高速公路路基濕度場(chǎng)空間分布快速測(cè)試及評(píng)價(jià)方法研究

袁剛烈，車愛(ài)蘭

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

當(dāng)車輛荷載作用于路基時(shí)，路基內(nèi)部形成的應(yīng)力場(chǎng)改變了土體孔隙水壓力，導(dǎo)致土體中的水分遷移[1]。在大量循環(huán)荷載作用下，路基土體孔隙水壓力增大并累積，最終擠壓并泵送水沿著孔隙通道內(nèi)壁流動(dòng)，水分的遷移改變了土體含水率[2-3]。而路基表層的含水率對(duì)環(huán)境氣候因素較為敏感[4]，由于降水和水分蒸發(fā)的作用，壓實(shí)路基土出現(xiàn)干濕循環(huán)變化，路基的濕度場(chǎng)分布發(fā)生改變，從而影響了土體的結(jié)構(gòu)性及力學(xué)特性[5]。在冬季，當(dāng)路基溫度降到0℃以下時(shí)，表層土體水分形成冰晶，未凍結(jié)區(qū)的水分向凍結(jié)緣流動(dòng)加劇了凍結(jié)狀態(tài)；春季解凍時(shí)，最上層的冰晶融化，從而改變了路基的濕度場(chǎng)分布[6]。

高速公路在車輛荷載及凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等綜合作用下，路基土體的濕度場(chǎng)發(fā)生改變，土體抗剪強(qiáng)度降低，路基整體性能發(fā)生衰變，最終形成脫空、不均勻沉降等病害，影響道路的正常使用并且?guī)?lái)安全隱患[7-10]。同時(shí)，路基濕度場(chǎng)的改變也改變了路基內(nèi)部土體的導(dǎo)電性及彈性波在路基內(nèi)部的傳播特性。

目前，路基濕度場(chǎng)空間分布的檢測(cè)方法主要有干燥法、溫濕度傳感器法和電磁法[11-13]。針對(duì)路基濕度場(chǎng)的無(wú)損檢測(cè)，白哲[14]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值分析研究了路基土體的介電常數(shù)與含水率的相關(guān)性，并進(jìn)行了一系列驗(yàn)證試驗(yàn)；劉杰[15]采用探地雷達(dá)對(duì)路基進(jìn)行測(cè)試，并用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)路基含水率的變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。上述對(duì)路基濕度場(chǎng)的檢測(cè)主要是單點(diǎn)檢測(cè)，且難以進(jìn)行定量分析，不適用于高速公路路基的快速檢測(cè)。

振動(dòng)測(cè)試及電測(cè)量以其效率高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。WANG Jiabi[16]采用多通道瞬態(tài)面波法、高密度地震映像法、垂直反射法和彈性波透射層析法對(duì)水庫(kù)壩基塑性混凝土防滲墻質(zhì)量進(jìn)行綜合檢測(cè)；屈暢姿等[17]對(duì)比分析了正式運(yùn)營(yíng)前后動(dòng)響應(yīng)幅值沿線路縱向的分布規(guī)律和沿路基深度的衰減規(guī)律，分析振動(dòng)的峰值頻率、振動(dòng)能量的頻帶分布及沿深度衰減規(guī)律，得到路基綜合剛度對(duì)過(guò)渡段振動(dòng)特性的影響規(guī)律；陳康等[18]以某陶瓷廠空洞探測(cè)為例，采用高密度電法進(jìn)行勘探，結(jié)合三維可視化技術(shù)對(duì)空洞區(qū)域進(jìn)行測(cè)試及分析評(píng)價(jià)研究；K. NISHIDA等[19]結(jié)合數(shù)值分析和電法勘探新技術(shù)，提出了一種基于電法的非飽和滲流測(cè)量方法，該方法能夠快速測(cè)量地下水流的分布。

筆者開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)等比例路基模型試驗(yàn)，對(duì)路基土含水率與電參數(shù)、振動(dòng)衰減參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行研究，提出了一種結(jié)合振動(dòng)測(cè)試及電測(cè)量的高速公路路基濕度場(chǎng)空間分布快速測(cè)試及評(píng)價(jià)方法；結(jié)合溫濕度傳感器測(cè)試及高密度面波測(cè)試，驗(yàn)證了所提出的快速測(cè)試及評(píng)價(jià)方法的可行性。

1 高速公路路基濕度場(chǎng)快速測(cè)試系統(tǒng)及評(píng)價(jià)方法

1.1 快速測(cè)試系統(tǒng)

彈性波在路基土體內(nèi)部的傳播特性及土體的導(dǎo)電性均與土體的含水率有著較強(qiáng)的相關(guān)性。一方面，隨著含水率的增大，路基整體剛度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，剛度的減小減緩了路基內(nèi)動(dòng)應(yīng)力的衰減，但卻加速了振動(dòng)加速度的衰減[20]；另一方面，含水率的增大使得路基土體導(dǎo)電離子濃度增高，增強(qiáng)了土體導(dǎo)電性。

圖1為筆者設(shè)計(jì)的高速公路路基濕度場(chǎng)空間分布的快速測(cè)試系統(tǒng)(包括振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及電測(cè)量系統(tǒng))，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試快速確定路基濕度較高的路段，再結(jié)合電測(cè)量對(duì)該區(qū)段進(jìn)行濕度場(chǎng)空間分布對(duì)精細(xì)化評(píng)估，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括路基土體的電阻率、剪切波速度、彈性波振動(dòng)衰減率等指標(biāo)。

圖1 路基濕度場(chǎng)空間分布及快速測(cè)試系統(tǒng)

1.1.1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包含振動(dòng)傳感器、震源及數(shù)采裝置(數(shù)字地震儀及計(jì)算機(jī))。車輛在行駛過(guò)程中，車輪通過(guò)震源激勵(lì)在路基表面產(chǎn)生彈性波，由振動(dòng)傳感器來(lái)測(cè)試彈性波振幅A并進(jìn)行信號(hào)衰減規(guī)律分析。

路基表面震源激發(fā)振動(dòng)波時(shí)，振動(dòng)波以應(yīng)力波形式進(jìn)行傳播；隨著水平距離和深度的增加，波強(qiáng)逐漸減小，波陣面曲率半徑逐漸增加，最終趨近于平面，直至強(qiáng)度衰減至0。振動(dòng)衰減率a與土體的性質(zhì)和震源等多種因素有關(guān)，可用于評(píng)價(jià)路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化[21-22]。

1.1.2 電測(cè)量系統(tǒng)

電測(cè)量系統(tǒng)包含數(shù)采裝置(主機(jī)及升壓器)、電極和電纜。電測(cè)量原理如圖2。假設(shè)路基土層是均質(zhì)的，在路基表面布設(shè)電極，由主機(jī)輸入強(qiáng)度為I的直流電(用電流計(jì)測(cè)量)，通過(guò)一對(duì)導(dǎo)電電極P、Q在大地內(nèi)建立穩(wěn)定的電流場(chǎng)，用布置在電極間距LPQ內(nèi)的另外2個(gè)導(dǎo)電和非極化測(cè)量電極M、N測(cè)量電極間電位差ΔU(單位：mV)，電壓及電流信號(hào)通過(guò)電纜傳輸至主機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集和記錄。測(cè)量點(diǎn)(M和N之間的中點(diǎn))的視電阻率(Ω·m)為ρs=K·ΔU/I(K為電極排列系數(shù)；I為電流強(qiáng)度，mA)。通過(guò)增大電極間距，可測(cè)量不同空間位置的視電阻率ρs，最終形成一個(gè)倒梯形的視電阻率云圖，結(jié)合反演算法獲取路基的電阻率云圖。

圖2 電測(cè)量原理

2 等比例模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)路基模型

選取連接芷江及懷化地區(qū)的在建高速公路路基中的一段作為本次等比例模型設(shè)計(jì)的試驗(yàn)段，開(kāi)挖區(qū)域?qū)?3 m，長(zhǎng)30 m，開(kāi)挖深度4 m。測(cè)試區(qū)域8 m × 8 m，在深度3 m處布設(shè)傳感器及注水管網(wǎng)，如圖3。根據(jù)JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》，確定路基模型壓實(shí)度K=93%。設(shè)計(jì)路基模型寬25.5 m，高8.0 m。地質(zhì)勘查資料顯示，該路段路基填土為粉質(zhì)黏土及少量碎石土的混合土。

圖3 試驗(yàn)路基模型

2.2 注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)由儲(chǔ)水車、水泵、連接管、注水管網(wǎng)和多個(gè)溫濕度傳感器組成。

2.2.1 注水管網(wǎng)布置

注水管直徑為60 mm，管壁上鉆了幾排直徑為10 mm、間距為300 mm的圓孔，注水管均勻布置，埋深分別為0.9、2.0和3.0 m，如圖4。

圖4 注水管網(wǎng)布置

2.2.2 傳感器布置

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基含水率ω的變化，在試驗(yàn)區(qū)中心沿y方向不同深度埋設(shè)28個(gè)溫濕度傳感器，埋深分別為0.2、0.5、1.3、1.7、2.5、4.0 m，如圖5。

圖5 溫濕度傳感器布置(單位：m)

2.3 測(cè)線布置

快速測(cè)試包括振動(dòng)測(cè)試及電測(cè)量，分別得到路基各深度點(diǎn)的彈性波振幅A及視電阻率ρs等指標(biāo)，將高密度面波測(cè)試作為對(duì)比試驗(yàn)，得到剪切波速度V。

振動(dòng)測(cè)試的測(cè)線位于試驗(yàn)區(qū)域路基邊坡處，地表面上共布設(shè)12個(gè)間距為1 m的檢波器，以采集車輛荷載通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)，其中：12 # 檢波器位于路肩(深度為0 m)，1 # 檢波器位于坡腳處(深度為-8.0 m)，可測(cè)試路基不同深度出的彈性波振幅，如圖6(a)。

圖6 測(cè)線布置(單位：m)

電測(cè)量共鋪設(shè)了3條測(cè)線，如圖6(b)，測(cè)線1、測(cè)線3位于模型兩側(cè)，測(cè)線2位于模型中心線位置；測(cè)線長(zhǎng)30 m，其中8 m位于測(cè)試區(qū)域內(nèi)；測(cè)線間距3 m；每條測(cè)線每隔0.5 m均勻布置電極，共布設(shè)60個(gè)電極，可測(cè)試路基試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的視電阻率ρs。3條高密度面波測(cè)試測(cè)線鋪設(shè)的位置同電測(cè)量的，測(cè)線長(zhǎng)28.5 m；共設(shè)置18個(gè)檢波器，檢波器間距0.5 m；采用單邊激發(fā)，偏移距為2、4 m。每次激發(fā)完畢檢波器整體向前移動(dòng)5 m，繼續(xù)下一次激發(fā)，直至整條測(cè)線測(cè)試完畢，可測(cè)試路基試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的剪切波速度V。

2.4 試驗(yàn)操作

2.4.1 3種含水率路基模型制備

首先取試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)路基土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，得到含水率17%，即為路基模型Ⅰ的設(shè)計(jì)含水率ωⅠ。

另設(shè)計(jì)了2個(gè)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；在注水的同時(shí)記錄溫濕度傳感器的含水率讀數(shù)，當(dāng)溫濕度傳感器讀數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)停止注水；每次注水結(jié)束后，將路基模型靜置3天，使水分充分滲透以確保路基模型的含水率整體均勻，最終得到注水后路基模型Ⅱ、Ⅲ，設(shè)計(jì)含水率分別為ωⅡ=19%、ωⅢ=20%。

2.4.2 快速測(cè)試

直接對(duì)測(cè)試過(guò)含水率的路基模型A進(jìn)行快速測(cè)試及對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)；而對(duì)注水路基模型B、C，則在靜置3天后進(jìn)行快速測(cè)試及對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

3.1 路基振動(dòng)特性分析

3.1.1 彈性波波形

空載汽車以30 km/h的速度分別行駛在3種含水率的路基上時(shí)，1 # 檢波器(坡腳位置)及12 # 檢波器(路肩位置)采集到的路基振動(dòng)波數(shù)據(jù)如圖7。圖中，以進(jìn)入30 m開(kāi)挖區(qū)域?yàn)橛涗浧鹗键c(diǎn)，數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)為20 s。由圖7可見(jiàn)：

1)當(dāng)時(shí)間達(dá)到3 s時(shí)，車輛行駛至測(cè)線位置，坡腳及路肩彈性波振幅A達(dá)到最大值，隨著車輛荷載的遠(yuǎn)離，振幅A呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

2)當(dāng)路基含水率分別為17%、19%時(shí)，振幅A變化不大，當(dāng)含水率為20%時(shí)，振幅A明顯減小。表明含水率20%為臨界含水率，路基土含水率大于此值后，路基的彈性波振幅明顯減小。

3.1.2 路基振動(dòng)特性

提取路基模型不同深度h彈性波振幅的最大值A(chǔ)max，獲得3種路基模型在不同深度處的彈性波振幅最大值變化曲線，如圖8。

圖8 路基不同深度處彈性波振幅最大值A(chǔ)max

由圖8可見(jiàn)，路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彈性波振幅最大值A(chǔ)max：在坡肩處(h= 0)，分別為115、91、65 m/s，在坡腳處(h=-8 m)，分別為105、63、50 m/s，均隨著路基土含水率的增大而呈衰減變化。

3.2 路基電阻率分布

由于研究區(qū)域土體不均勻，模型表現(xiàn)出局部不均勻性。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)反演，將測(cè)試所得的視電阻率值ρs換算成電阻率值ρ，從而得到3種路基模型測(cè)線3在研究區(qū)域一定深度h內(nèi)的電阻率云圖，如圖9。

圖9 測(cè)線3電阻率云圖

由圖9可見(jiàn)，電阻率ρ離散較大。分析原因：一方面，在路基模型制作過(guò)程中，路基土體不可避免存在大粒徑顆粒，同時(shí)顆粒之間存在較大空隙，導(dǎo)致電阻率測(cè)值偏大；另一方面，在注水后，路基內(nèi)部含水率分布不均勻，局部區(qū)域形成水泡，含水率達(dá)到飽和，導(dǎo)致電阻率測(cè)值偏小。

將圖9的電阻率ρ進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，得到對(duì)數(shù)電阻率lgρ的概率密度f(wàn)分布，如圖10。

圖10 lg ρ的高斯分布

由圖10可見(jiàn)，lgρ近似呈正態(tài)分布。因此，可按高斯分布規(guī)律進(jìn)行處理。

首先，剔除概率密度小于5%的電阻率數(shù)據(jù)，消除由粗顆粒材料和大孔隙間水分引起的高電阻率和低電阻率的影響；然后，對(duì)剔除的異常點(diǎn)數(shù)據(jù)采用相鄰點(diǎn)的Kriging插值方法進(jìn)行插值，剔除異常數(shù)據(jù)，從而得到3種路基模型經(jīng)高斯分布規(guī)律處理后的電阻率(ρ′)云圖，如圖11。

圖11 經(jīng)高斯分布處理后測(cè)線3電阻率ρ′云圖

由圖11可見(jiàn)，經(jīng)高斯處理剔除異常點(diǎn)后，路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的測(cè)線3的電阻率ρ′范圍及其平均值如表1。

表1 高斯分布處理后測(cè)線3的電阻率ρ′

4 高速公路路基濕度場(chǎng)空間分布評(píng)價(jià)

4.1 基于振動(dòng)測(cè)試的路基振動(dòng)特性評(píng)價(jià)

根據(jù)路肩處與坡腳處的彈性波振幅來(lái)計(jì)算路基土體彈性波的衰減率a。圖12為分別用高密度面波測(cè)試及振動(dòng)測(cè)試測(cè)得的路基土剪切波速度Vshear及彈性波振幅衰減率a的變化趨勢(shì)。

從圖12可以看出，

圖12 路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的振動(dòng)衰減率及剪切波速度

1)隨著路基模型含水率ω的增大，土體的Vshear逐漸減小。

2)當(dāng)ω< 19%時(shí)，隨著ω的增大，土體的a逐漸增大；當(dāng)ω> 19%時(shí)，隨著ω的增大，a則呈現(xiàn)減小變化趨勢(shì)。

上述研究結(jié)果表明，路基振動(dòng)衰減特性能夠在一定程度上映射路基土含水率的變化。因此，可采用振動(dòng)測(cè)試來(lái)快速評(píng)價(jià)高速公路路基濕度場(chǎng)的分布。

4.2 基于電測(cè)量的路基濕度場(chǎng)空間分布評(píng)價(jià)

土體電阻率與土體含水率呈指數(shù)關(guān)系[23]?；诖?，筆者根據(jù)土性選取相關(guān)系數(shù)，將電測(cè)量方法測(cè)得的電阻率ρ′值換算成含水率ωρ，如圖13(a)；用Kriging插值法對(duì)由溫濕度傳感器測(cè)量得到的含水率進(jìn)行分析，將點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成面數(shù)據(jù)，生成二維含水率ωsensor云圖，如圖13(b)，用于與電測(cè)量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

圖13 電測(cè)量及溫濕度傳感器測(cè)量得到的換算含水率云圖

對(duì)圖13進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2，表中同時(shí)列出了溫濕度傳感器與電測(cè)量所得含水率平均值的相對(duì)誤差絕對(duì)值。圖14為根據(jù)表2繪制的含水率概率密度f(wàn)正太分布。

表2 電測(cè)量及溫濕度傳感器測(cè)量得到的路基含水率

圖14 含水率概率密度正太分布

由表2、圖14可以看出：

1)電測(cè)量和溫濕度傳感器測(cè)量2種方法得到的含水率均呈增長(zhǎng)變化趨勢(shì)，峰值向含水率高的區(qū)間內(nèi)偏移；溫濕度傳感器測(cè)量得到的含水率均被包含在電測(cè)量得到的含水率范圍內(nèi)。

2)路基模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，電測(cè)量與溫濕度傳感器測(cè)量得到的結(jié)果變化趨勢(shì)一致，且誤差均在合理區(qū)間內(nèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高速公路路基在復(fù)雜荷載作用下所呈現(xiàn)的濕度場(chǎng)空間分布及變化問(wèn)題，確定了振動(dòng)量及電阻率作為高速公路路基濕度場(chǎng)相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了快速測(cè)試系統(tǒng)。選取粉質(zhì)黏土與少量碎石土的混合土路基開(kāi)展等比例模型試驗(yàn)，提出一種結(jié)合振動(dòng)測(cè)試及電測(cè)量等的路基濕度場(chǎng)空間分布的快速檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法，得到以下結(jié)論：

1)彈性波振幅A隨著路基土體深度的增加及路基土含水率的升高呈現(xiàn)衰減變化趨勢(shì)；彈性波振動(dòng)衰減率a隨著路基土含水率的升高呈現(xiàn)增大變化趨勢(shì)；剪切波速度隨著路基土含水率的升高而減小。研究表明：采用振動(dòng)測(cè)試能夠快速評(píng)價(jià)路基濕度場(chǎng)的變化。

2)由電測(cè)量測(cè)得的電阻率，經(jīng)反演、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)及高斯分布規(guī)律處理后，再根據(jù)相關(guān)電阻率-含水率關(guān)系模型，換算得到的路基模型含水率ωρ，與由溫濕度傳感器測(cè)得、并經(jīng)Kriging插值法處理?yè)Q算得到的路基模型含水率ωsensor進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者平均值的相對(duì)誤差絕對(duì)值在1% ～ 3%之間，表明電測(cè)量方法能夠較好地評(píng)價(jià)路基濕度場(chǎng)的空間分布。