公路路基內(nèi)壓強的日變化規(guī)律研究

馬樹平 欒紀昊 高宏剛 張斌 劉琪

（1甘肅恒石公路檢測科技有限公司；2甘肅恒路交通勘察設(shè)計院有限公司；3甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測重點實驗室；4甘肅省高等級公路養(yǎng)護工程研究中心，甘肅 蘭州730070）

0 引言

路基內(nèi)部壓強是導致路基伸縮、變形的直接原因，其受多種因素影響。路基建設(shè)壓實時以最大理論密度為目標，極大壓縮了路基空間，為路基內(nèi)部壓強的貢獻最大，這部分壓強為有益壓強，使得路基達到了理想服役狀態(tài)。然而外力的加入往往會破壞這一狀態(tài)，如膨脹土的膨脹力、硫酸鹽漬土的鹽脹力、水的凍脹力、熱脹冷縮等都會引起路基內(nèi)部壓強的變化，嚴重時會打破路基內(nèi)部壓強平衡，從而尋找薄弱點進行應力釋放，導致路基變形、凍脹、鹽脹、裂縫等病害。國內(nèi)外對鹽脹[1]、凍脹[2-3]及長時間軸溫度引起的壓力變化研究較多[4-5]，往往忽略了每日氣溫變化下路基內(nèi)壓強的變化規(guī)律。本文通過高精度溫度及壓力傳感器監(jiān)測了每日路基溫度及壓力的變化規(guī)律。

1 試驗設(shè)備及現(xiàn)場監(jiān)測

1.1 設(shè)備指標

選用埋入式FS-TY10振弦式土壓力計，量程0-1MPa，分辨力為0.1%，用以監(jiān)測路基內(nèi)部壓強。

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測

監(jiān)測路段高速公路分離式路基，填土約3m，寬度12.25m。橫向上監(jiān)測線設(shè)置在距離邊坡5.1m的行車道中間；縱向上為確保監(jiān)測的準確性，相隔20m，設(shè)置兩條監(jiān)測線，兩條監(jiān)測線安裝深度、工藝及碾壓保持一致。為了保障壓力計在碾壓過程中不被毀壞及影響精度，采用在壓實的路基上挖＞20cm的坑槽，然后上層碾壓的方式，埋設(shè)壓實前土壓力計數(shù)值調(diào)整為0。各監(jiān)測點安裝深度及下挖深度如表1。

表1 監(jiān)測點安裝參數(shù)

圖1 壓力傳感器安裝位置示意圖

2 監(jiān)測結(jié)果與分析

通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，發(fā)現(xiàn)路基內(nèi)部壓強在每日內(nèi)均呈現(xiàn)規(guī)律性波動變化，且8個點變化趨勢基本保持一致，壓力波峰出現(xiàn)在9:00 左右，壓力波谷出現(xiàn)在19:00 左右，且相同深度壓力值及變化趨勢波形相近。路基內(nèi)壓強呈現(xiàn)D2＞A1＞D1＞A2＞B1＞B2＞C1＞C2，總體趨勢上為D＞A＞B＞C，波動幅度總體呈現(xiàn)為A＞B＞D＞C，其中，A2波動差0.099MPa，B1波動差0.093MPa，D2波動差0.04MPa，C1波動差0.019MPa。

圖2 壓力趨勢圖

路基內(nèi)壓強呈波浪形規(guī)律變化，這是由每日規(guī)律性變化因素引起的，這一因素基本可以鎖定為溫度。該地區(qū)每日氣溫的峰值出現(xiàn)在18:00左右，路基內(nèi)壓力波峰出現(xiàn)在9:00左右，是因為熱量在路基內(nèi)的傳播具有滯后性，隨著深度的增加，滯后時間增長，且能量逐漸減弱[6]。如果路基壓力的波動是監(jiān)測點位處溫度波動造成的，那么其波峰出現(xiàn)時間會各不相同，這與監(jiān)測實際相悖，說明隨著路基深度增加到一定值，溫度波動將減弱到無法影響路基內(nèi)部壓力。因此，路基內(nèi)壓強的波動是由大氣溫度引起路基表層一定厚度土質(zhì)膨脹收縮，脹縮力向路基內(nèi)部傳遞，導致路基內(nèi)壓強被動式變化。

由于力由外向內(nèi)傳導，上部的監(jiān)測點受外力的影響更大，表現(xiàn)為A、B監(jiān)測點的波動最大；當然，引起路基壓強變化的直接因素并不是外力，而是內(nèi)部空間的壓縮，因此監(jiān)測點所在層位的可壓縮性也是波動大小的關(guān)鍵因素，通過馮世進（2012）室內(nèi)強夯模型試驗[6]及商玉潔（2017）對黃土的擊實試驗[7]，發(fā)現(xiàn)擊實次數(shù)越多，傳遞到底部壓力傳感器的能力越多，C點在布設(shè)時下挖深度最淺，埋設(shè)區(qū)域土質(zhì)壓實度較好，可壓縮性較差，對應力的吸收較少，更多應力會向下傳遞，因此表現(xiàn)為C點波動最小。

3 結(jié)語

本文通過在路基不同深度埋設(shè)高分辨率土壓力感器，監(jiān)測了路基土壓強的日變化規(guī)律，得出結(jié)論如下：

1）路基內(nèi)壓強的波動，是由大氣溫度引起路基表層一定厚度土質(zhì)膨脹收縮，脹縮力向路基內(nèi)部傳遞導致的被動式變化。

2）波動的大小受力源距離影響，波動幅度排序整體呈現(xiàn)由上向下遞減趨勢；波動大小同時受監(jiān)測點原始壓實度影響，壓實度越好，對力的吸收性越差，極少用于自身壓縮，大多數(shù)傳導至下層，波動也就越小。

3）C點壓強最小的原因，可能是因為埋設(shè)時下挖較淺，在較大壓實能的沖擊下，土壓力盒與土的粘結(jié)力差，造成土與壓力盒分離出小空隙，使得壓力值減小。此觀點仍需要進一步驗證。