高速公路路基结构及病害状态监测评估方法研究

■ 成都华川公路建设集团有限公司 王清平

基础设施是经济社会发展的重要支撑。目前，我国交通基础设施建设取得举世瞩目的成就，已建成全球最大的高速铁路网、高速公路网。其中，高速公路建设方面也取得了重大突破，特别是在高等级沥青混凝土路面的建设过程中有了针对路基路面的病害检测技术。有针对性地结合我国高速公路路基路面的具体情况，掌握与之相对应的高等级公路病害的合理检测技术，并进行有效选择，对于高速公路路基路面早期病害的成因可以进行更精准地把握，同时以诊断结果为基础进行相对应地治理，这对于我国高速公路平稳有序运行有着至关重要的作用。路基土壤的有效控制、安全稳定是道路工程结构安全的基础。传统方法主要针对路面及较浅区域，对路基内部出现的病害及发育情况难以进行精准监测。本文在查阅文献的基础上，总结分析路基巷道常见结构病害、成因及状况，基于电气测量四极法房间的实验结果，开发一种用于快速测试房间土壤物理参数和含水量的设备，提出高速公路路基结构及病害状态监测评估方法；基于土壤水分和压实程度的电阻率和极化率计算公式，对电气测量进行研究和验证，并建立路基土壤水分、压实率和电气参数之间的关系，以论证其可行性。

1.路基结构变形分析

1.1 高速公路路基长期服役性能机理分析

对公路路基变形规律进行探析，需要对出现路基结构变形的公路部分进行检测和结构建模。现阶段，含水量、压实度和弹性模量是研究长期运营道路路面分解机理的主要问题。含水量和压实度是路基施工过程中的重要基准，对路基性能影响很大。目前，针对含水量和压实度两个方面，科学家们通过适当的实验研究，证明了土壤水分迁移对内摩擦角和土壤附着力的影响，以及道路土壤含水量的变化。研究了土体力学性质的影响及巷道长期运行的下降规律，土-水特性曲线随压实程度变化的相关规律，在汽车荷载作用下的巷道土体、干湿循环及巷道土体强度变化规律[1]。

根据检测所得的数据结果进行稳态建模分析，能够更加直观地观察到路基的变化情况。公路路基检测区域中，不同的土壤会由于性质等因素呈现不同的路基结构变形状态，结合施工区域的实际土壤性质等参数信息，对路基的变形区域土体进行综合性分析，包括土壤的砂性、黏性、松散程度和流动性等诸多因素[2]。需要对路基出现变形问题的区域进行划分，主要可以划分为变形的中心区和边缘区，这样能够分层次地分析出变形程度和路基位置分布之间的关系。

1.2 高速公路路基结构变形分析

公路路基的变形有瞬时变形、固结变形、次固结变形等多种类型。由于路基施工的主要材料是土壤，而土壤是由包括水、空气和一些金属元素等多种元素混合形成的。在进行路基施工中，利用压路机将所研究区域的土壤进行压实，排除土壤中的大部分水及空气，挤压土壤使其密度增加。这一过程中，黏度较大的土壤压实效果往往较好，较强的黏度能增加土壤之间的黏合力，从而增加土壤密度，进而增加了路基的坚实程度（图1）[3]。路基有时会由于土壤中的颗粒流动或受到挤压等产生变形，部分不稳定的土壤结构受到重力影响，土壤颗粒向下流动，就会产生变形等问题。

图1 公路路基具体结构

目前，一般的路基变形检测方法主要是针对施工过程中产生的路基变形现象，对从施工开始到施工结束后一段时间进行连续的变形检测。但在公路投入使用后，路面产生的变形情况比较难检测到，因为进行检测会影响到交通体系的正常运行。而公路投入使用后产生的变形问题，会直接影响公路的安全性和使用寿命，不利于交通安全和社会稳定[4]。

2.高速公路路基病害特征及检测指标分析

2.1 高速公路路基病害特征

高速公路路基由于长期处于高负荷状态，加之受外界气候变化和动态负荷的影响，易患各种“疾病”。高速公路损坏可分为隧道损坏、桥梁损坏、路基损坏和路面损坏。路基是公路整个结构的结构基础，其损坏后的维护和修理比其他损坏要困难得多，往往会造成巨大的经济损失和安全威胁。目前，已运营公路路基病害的主要类型分为路基下沉、路基开裂、滑坡和跳桥，其中以路基下沉为主。对公路路基的病害进行检测，主要包括对路基地表病害程度的检测、对内部土体结构病害程度的检测以及对路基土壤的土中应力进行测量评定[5]。

公路病害过程中，内部土壤应力会随着高速公路病害的位移而变化。随着距离的变化，土壤的内部电压也会出现各种变化。通过分析该病害的内部区域，改变压力在监视段坡度的施工过程中起着领导作用。研究该地区高速公路土壤变化的定律，病害区域的倾向、病害的中心、影响关键地区的道路疾病区域，研究土壤内部应力及病害移位的内部应力的区域。路基土体在自重应力、降雨作用以及车辆荷载的共同作用下，较易出现不均匀沉降。在道路基地的“患病”区域之后，病害的斜坡上有三个土壤应力，病害的中心位置，暴露效应的关键性病害区域是垂直和直接的，并且极性得以很快实现，最大的压力在土壤病害的斜率上，影响区域的病害关键应力面积最小，为51.65MPa、51.29MPa、51.29MPa和41.48MPa。当土壤应力达到峰值时，此时相应的斜率病害非常小，为2mm，这表明当坡度呈疾病状态时，斜率已达到其峰值状态。

2.2 高速公路路基病害成因及观测

多数科学家认为，裂缝产生的原因与巷道横向不均匀沉降和巷道土强度减弱有关。有科学家认为，这与巷道刚度的降低和巷道的不稳定性有一定联系，根本原因是雨水和负载对车辆的影响以及温度变化时干湿循环的重复动作。路基开裂破坏总结主要原因如下：

一是横向不均匀沉降。降水对路基影响的部位主要表现在路堤坡度、路堤底部和路基主体部位。如果没有边沟或路基缺少车载锅炉，降水会导致侵蚀。当雨水冲刷路堤边坡时，路基容易发生侧向不均匀沉降。排水路段和陡坡路段与路堤坡度相比，设置了支护保护，大部分为无支护边坡。

二是路基土强度衰减。在雨水的作用下，雨水从路堤边坡表面渗入巷道，巷道土壤含水量增加，雨水在自重作用下继续向下流动。坡脚和崎岖表面的含水量通常较高，路基中测得的含水量逐渐降低。

在判断高速公路不同区域的病害类型时，要根据病害类型和规律，对应选择适当的内部观测方法，综合进行病害检测。目前，应用较普遍的内部病害观测方法主要有以下几个检测步骤：

单点检测。单点检测需要采用检测桩法，检测桩是由强度较高的钢筋钉入锚固砂浆中，再将整个锚固砂浆钉入路基的土体中形成的[6]。通过专业的测量仪器对钢筋检测桩进行测量，检测桩是垂直打入路基土体的，钢筋顶部平面与土体表面呈平行状态，所以一般会选用水准仪在钢筋顶面与土体地表基准点之间进行水平的测量。根据土壤性质确定科学合理的检测频率，测量并记录每一次观测时钢筋顶部与土体表面之间的距离差，并将测量结果进行变形速度计算和变形曲线图绘制。这种方法适用于多种类型的单点检测，操作简单且适用性强（图2）。

图2 单点检测技术

局部检测。对路基局部进行病害检测需要采用变形板法。在路基施工过程中，在检测点放置病害板，路基病害表面装置有感应设备，能够测量病害处随着路基变形产生的距离。而且病害处的金属测量杆可以调节长度，金属杆的顶部要始终保持露在土体外部，当路基病害随着土地变形到下部时，需要及时将检测病害的金属测杆拉伸延长，保持顶部外露状态[7]。这种测量方法能够实时测量检测区域部分的小范围变形情况，能够结合土壤的相关参数运算推断出土体的性质与变形之间的联系和类似区域的变形规律。

分层检测。由于地基土体分为不同的层次，每个土层的土壤性质存在差异，可以采用分层病害仪进行分层高速公路路基病害观测。分层变形仪根据路基土层的分布区域，调节检测仪的磁环位置，使磁环对应放入每一个土层。磁环与检测仪内部导管中的探测器相连接，能够将磁环感应探测到的土壤信息和路基病害的信息传输到探测器中，探测器再将检测到的数据传输给外部的信息记录设备[8]。分层病害检测仪还能够通过控制器进行检测工作控制，设定适当的检测频率和时间，即可进行自动化的变形检测[9]。

3.路基有限元模型

3.1 材料及模型

在高速公路路基工程中有着较为广泛的应用，是一种普遍、经济，且具有良好工程性质的路堤填料，除少部分移挖做填路床土承载力偏小，需要进行改良处理外，其余均可用作路基填料。取用路基填土原料，在路基内部主要存在水分横向转移区和地下水虹吸区两个含水量变化区域，以及一个干湿循环作用区压实度变化区域[10]。此处地下水位线较高，拟设置为—1m。路基土下部为素填土，地质剖面图显示下部为亚黏土和淤质黏土，为简化计算模型，地下8m以下区域均设置为淤质黏土。查阅相关文献资料，根据该地区地质剖面简化设计数值模拟计算模型，所有结构面厚度均为1m。模拟地下水虹吸作用区设置弧形结构面，上文研究表明地下水虹吸作用一般不超过3m，故结构面顶端高3m，路基横断面上底24m，下底48m，高为8m，坡度1：1.5，天然地基长度方向取路基底边的4倍，宽度取路基高度的10倍。采用1：1的比例对称结构，取其设计剖面，设计计算模型如图3所示。

图3 路基有限元模型图

3.2 高速公路路基检测信息采集

路基检测试验和其他病害观测设备装入路基土体后，检测采集到的数据信息通过感应通信装置传输到采集器中。采集器可以通过有线或无线等通信方式接收来自其他检测器的信息，并且能够直接读取接收到的土体压力和路基病害的数据等信息[11]。

一些比较高端的信息采集设备如储存硬盘，能够将接收到的公路路基检测信息实时储存到设备存储模块中，然后将信息采集设备输出端接入控制服务器，就可以将数据传输到计算机服务器中，通过计算机处理程序对检测采集到的数据信息进行分析处理。

为采集设备的数据传输工作流程框图，目前路基检测设备信息传输一般采用无线通信传输模式，设备上装有通信装置，能够支持WIFI、移动网络、蓝牙等无线通信连接与通信传输[12]。将探测设备与采集器和控制器进行通信匹配，便能够在无线通信范围内进行信息通信。这种方式操作更加便捷，有利于提高信息传输效率。

3.3 高速公路路基检测结果处理

根据本文对于路基内部分区情况研究，①区即干湿循环作用区，考虑其压实度变化对路基土壤物理力学性质的影响；②区和③区即水分横向迁移作用区和地下水虹吸作用区，考虑其含水率变化对路基土壤物理力学性质影响。研究表明，为建立路基土含水量、压实度与物理力学性质关系，可通过土的直剪或者快剪试验得到不同干密度下黏聚力、内摩擦角随含水量变化的定量关系，最终获得土样[13]。

4.实验研究

为了检验研究的基于路基结构病害建模稳定检测技术的应用效果，从而进行了实际应用案例研究。实验研究的施工路基结构变形路段长为30m、宽为10m、路基高度为2.5m，路基土壤基本为含有较多杂质的砂土，硬度较大，黏性低，由下到上土壤颗粒粗度逐渐递减。启动压路机进行路基压实工作，一直压到路基土体含水率和土壤密度达到方案计划中的最佳状态。对每一层土层的压实密度和土壤的干密度进行取样测量，针对土壤密度和压实度不达标的土层再次进行击实工作，最终得到实验高速公路路基土层的击实参数数据。

压实后根据施工区域出现病害部分的位置分布情况，确定检测点位置，并装置检测设备，按照检测计划分时段对病害区域进行有规律地检测。检测装置的安装要能够采集获取到比较全面的病害区域信息，并且尽量减少检测点的数量，防止由于检测传感器数量过多，对其他施工工作造成影响。

对实验高速公路路段的病害区域进行检测，检测点检测到的数据信息传输到计算机服务器中，通过GM模型对各方面参数进行综合分析处理。检测之前，先对各个检测点的压实率和含水率进行测量记录，作为变形测量的基准参数，得到统计结果如表1所示。

表1 检测点路基土体压实度与含水率测量结果

检测传感器对5个检测区域的变形路段进行长达3个月的变形检测，按照15天为一个周期的检测频率，主要记录了6次路基变形值。检测路段南北走向三个区域检测区的路基变形值变化单位为mm，能够体现出检测结果较为精准，具有良好的检测效果。可见研究的基于土体应力-变形建模析的路基结构纵向变形检测技术能够进行连续稳定且精准度较高的检测工作，有利于路基变形检测工作效率的提升，能够满足当前公路工程施工要求，有利于工程建设技术的现代化发展。

5.影响公路基坑结构病害变化规律分析

坡度的垂直变形破坏了周围的土壤及原始土壤的压力平衡，从而导致土壤在一定范围内损失，形成了滑坡。因此，土壤测试方法采用水分迁移方法，收集整理出各种土层参数的信息，以获得各种土壤层的电参数的数量和相应的时间结果。从以上结论可以看出，对土壤中水含量的耐药性的特异性更为敏感，因此，通过上述约为94%的测试结果，计算公式为：

通过对比分析以上路基病害可知，破坏周围土壤分为三个阶段：第一阶段是影响该地区土壤应激的突然减少。在该疾病区域的40cm内，其土壤应力从10cm时的15.06MPa降低到40cm时的3.22MPa；第二阶段是影响该地区土壤疾病的快速减少。距该疾病方案的基础80cm以内，其土壤疾病在80cm时从10cm下降到4.13mm；第三阶段是影响该地区土壤压力和疾病的弱期，其土体应力最大为0.1MPa、病害最大为0.2mm。

6.结语

针对高速公路路基病害所出现的问题，本文提出了基于公路路基结构抗病害能力检测的稳定态检测技术，分析了土体应力病害规律、路基病害检测的方法及建模分析技术，提高了路基结构病害稳定态检测的精准度。高速公路路基边坡病害开始后，病害区边坡处、病害区中心处，从而提升状态并迅速达到极值；道路疾病区的中心具有较大压力，对该地区的斜率压力，而关键区域的病态区域分别是最小的51.65MPa、51.29MPa和41.48MPa。当土壤的应力达到峰值时，坡度的相应疾病当前很小，即2mm，这表明在道路上的斜率和斜坡上在疾病发生的那一刻，其压力是在土壤中达到其峰值状态。