广州地区公路路基含水率季节性变化规律的现场试验研究*

徐国元，杨 俭，林立新，黄 灏

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640； 2. 广东省路桥规划研究中心，广东 广州 510635)

广州地区公路路基含水率季节性变化规律的现场试验研究*

徐国元1，杨 俭1，林立新2，黄 灏2

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640； 2. 广东省路桥规划研究中心，广东 广州 510635)

为了研究广州地区公路路基含水率的季节性变化规律，并提出合理的路基含水率变化模型，选取广州北二环高速公路的一段填方路基，采用埋设水分传感器的方式，对不同深度路基体积含水率进行了为期1年的现场实测。结果表明：广州地区降雨主要集中在4—10月份；路基体积含水率峰值在5—8月份，均超过0.33 m3/m3，随降雨量变化呈现出波动状态；不同深度路基体积含水率变异系数最大值均出现在5—7月份的雨季，且主要集中在路床部分；路基内部体积含水率随时间呈现出周期性变化规律，回归分析表明月平均体积含水率变化规律与月份具有良好的正弦函数关系，且其变化幅度与路基深度之间的关系能用指数函数来表征。

道路工程；路基含水率；现场测试；降雨量；变异系数

0 引 言

路基作为路面的基础，路基的质量(强度和稳定性)直接影响路面的使用，若路基承载能力不足，路基会出现永久变形，从而会导致路面出现各类病害，如沉陷、车辙等[1]。路基承载力可以用路基回弹模量来表征，而它与路基湿度存在较大关系[2-3]。大量试验和研究表明，路基土含水率变化对非饱和土力学性质(包括抗剪强度、弹性模量、渗透性等)影响较大，而路基土属于非饱和土，故会导致路基力学性能发生改变[4]。影响路基湿度有诸多因素，而降雨对其影响最为常见和显著；广东省地处亚热带季风气候区，常年高温多雨，5—10月份降雨量大，地下水位较高，温度较高，蒸发剧烈，从而导致路基内部含水量变化显著。因此研究运营期间的公路路基湿度变化情况，对提高该地区公路排水设计和改善养护维修相应措施，都具有重要意义。

目前，国内外学者通过现场监测、室内试验、数值模拟等方式对路基湿度变化规律进行了诸多研究。其中，阙云等[5]通过埋设雨量传感器和路基土水分传感器进行了为期1年的湿度场实时监测，研究了多雨地区路基湿度随气候季节性的变化规律，建议在最佳含水率湿侧2%附近进行压实；J.KODIKARA等[6]利用中子探测器进行2年实地监测，构建了路基土体积含水量与中子计数之间的关系；G.CALAMITA 等[7]，采用多频电磁感应传感器，对土壤含水率进行监测，建立了导电率与土体含水率之间关系；柳志军[8]采用数值模拟和室内试验方式，探讨了降雨条件下地下水位高度、初始含水率、压实方式等因素对路基含水率的影响；高志伟等[9]采用现场监测方法，对新疆地区公路路基含水量年变化规律进行研究。但是大多数研究只能判断降雨条件下路基湿度场短期变化，考虑到运营中公路路基湿度较难展开长期实测，因而对公路路基湿度季节性变化规律的研究较少；同时因不同地区的气候条件差异性较大，公路路基含水率真实变化情况不同，因而有必要研究广州地区公路路基含水率变化模型，为该地区路基湿度提供预测方法。

1 试验监测路段和传感器布设

本次现场试验路段选在2001年10月26日建成通车的广州北二环高速公路西行线，测试断面为具有一级边坡的路堤，路基高度约为10 m，因填方路基高度较大，且地下水位约在地面以下1 m处，故路基上部土体含水率受地下水位变化影响较小；路基填料为砂质黏土，其最佳含水率为13.8%，对应的最大干密度为1.95 g/cm3。其行车道和硬路肩结构形式均为：4 cm厚AC-13上面层+5 cm厚AC-16中面层+6cm厚AC-25下面层；基层和底基层均为水泥稳定碎石，厚度分别为20 cm和30 cm；垫层采用级配碎石，厚度15 cm。由于高速公路交通量较大，为了保证施工安全和行车方便，传感器均埋设在硬路肩范围内，传感器布设如图1，分别在1#(距路基顶面0.3 m)、2#(0.9 m)、3#(1.5 m)3个位置埋设TRD(如图2)。

图1 传感器布设方法(单位：mm)Fig.1 Sensor placement method

水分传感器埋设方式为：采用xy-100小型钻机钻孔施工，当钻孔深度达到设计标高时，清除孔内残余积水与沉渣，然后插入TDR-3水分传感器，使传感器探针与土体紧密接触，采用与原有路基填土相同的土体回填捣实。导线采用在路面开槽的方式引至护栏外，为防止导线损坏，采用柔性塑料管包裹，开槽采用沥青混合料回填，恢复道路原有结构如图3。

图3 传感器埋设现场施工Fig.3 Construction drawings of sensor embedment site

2 监测结果和分析

2.1 降雨资料分析

表1为试验路段所在地2015年降雨量情况，从表1可知，该地区年降雨量达到2 000 mm；1—3月份降雨量较少，均未达到100 mm；4—10月份为降雨集中期，均达到100 mm以上，约达到全年降雨总量的87%，且5月份降雨量最大，达到753 mm；11—12月份降雨量偏低。

表1 2015年月降雨量统计Table 1 Monthly average rainfall statistics of 2015

2.2 监测数据分析

2.2.1 路基湿度的时序变化情况

路基湿度是随时间连续变化的过程，又受降雨、温度等因素影响程度不同，不同深度路基湿度出现差异性变化，即不同深度的含水率变化程度不同。将实地监测结果整理分析，图4为路基内部不同深度位置的体积含水率变化情况和日降雨情况，从图中可以看出，1#、2#、3#位置处的体积含水率随时间变化的规律具有相似性，除了个别时间段三者相关性较小外，整体而言其相关性显著；同时为了更加直观地反映路基湿度随时间变化过程，用体积含水率增量-时间曲线图表示，如图5。

图4 路基体积含水率和降雨量随时间变化关系Fig.4 Variation relation of volumetric moisture contentof subgrade and rainfall changing with the time

图5 不同深度路基体积含水率相对变化率Fig.5 The relative change rate of volumetric moisture contentof subgrade with different depth

图5表明，4月份期间，路基不同深度体积含水率处于稳定状态，变化程度均小于5%，因为该期间降雨量较小，说明受路面覆盖效应影响，降雨量较小时，雨水渗透深度较浅，对路基湿度影响较小；5—6月期间，随着降雨量的增加，路基湿度出现大幅度增加，增量均达到20%，且1#位置处土体含水率最先出现变化，然后是2#位置，最慢是3#位置，说明降雨量达到一定程度后，对路基湿度影响显著，且雨水渗透是土体水分随空间变化的时序过程；7—10月期间，降雨量仍然较大，但路基湿度呈现较小的波动，未出现大幅度增加，说明在连续降雨后，路基湿度逐渐趋近饱和状态；10月份之后，路基湿度随着降雨量的减少而下降，达到稳定状态。

综上所述，该地区的降雨期与路基湿度峰值存在一致性，均集中在5—8月份。因此，该地区新建公路进行路基设计时，需考虑的最不利季节为5—8月份。

1.1 一般资料 我院有内科、外科和门急诊等22个临床科室，开放床位628张，护理人员441名。职称:副主任护师4名，主管护师84名，护师177名，护士176名;学历:本科48名，大专219名，中专174名。

2.2.2 路基湿度的离散分析

表2为1#、2#、3#位置处的土体月平均含水率和变异特征，从表2可以看出，不同深度的路基土体积含水率变异系数最大值从大到小分别为0.3、0.9、1.5 m；其中0.3 m处变异系数最大值发生在5月份，0.9 m处变异系数最大值发生在6月份，0.9 m处变异系数最大值发生在7月份，且5—10月份，不同深度处变异系数均超过1%；除4月份外，其余月份的变异系数最大值均发生在1#或者2#处，说明路床土体受雨水渗流影响较显著。同时，1#、2#、3#位置处月平均体积含水率最大值发生时间分别为6月、7月、8月，而5月份降雨量最大，说明降雨对路基湿度影响存在滞后性；且在6—10月份体积含水率均较大，均超过0.33 m3/m3。由此可知，降雨后水分一方面在蒸腾作用下向外迁移，另一方面在重力作用下缓慢向下渗透，故而改变了路基内部的湿度状况。

表2 路基土体积含水率统计特征Table 2 Statistical characteristics of volumetric moisture content of subgrade

2.2.3 路基湿度的季节性变化规律

为了方便分析路基湿度场的季节性变化规律，将实地监测数据分12个月进行统计，如图6。观察图6，可知不同深度路基体积含水率随着气候条件季节性变化而呈现周期性变化规律。为了分析路基体积含水率的季节性变化规律，将1#位置体积含水率随月份变化曲线看作为1个周期为12个月的正弦函数，经过非线性回归分析，得到路基体积含水率随月份变化的回归曲线(图7(a)中虚线)，其关系式如下：

(1)

式中：θ为体积含水率；t为月份。

图6 不同深度路基体积含水率随月份变化曲线Fig.6 Variation curves of volumetric moisture content ofsubgrade with different depths changing with the month

图7 不同深度路基体积含水率随月份变化回归曲线Fig.7 Regression curves of volumetric moisture content of subgrade with different depths changing with the month

其R2=0.773，表明相关性较好，回归曲线较好地表征了路基体积含水率随月份变化规律符合周期为1年的正弦函数。类似地，2#、3#位置体积含水率随月份变化的回归曲线(分别为图7(b)、图7(c)中虚线)，其关系式分别如式(2)、式(3)：

(2)

(3)

其R2分别为0.872、0.847，表明回归曲线能很好地预测路基2#、3#位置深度的体积含水率变化规律。

图8 体积含水率变化幅度随路基深度变化曲线Fig.8 The variation curve of volumetric watercontent changing with the depth of roadbed

根据图7和式(1)～式(3)可知，路基的平均体积含水率为0.334 m3/m3。但路基体积含水率存在不同幅度变化，与路基深度有关，如图8。通过分析表明，它可以用指数函数进行描述，如式(4)：

θα=0.046 e-0.159az

(4)

式中：θα为体积含水率变化幅度；z为路基深度。

从式(4)可以看出，θα与z存在反比关系，表明路基体积含水率变化大多数发生在路基浅层，随着路基深度的增加而减少。最大变化发生在路基表面(即z=0)，其值为θα,max=0.046 m3/m3。由此可知季节性变化将在平均值的7%范围内。

基于前面的分析结果，路基不同深度的体积含水率可以解释为式(5)

(5)

式中：z为路基深度；t为月份。

为了验证该模型的精度，将预测的不同深度体积含水率与实测数据进行比较，如图9。从图中可以看出，该模型提供的预测值大部分在实测值的95%范围内。因此，该模型精度较高，其表征的路基体积含水率随时间变化规律可以给同地区相同土质的路基含水率预测作为参考。

图9 预测体积含水率与实测数据对比Fig.9 Comparison of the predicted volumetricwater content and the measured data

3 结 论

1) 不同深度路基湿度因受降雨影响程度不同，其变化程度存在差异性，但整体而言，不同深度路基湿度变化规律具有相似性，且路基土湿度峰值和降雨期存在一致性，主要出现在5—8月份，均超过0.33 m3/m3。故该地区新建公路进行路基路面设计时，其最不利季节应为每年的5—8月份。

2) 路基湿度变化与降雨相关性显著，路基土体积含水率随降雨量大小而波动，路基湿度变异系数最大值随路基深度增加而减少，主要集中在5—7月份，均超过1%，且路床土体湿度对雨水敏感性较强。故广东地区的新建公路需加强对路床位置的排水设计；运营公路在5—7月份需重视路面和边坡排水系统的养护维修。

3) 该地区路基内部体积含水率随气候季节性变化而呈现周期性变化规律。通过回归分析，月平均体积含水率变化规律可以看作周期为12个月的正弦函数，且其变化幅度与路基深度之间的关系可以用指数函数来表征，故这种季节性变化规律对于同地区具有很好的参考价值，对该地区公路改进养护维修措施提供了较好地依据。

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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

国家自然科学基金项目(51078151)； 广东省公路管理局行业支撑性科研课题(2014-6)

徐国元(1964—)，男，广东广州人，教授，博士生导师，主要从事路基工程方面的教学与科研工作。 E-mail: gyxu@scut.edu.cn。

杨 俭(1991—)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事道路工程与岩土工程方面的研究工作。E-mail:2419852745@qq.com。

U416

A

1674-0696(2017)12-047-06

朱汉容)