看，由上至下路基內(nèi)部隨氣溫變化幅度隨外界氣溫在不斷減小，但是其溫度梯在不斷增加，其變化程度大致也可劃分為3級(jí).第一級(jí)為半剛性基層下0～60 cm范圍內(nèi)，溫度梯度最小；第二級(jí)為在60～120 cm范圍內(nèi)，溫度梯度約為第一級(jí)的2倍；第三級(jí)為在120～180 cm范圍內(nèi)，溫度梯度約為第二級(jí)的2倍.同時(shí)溫度梯度還受外界氣候因素影響；當(dāng)外界溫度急劇變化時(shí)溫度梯度會(huì)減小.

4) 路中心與路肩處路基內(nèi)部溫度對(duì)比分析可知：在相同深度處，受覆蓋效應(yīng)影響的路基內(nèi)部溫度高于未覆蓋處的路基溫度；在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，隨深度變大，二者的差距越顯著.這也足以說(shuō)明，在覆蓋效應(yīng)影響下路基內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布受到了影響，這也是覆蓋效應(yīng)改變路基內(nèi)部濕度場(chǎng)的原因所在.

3.3 路面覆蓋效應(yīng)下的路基濕度分布

路基濕度對(duì)路基整體強(qiáng)度、耐久性影響極為顯著，不同的濕度分布狀態(tài)表明路基不同的工作狀態(tài)，也就對(duì)路基的性能有了初步的判斷.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路基濕度監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，繪制圖4～5.

圖4 路面覆蓋下的路基濕度分布

圖5 覆蓋和未覆蓋影響下的路基濕度

由圖4～5分析可知：

1) 路基濕度分布很不均衡，從平均濕度分布來(lái)看，半剛性基層下60 cm處的濕度最大，其次分別是30，90，120，150和180 cm處.越靠近路基頂面，濕度波動(dòng)也就愈顯著，這說(shuō)明非飽和路基內(nèi)部填料處于周期性的干濕循環(huán)狀態(tài)，這也是路基強(qiáng)度衰變的原因之一.

2) 從不同深度的濕度分布特性來(lái)看，總體有濕度先增加后減小分布趨勢(shì)；且濕度分布的峰值在半剛性基層下60 cm處最大，而峰值出現(xiàn)的最早和變化幅度最顯著的則屬半剛性基層下30 cm處.這主要是由于溫度場(chǎng)分布特性所影響.而從溫度梯度分布特性來(lái)看，越靠路基底部，溫度梯度越大，因而水汽由底向上蒸發(fā)現(xiàn)象就越劇烈；由溫度分布可知，隨著氣溫升高，路基越靠上部，溫度受大氣影響越顯著，溫度也越高；在較晝夜溫差影響下，夜間溫度下降造成路基上部水汽凝固，濕度不斷增加.隨著氣溫降低路基上部溫度也隨之降低，水汽遷移逐漸減弱，因而濕度開(kāi)始逐漸下降.而路基底部150 cm以下溫度比較穩(wěn)定，地下水位比較深，因而濕度變化也比較小.而路基內(nèi)部30～90 cm范圍濕度最大，這主要是在路面覆蓋效應(yīng)影響下，半剛性層的隔斷作用，水汽逐漸積聚在路基頂部，由于粒類土的保水性較差，在重力作用下又逐漸向下重力遷移；從而導(dǎo)致該范圍內(nèi)濕度最大.

3) 由圖5對(duì)路中心和路肩相同深度處的路基濕度對(duì)比分析可知：覆蓋效應(yīng)影響下的路基濕度高于未覆蓋處的路基濕度；而且這種差值隨距路基頂面越近就越顯著.這也充分說(shuō)明路面覆蓋效應(yīng)對(duì)路基內(nèi)部濕度分布的影響.路肩處距路基內(nèi)部的濕度在一定范圍內(nèi)呈逐漸減小的趨勢(shì)，且距路表越近，趨勢(shì)越顯著，這再次說(shuō)明溫度影響下的路基內(nèi)部水汽遷移主要呈氣態(tài)的形式運(yùn)動(dòng).

4) 由于地下水位比較深，水汽遷移基本可以認(rèn)為是受溫度梯度和濕度梯度的影響下的氣態(tài)擴(kuò)散.

4 結(jié) 論

由于顯著的覆蓋效應(yīng)，對(duì)路基內(nèi)部的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)產(chǎn)生了影響，致使其內(nèi)部的濕度和溫度分布比較特殊，具體如下.

1) 氣態(tài)水遷移是溫度不均勻和濕度不均勻分布單獨(dú)或共同作用的表現(xiàn)形式.

2) 在不同深度處路基內(nèi)部溫度隨外界大氣波動(dòng)程度不同，大致可分為3個(gè)不同程度的溫度波動(dòng)帶.而且溫度梯度沿路基深度分布也不盡相同，大致分為3級(jí)，越靠近路基頂面溫度梯度越小，越向下溫度梯度越顯著.

3) 路面覆蓋效應(yīng)影響下的路基內(nèi)部溫度高于未覆蓋處路基內(nèi)部溫度，且溫差距路基頂面越近越顯著，路基內(nèi)部不斷處于干濕循環(huán)的狀態(tài).

4) 路基的含水狀態(tài)一方面與土質(zhì)狀態(tài)包括顆粒組成和密實(shí)狀態(tài)有關(guān)，另一方面與溫度狀態(tài)有關(guān).粒類土受路面覆蓋效應(yīng)影響的水汽遷移和重力遷移影響下路基在30～90 cm范圍內(nèi)濕度最大，其下濕度逐漸趨于穩(wěn)定.

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Distribution Characteristics and Prediction of Equilibrium Moisture of Subgrade Considering Pavement Blanketing

RAN Wuping LI Ling

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,XinjiangUniversity,Urumqi830047，China)

Based on unsaturated soil mechanics theory, fluid mechanics theory and thermodynamics theory, the paper analyzes moisture migration mechanism of unsaturated soil and deduces one-dimensional unsteady flux equation of vapor. Humidity and temperature distribution characteristics is discussed through monitoring different depth temperature and humidity of subgrade by embedding temperature and humidity sensor under pavement blanketing effect in the area of strong evaporation. The results show that the water vapor migration is mainly in the form of gaseous movement and is affected by moisture gradient and temperature gradient; Subgrade internal temperature and humidity distribution are different according to the depth of the subgrade because of pavement blanketing effect: Subgrade temperature will increase, and the increase amplitude is the greater more on top of the subgrade. Temperature gradient gradually increases from top to bottom and temperature fluctuations gradually become smaller from top to bottom. Subgrade humidity was mainly affected by water vapor migration in strong evaporation area.Under the influence pavement blanketing effect, temperature field and gravity field under the influence, subgrade humidity is biggest , subgrade humidity gradient is biggest and humidity fluctuation is significant by influence of temperature in the range of 30-90 cm.

pavement blanketing effect； moisture migration; temperature distribution; humidity distribution

2015-06-03

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51368058)、道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(批準(zhǔn)號(hào)：K201309)資助

U416.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.012

冉武平(1977- )：男，博士生，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆放c機(jī)場(chǎng)工程