廣州地區(qū)公路路基含水率季節(jié)性變化規(guī)律的現(xiàn)場試驗研究*

徐國元，楊 儉，林立新，黃 灝

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640； 2. 廣東省路橋規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510635)

廣州地區(qū)公路路基含水率季節(jié)性變化規(guī)律的現(xiàn)場試驗研究*

徐國元1，楊 儉1，林立新2，黃 灝2

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640； 2. 廣東省路橋規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510635)

為了研究廣州地區(qū)公路路基含水率的季節(jié)性變化規(guī)律，并提出合理的路基含水率變化模型，選取廣州北二環(huán)高速公路的一段填方路基，采用埋設水分傳感器的方式，對不同深度路基體積含水率進行了為期1年的現(xiàn)場實測。結(jié)果表明：廣州地區(qū)降雨主要集中在4—10月份；路基體積含水率峰值在5—8月份，均超過0.33 m3/m3，隨降雨量變化呈現(xiàn)出波動狀態(tài)；不同深度路基體積含水率變異系數(shù)最大值均出現(xiàn)在5—7月份的雨季，且主要集中在路床部分；路基內(nèi)部體積含水率隨時間呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，回歸分析表明月平均體積含水率變化規(guī)律與月份具有良好的正弦函數(shù)關系，且其變化幅度與路基深度之間的關系能用指數(shù)函數(shù)來表征。

道路工程；路基含水率；現(xiàn)場測試；降雨量；變異系數(shù)

0 引 言

路基作為路面的基礎，路基的質(zhì)量(強度和穩(wěn)定性)直接影響路面的使用，若路基承載能力不足，路基會出現(xiàn)永久變形，從而會導致路面出現(xiàn)各類病害，如沉陷、車轍等[1]。路基承載力可以用路基回彈模量來表征，而它與路基濕度存在較大關系[2-3]。大量試驗和研究表明，路基土含水率變化對非飽和土力學性質(zhì)(包括抗剪強度、彈性模量、滲透性等)影響較大，而路基土屬于非飽和土，故會導致路基力學性能發(fā)生改變[4]。影響路基濕度有諸多因素，而降雨對其影響最為常見和顯著；廣東省地處亞熱帶季風氣候區(qū)，常年高溫多雨，5—10月份降雨量大，地下水位較高，溫度較高，蒸發(fā)劇烈，從而導致路基內(nèi)部含水量變化顯著。因此研究運營期間的公路路基濕度變化情況，對提高該地區(qū)公路排水設計和改善養(yǎng)護維修相應措施，都具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者通過現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等方式對路基濕度變化規(guī)律進行了諸多研究。其中，闕云等[5]通過埋設雨量傳感器和路基土水分傳感器進行了為期1年的濕度場實時監(jiān)測，研究了多雨地區(qū)路基濕度隨氣候季節(jié)性的變化規(guī)律，建議在最佳含水率濕側(cè)2%附近進行壓實；J.KODIKARA等[6]利用中子探測器進行2年實地監(jiān)測，構建了路基土體積含水量與中子計數(shù)之間的關系；G.CALAMITA 等[7]，采用多頻電磁感應傳感器，對土壤含水率進行監(jiān)測，建立了導電率與土體含水率之間關系；柳志軍[8]采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗方式，探討了降雨條件下地下水位高度、初始含水率、壓實方式等因素對路基含水率的影響；高志偉等[9]采用現(xiàn)場監(jiān)測方法，對新疆地區(qū)公路路基含水量年變化規(guī)律進行研究。但是大多數(shù)研究只能判斷降雨條件下路基濕度場短期變化，考慮到運營中公路路基濕度較難展開長期實測，因而對公路路基濕度季節(jié)性變化規(guī)律的研究較少；同時因不同地區(qū)的氣候條件差異性較大，公路路基含水率真實變化情況不同，因而有必要研究廣州地區(qū)公路路基含水率變化模型，為該地區(qū)路基濕度提供預測方法。

1 試驗監(jiān)測路段和傳感器布設

本次現(xiàn)場試驗路段選在2001年10月26日建成通車的廣州北二環(huán)高速公路西行線，測試斷面為具有一級邊坡的路堤，路基高度約為10 m，因填方路基高度較大，且地下水位約在地面以下1 m處，故路基上部土體含水率受地下水位變化影響較小；路基填料為砂質(zhì)黏土，其最佳含水率為13.8%，對應的最大干密度為1.95 g/cm3。其行車道和硬路肩結(jié)構形式均為：4 cm厚AC-13上面層+5 cm厚AC-16中面層+6cm厚AC-25下面層；基層和底基層均為水泥穩(wěn)定碎石，厚度分別為20 cm和30 cm；墊層采用級配碎石，厚度15 cm。由于高速公路交通量較大，為了保證施工安全和行車方便，傳感器均埋設在硬路肩范圍內(nèi)，傳感器布設如圖1，分別在1#(距路基頂面0.3 m)、2#(0.9 m)、3#(1.5 m)3個位置埋設TRD(如圖2)。

圖1 傳感器布設方法(單位：mm)Fig.1 Sensor placement method

水分傳感器埋設方式為：采用xy-100小型鉆機鉆孔施工，當鉆孔深度達到設計標高時，清除孔內(nèi)殘余積水與沉渣，然后插入TDR-3水分傳感器，使傳感器探針與土體緊密接觸，采用與原有路基填土相同的土體回填搗實。導線采用在路面開槽的方式引至護欄外，為防止導線損壞，采用柔性塑料管包裹，開槽采用瀝青混合料回填，恢復道路原有結(jié)構如圖3。

圖3 傳感器埋設現(xiàn)場施工Fig.3 Construction drawings of sensor embedment site

2 監(jiān)測結(jié)果和分析

2.1 降雨資料分析

表1為試驗路段所在地2015年降雨量情況，從表1可知，該地區(qū)年降雨量達到2 000 mm；1—3月份降雨量較少，均未達到100 mm；4—10月份為降雨集中期，均達到100 mm以上，約達到全年降雨總量的87%，且5月份降雨量最大，達到753 mm；11—12月份降雨量偏低。

表1 2015年月降雨量統(tǒng)計Table 1 Monthly average rainfall statistics of 2015

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 路基濕度的時序變化情況

路基濕度是隨時間連續(xù)變化的過程，又受降雨、溫度等因素影響程度不同，不同深度路基濕度出現(xiàn)差異性變化，即不同深度的含水率變化程度不同。將實地監(jiān)測結(jié)果整理分析，圖4為路基內(nèi)部不同深度位置的體積含水率變化情況和日降雨情況，從圖中可以看出，1#、2#、3#位置處的體積含水率隨時間變化的規(guī)律具有相似性，除了個別時間段三者相關性較小外，整體而言其相關性顯著；同時為了更加直觀地反映路基濕度隨時間變化過程，用體積含水率增量-時間曲線圖表示，如圖5。

圖4 路基體積含水率和降雨量隨時間變化關系Fig.4 Variation relation of volumetric moisture contentof subgrade and rainfall changing with the time

圖5 不同深度路基體積含水率相對變化率Fig.5 The relative change rate of volumetric moisture contentof subgrade with different depth

圖5表明，4月份期間，路基不同深度體積含水率處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化程度均小于5%，因為該期間降雨量較小，說明受路面覆蓋效應影響，降雨量較小時，雨水滲透深度較淺，對路基濕度影響較小；5—6月期間，隨著降雨量的增加，路基濕度出現(xiàn)大幅度增加，增量均達到20%，且1#位置處土體含水率最先出現(xiàn)變化，然后是2#位置，最慢是3#位置，說明降雨量達到一定程度后，對路基濕度影響顯著，且雨水滲透是土體水分隨空間變化的時序過程；7—10月期間，降雨量仍然較大，但路基濕度呈現(xiàn)較小的波動，未出現(xiàn)大幅度增加，說明在連續(xù)降雨后，路基濕度逐漸趨近飽和狀態(tài)；10月份之后，路基濕度隨著降雨量的減少而下降，達到穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，該地區(qū)的降雨期與路基濕度峰值存在一致性，均集中在5—8月份。因此，該地區(qū)新建公路進行路基設計時，需考慮的最不利季節(jié)為5—8月份。

1.1 一般資料 我院有內(nèi)科、外科和門急診等22個臨床科室，開放床位628張，護理人員441名。職稱:副主任護師4名，主管護師84名，護師177名，護士176名;學歷:本科48名，大專219名，中專174名。

2.2.2 路基濕度的離散分析

表2為1#、2#、3#位置處的土體月平均含水率和變異特征，從表2可以看出，不同深度的路基土體積含水率變異系數(shù)最大值從大到小分別為0.3、0.9、1.5 m；其中0.3 m處變異系數(shù)最大值發(fā)生在5月份，0.9 m處變異系數(shù)最大值發(fā)生在6月份，0.9 m處變異系數(shù)最大值發(fā)生在7月份，且5—10月份，不同深度處變異系數(shù)均超過1%；除4月份外，其余月份的變異系數(shù)最大值均發(fā)生在1#或者2#處，說明路床土體受雨水滲流影響較顯著。同時，1#、2#、3#位置處月平均體積含水率最大值發(fā)生時間分別為6月、7月、8月，而5月份降雨量最大，說明降雨對路基濕度影響存在滯后性；且在6—10月份體積含水率均較大，均超過0.33 m3/m3。由此可知，降雨后水分一方面在蒸騰作用下向外遷移，另一方面在重力作用下緩慢向下滲透，故而改變了路基內(nèi)部的濕度狀況。

表2 路基土體積含水率統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristics of volumetric moisture content of subgrade

2.2.3 路基濕度的季節(jié)性變化規(guī)律

為了方便分析路基濕度場的季節(jié)性變化規(guī)律，將實地監(jiān)測數(shù)據(jù)分12個月進行統(tǒng)計，如圖6。觀察圖6，可知不同深度路基體積含水率隨著氣候條件季節(jié)性變化而呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。為了分析路基體積含水率的季節(jié)性變化規(guī)律，將1#位置體積含水率隨月份變化曲線看作為1個周期為12個月的正弦函數(shù)，經(jīng)過非線性回歸分析，得到路基體積含水率隨月份變化的回歸曲線(圖7(a)中虛線)，其關系式如下：

(1)

式中：θ為體積含水率；t為月份。

圖6 不同深度路基體積含水率隨月份變化曲線Fig.6 Variation curves of volumetric moisture content ofsubgrade with different depths changing with the month

圖7 不同深度路基體積含水率隨月份變化回歸曲線Fig.7 Regression curves of volumetric moisture content of subgrade with different depths changing with the month

其R2=0.773，表明相關性較好，回歸曲線較好地表征了路基體積含水率隨月份變化規(guī)律符合周期為1年的正弦函數(shù)。類似地，2#、3#位置體積含水率隨月份變化的回歸曲線(分別為圖7(b)、圖7(c)中虛線)，其關系式分別如式(2)、式(3)：

(2)

(3)

其R2分別為0.872、0.847，表明回歸曲線能很好地預測路基2#、3#位置深度的體積含水率變化規(guī)律。

圖8 體積含水率變化幅度隨路基深度變化曲線Fig.8 The variation curve of volumetric watercontent changing with the depth of roadbed

根據(jù)圖7和式(1)～式(3)可知，路基的平均體積含水率為0.334 m3/m3。但路基體積含水率存在不同幅度變化，與路基深度有關，如圖8。通過分析表明，它可以用指數(shù)函數(shù)進行描述，如式(4)：

θα=0.046 e-0.159az

(4)

式中：θα為體積含水率變化幅度；z為路基深度。

從式(4)可以看出，θα與z存在反比關系，表明路基體積含水率變化大多數(shù)發(fā)生在路基淺層，隨著路基深度的增加而減少。最大變化發(fā)生在路基表面(即z=0)，其值為θα,max=0.046 m3/m3。由此可知季節(jié)性變化將在平均值的7%范圍內(nèi)。

基于前面的分析結(jié)果，路基不同深度的體積含水率可以解釋為式(5)

(5)

式中：z為路基深度；t為月份。

為了驗證該模型的精度，將預測的不同深度體積含水率與實測數(shù)據(jù)進行比較，如圖9。從圖中可以看出，該模型提供的預測值大部分在實測值的95%范圍內(nèi)。因此，該模型精度較高，其表征的路基體積含水率隨時間變化規(guī)律可以給同地區(qū)相同土質(zhì)的路基含水率預測作為參考。

圖9 預測體積含水率與實測數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of the predicted volumetricwater content and the measured data

3 結(jié) 論

1) 不同深度路基濕度因受降雨影響程度不同，其變化程度存在差異性，但整體而言，不同深度路基濕度變化規(guī)律具有相似性，且路基土濕度峰值和降雨期存在一致性，主要出現(xiàn)在5—8月份，均超過0.33 m3/m3。故該地區(qū)新建公路進行路基路面設計時，其最不利季節(jié)應為每年的5—8月份。

2) 路基濕度變化與降雨相關性顯著，路基土體積含水率隨降雨量大小而波動，路基濕度變異系數(shù)最大值隨路基深度增加而減少，主要集中在5—7月份，均超過1%，且路床土體濕度對雨水敏感性較強。故廣東地區(qū)的新建公路需加強對路床位置的排水設計；運營公路在5—7月份需重視路面和邊坡排水系統(tǒng)的養(yǎng)護維修。

3) 該地區(qū)路基內(nèi)部體積含水率隨氣候季節(jié)性變化而呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。通過回歸分析，月平均體積含水率變化規(guī)律可以看作周期為12個月的正弦函數(shù)，且其變化幅度與路基深度之間的關系可以用指數(shù)函數(shù)來表征，故這種季節(jié)性變化規(guī)律對于同地區(qū)具有很好的參考價值，對該地區(qū)公路改進養(yǎng)護維修措施提供了較好地依據(jù)。

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Field Experimental Study on Seasonal Variation Rule of Water Contentof Highway Subgrade in Guangzhou Area

XU Guoyuan1，YANG Jian1，LIN Lixin2，HUANG Hao2

(1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，P. R. China; 2. Guangdong Province Highway Bridge Planning and Research Center，Guangzhou 510635，Guangdong，P. R. China)

In order to study the seasonal variation rule of water content of highway subgrade in Guangzhou area and put forward a reasonable model of the water content variation of the subgrade，the fill subgrade of North Second Ring Expressway of Guangzhou was selected，and the volume moisture content of subgrade in different depth was measured in filed for 1 year by embedding water sensor. The results show that the rainfall in Guangzhou area mainly concentrates in April to October; and the peak values of the volumetric moisture content of subgrade occur in May to August，which all exceed 0.33 m3/m3and fluctuate with rainfall. All the maximum values of variation coefficients of volumetric moisture content of subgrade with different depth appear in the rainy season of May to July，and mainly concentrate in the roadbed. The volumetric moisture content of subgrade exhibits a periodic variation rule with time. The regression analysis shows that the variation rule of the monthly average water content has a good sine function relationship with the month，and the relationship between the variation range and the depth of the subgrade can be characterized by exponential function.

highway engineering; water content of subgrade; field test; rainfall; variation coefficient

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.09

2016-09-20；

2016-11-15

國家自然科學基金項目(51078151)； 廣東省公路管理局行業(yè)支撐性科研課題(2014-6)

徐國元(1964—)，男，廣東廣州人，教授，博士生導師，主要從事路基工程方面的教學與科研工作。 E-mail: gyxu@scut.edu.cn。

楊 儉(1991—)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事道路工程與巖土工程方面的研究工作。E-mail:2419852745@qq.com。

U416

A

1674-0696(2017)12-047-06

朱漢容)