路面覆盖效应响下的路基湿度及温度分布特性*

冉武平 李 玲

(新疆大学建筑工程学院 乌鲁木齐 830047)

路面覆盖效应响下的路基湿度及温度分布特性*

冉武平 李 玲

(新疆大学建筑工程学院 乌鲁木齐 830047)

以非饱和土力学理论、流体力学理论和热力学理论为基础，分析非饱和土路基水汽迁移机理；通过在强蒸发地区现场调研和路基内部埋设温湿度传感器对路基不同深度处的温湿度监测，探讨了该地区在路面覆盖效应影响下的路基湿度和温度分布特性.结果表明，水汽迁移主要是以气态形式运动，主要受湿度梯度和温度梯度的影响；受路面覆盖效应的影响，路基内部温度和湿度分布随路基深度而不同：路基温度会增加，越靠路基顶面，增加度越大.温度梯度由上至下逐渐变大，温度波动由上至下逐渐变小.强蒸发地区路基湿度主要受水汽迁移影响.受路面覆盖效应、路基温度场和重力场共同影响下，在30～90 cm范围路基湿度最大，且路基湿度梯度也最大，湿度波动受温度影响显著.

路面覆盖效应；水汽迁移；温度分布；湿度分布

0 引 言

路基作为道路结构的支撑体系，其性能不但受行车荷载的影响，更是受到自然因素尤其是水和温度的影响，由此使得路基回弹模量衰减以及过量的永久变形[1-2]，并最终导致路面结构也出现车辙、沉陷、开裂等一系列严重影路面长期性能(long term pavement performance，LTPP)的病害.而对于新疆乃至整个西北地区，蒸发剧烈，昼夜和季节性温差都较大，使得路表和环境形成强烈的热能交换，这就形成了显著的路面覆盖效应.在覆盖效应影响下，路基内部的湿度和温度时空分布特性会直接影响到路基水汽迁移，从而严重影响到路基的工作状态和性能变化.因而掌握路基在实际运营过程中的温湿状态是公路结构设计和运营维护的基础任务之一[3].目前关于路基温度分布特性的研究主要是通过相关室内试验、数值模拟、理论分析等手段，集中于冻土地区温度场，以及由此引起的路基变形等问题的研究[4-8].而路基湿度方面的研究，则通过现场检测、室内模拟实验以及数值模拟等方法展开研究[9-12].

综上所述，外界环境的诸多因素将对非饱和路基土的温度和湿度状态产生影响，并最终导致路基工作状态产生变化[13]，而对受路面覆盖效应影响的路基平衡湿度及其温度时空分布特征的研究较少.且在现有的规范中也仅是提到路面覆盖对入渗的影响，并没有正真考虑到覆盖效应对路基工作状态影响.鉴于此，全面了解和把握路面覆盖效应影响的路基湿度和温度分布特性，对于研究和把控路基水汽迁移规律，限制路基永久变形，确保路基具有足够强度、稳定性和耐久性具有非常重要的意义.

1 路基温湿度监测方案

本次实验通过温湿度计全面监测道路中心下方路基和路肩下方路基的温湿度.而监测对象主要是新疆地区道路里程数最长和分布最广的国省道二级公路.

1.1 监测路段路基填料

按照试验计划，并现场取样取样，按照规范进行相关土性参数试验：最佳含水量5.1%；最大干密度2.28 g/cm3；通过筛分试验，具体颗粒组成情况见表1.由试验结果可知，该土样为粗粒土.

表1 筛分试验

1.2 湿度标定

由现场取样试验结果可知，路基填料为粗粒土，因而填料的保湿状况较细粒土差.为了提高实验数据的精确性，以现场土样对湿度传感器重新标定，并对相关参数进行调整，确保试验过程中数据采集和检测的精度.

1.3 试验段平面布置及传感器埋设

图1 温湿度传感器布设

考虑到在路基工作区内的工作状态对道路整体性能影响最显著，因而温湿度监测主要是半刚性基层下0～180 cm路基深度.在路基中央每30 cm间隔埋设6个温湿度传感器，路肩处每隔60 cm埋设3个温湿度传感器，路肩处的传感器用作有无路面覆盖效应的对比试验.所有数据采集1次/h.具体布设见图1.垂直向下开挖100 cm×100 cm大小的探坑，开挖深度在220 cm左右，横穿线缆从半刚性基层底部穿过，用钢套管做横穿.

2 路基水汽迁移理论

受路面覆盖效应影响的路基内部水汽扩散是与温度梯度和湿度梯度有关的过程，且路基内部的温度和水汽浓度随着外界的温度变化而发生变化，尤其是外界气候变化剧烈时，路基内的水温状况变化更为明显，因而水汽扩散是非稳态的过程.根据Fick第二定律，在非稳态扩散过程中，扩散通量为

(1)

式中：C为蒸汽的质量浓度，kg/m3；t为扩散时间，s；D是扩散系数,一般认为是常数.

(2)

(3)

式中:MVW、VVW分别为土中水汽的质量和体积；S为土体饱和度；n为孔隙率.

将式(3)代入式(1)可得：

(4)

将式(2)代入式(4)可得

(5)

根据孔隙水的蒸汽压和热动力学的关系式，非饱和土的吸力

(6)

将式(5)代入式(6)可得

(7)

由此可见，路基内水汽迁移主要受土的吸力和温度影响.气态水迁移是温度不均匀和湿度不均匀分布单独或共同作用的表现形式.

3 实验结果分析

考虑到吐鲁番地区具有新疆东疆典型的高温干旱日温差大等气候特点，本现场试验路段选定为吐鲁番地区托克逊县S301K39+ 800处.该试验段处无影响日照与空气流动的植被与建筑物，温湿度监测时间为2014年8月1日～10月18日共计79 d，气温高低温分布见图2.

图2 托克逊地区气温分布图

3.1 气温分布特点

由图3可知，该地区气温日最高气温与日最

低气温下差较大，其温差为高温的40%～60%，最大温差几乎为最高温的80%左右.而在监测阶段，该地区最高气温为41 ℃，大多数高温在35 ℃以上，同时在监测的79 d时间内，共有2 d为小雨天气，其余均未有降雨.这充分说明该地区夏季气温高，昼夜温差大，降雨量小，蒸发量大，气候干燥.

3.2 覆盖效应下的温度特性分析

由上述理论分析可知，温度对于路基水汽运动起到至关重要的控制作用.同时气候特点成为形成典型的路面覆盖效应的必备条件.通过现场温度监测统计，半刚性基层底面以下180 cm范围内路基温度分布见图3.

由图3可知：

1) 路基内的温度随大气温度波动程度随路基深度逐渐减弱，且温度波动的波峰和波谷沿深度也出现明显的滞后现象.

图3 路基温度分布图

2) 从温度随气温波动趋势来看，受路面覆盖效应影响的路基温度分布呈现出3种状态：在半刚性基层下0～90 cm范围内，路基内部温度随外界大气产生变化产生剧烈波动，可称为温度波动带；而对于半刚性基层下90～150 cm范围内路基，其内部温度随外界大气温度轻微波动称之为温度起伏带；而对于150 cm以下路基，其内部温度变化趋势非常小，几乎没有波动，总体温度仍有升降变化趋势，但其变化幅度非常的平稳，称为温度稳定带.

3) 就温度梯度变化趋势来看，由上至下路基内部随气温变化幅度随外界气温在不断减小，但是其温度梯在不断增加，其变化程度大致也可划分为3级.第一级为半刚性基层下0～60 cm范围内，温度梯度最小；第二级为在60～120 cm范围内，温度梯度约为第一级的2倍；第三级为在120～180 cm范围内，温度梯度约为第二级的2倍.同时温度梯度还受外界气候因素影响；当外界温度急剧变化时温度梯度会减小.

4) 路中心与路肩处路基内部温度对比分析可知：在相同深度处，受覆盖效应影响的路基内部温度高于未覆盖处的路基温度；在监测范围内，随深度变大，二者的差距越显著.这也足以说明，在覆盖效应影响下路基内部的温度场分布受到了影响，这也是覆盖效应改变路基内部湿度场的原因所在.

3.3 路面覆盖效应下的路基湿度分布

路基湿度对路基整体强度、耐久性影响极为显著，不同的湿度分布状态表明路基不同的工作状态，也就对路基的性能有了初步的判断.通过现场对路基湿度监测和统计，绘制图4～5.

图4 路面覆盖下的路基湿度分布

图5 覆盖和未覆盖影响下的路基湿度

由图4～5分析可知：

1) 路基湿度分布很不均衡，从平均湿度分布来看，半刚性基层下60 cm处的湿度最大，其次分别是30，90，120，150和180 cm处.越靠近路基顶面，湿度波动也就愈显著，这说明非饱和路基内部填料处于周期性的干湿循环状态，这也是路基强度衰变的原因之一.

2) 从不同深度的湿度分布特性来看，总体有湿度先增加后减小分布趋势；且湿度分布的峰值在半刚性基层下60 cm处最大，而峰值出现的最早和变化幅度最显著的则属半刚性基层下30 cm处.这主要是由于温度场分布特性所影响.而从温度梯度分布特性来看，越靠路基底部，温度梯度越大，因而水汽由底向上蒸发现象就越剧烈；由温度分布可知，随着气温升高，路基越靠上部，温度受大气影响越显著，温度也越高；在较昼夜温差影响下，夜间温度下降造成路基上部水汽凝固，湿度不断增加.随着气温降低路基上部温度也随之降低，水汽迁移逐渐减弱，因而湿度开始逐渐下降.而路基底部150 cm以下温度比较稳定，地下水位比较深，因而湿度变化也比较小.而路基内部30～90 cm范围湿度最大，这主要是在路面覆盖效应影响下，半刚性层的隔断作用，水汽逐渐积聚在路基顶部，由于粒类土的保水性较差，在重力作用下又逐渐向下重力迁移；从而导致该范围内湿度最大.

3) 由图5对路中心和路肩相同深度处的路基湿度对比分析可知：覆盖效应影响下的路基湿度高于未覆盖处的路基湿度；而且这种差值随距路基顶面越近就越显著.这也充分说明路面覆盖效应对路基内部湿度分布的影响.路肩处距路基内部的湿度在一定范围内呈逐渐减小的趋势，且距路表越近，趋势越显著，这再次说明温度影响下的路基内部水汽迁移主要呈气态的形式运动.

4) 由于地下水位比较深，水汽迁移基本可以认为是受温度梯度和湿度梯度的影响下的气态扩散.

4 结 论

由于显著的覆盖效应，对路基内部的温度场和湿度场产生了影响，致使其内部的湿度和温度分布比较特殊，具体如下.

1) 气态水迁移是温度不均匀和湿度不均匀分布单独或共同作用的表现形式.

2) 在不同深度处路基内部温度随外界大气波动程度不同，大致可分为3个不同程度的温度波动带.而且温度梯度沿路基深度分布也不尽相同，大致分为3级，越靠近路基顶面温度梯度越小，越向下温度梯度越显著.

3) 路面覆盖效应影响下的路基内部温度高于未覆盖处路基内部温度，且温差距路基顶面越近越显著，路基内部不断处于干湿循环的状态.

4) 路基的含水状态一方面与土质状态包括颗粒组成和密实状态有关，另一方面与温度状态有关.粒类土受路面覆盖效应影响的水汽迁移和重力迁移影响下路基在30～90 cm范围内湿度最大，其下湿度逐渐趋于稳定.

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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

*国家自然科学基金项目(批准号：51368058)、道路与交通工程教育部重点实验室开放课题(批准号：K201309)资助

U416.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.012

冉武平(1977- )：男，博士生，副教授，主要研究领域为道路与机场工程