高速公路路基内部含水率监测与分析

李 培 乐

(山西机械化建设集团有限公司，山西 太原 030000)

高速公路投入使用后，路基内部含水率会受到大气降水、气温等因素的影响，会经常发生变化。在一年四季中，大气降雨量和气温会呈现周期性的变化，路基含水率变化也呈现一定的规律性。而路基含水率的变化会改变路基的物理力学性能，直接影响路基的强度和稳定性。基于此，选取试验段对路基内部含水率进行监测，分析监测结果确定路基含水率的变化规律。

1 路基含水率监测方案

1.1 工程简介

宁淮高速公路K18+550～K19+020段为路堤，路堤填筑高度范围为1.5 m～3.4 m。该地区地基土为第四系全新统(Q4)沉积的亚黏土、黏土，厚度为2.9 m～4.8 m。该地区四季分明，降雨量充沛，年平均气温为15.1 ℃，其中7月气温最高，1月气温最低。6月、7月降雨量最大，约占全年降雨总量的54%，年平均降雨量为1 030 mm。地基浅层局部有少量潜水，但水量较少，地下水位较低，路基含水率主要受大气降水和地表径流水影响，水分通过路基边坡渗入。选取K18+800断面作为测试断面，该路段路基土为含砂黏质土。路基为填方路基，填方路基高度为2 m，边坡坡度为1∶1.5。

1.2 测点布置

传统的含水率检测方法会破坏路基和路面结构，本项目采用TSZ-1型土壤水分速测仪对路基含水率进行监测。该设备由主机和探针组成，将探针布置在路基内部，通过原位测试仪器测定土壤的含水率，可在主机上快速读出含水率测值。为了准确测定路基含水率，分别在路基基底、路基中部和路基顶部设置3个测点，自上而下分别为测点1、测点2和测点3，测点布置如图1所示。为了分析路基含水率在不同季节的变化情况，分别在不同时间段对路基含水率进行监测。

为了防止模型试验中的尺寸效应的问题，试验路段按照1∶1的比例修筑。路面宽度为6 m，路肩宽度为0.6 m，其宽度相当于三级公路的标准，路基边坡1∶1.5。

当路基填筑高度达到探针埋设高度30 cm以上时，压实达到要求后在路基上部挖一个深度为30 cm的试坑，埋入土壤水分速测仪探针。埋入后回填路基土并压实，压实过程中注意保护探针。将探针数据线从路基边坡引出，为了防止数据线接头损坏，使用密封袋包裹数据线接头，并用胶带封口。

1.3 现场监测方案

本项目路基含水率监测时间段为2017年3月～2019年3月，监测总时间为24个月。为了准确掌握路基含水率的变化规律，监测频率为每个月监测一次。达到现场试验段后将数据线接头部位的密封袋取下，接上主机，读出数据并做好记录。监测完成后重新使用密封袋包裹探针数据线接头，并做好密封。如发现密封袋有破损或风化现象，应及时更换。

2 路基含水率监测结果分析

收集路基含水率监测数据，分别整理3个测点的含水率并绘制含水率随时间变化曲线，如图2所示。

分析图2曲线变化情况，可以得出3个测点的路基含水率检测结果相差不大，含水率差值均小于2%，且在各监测时间段基本相同。在两年的监测期间，每年对应的相同月份路基含水率检测结果基本相同，测点2含水率检测值最大，其次为测点1，测点3含水率检测值最小。在2017年3月～2019年3月监测期间，每年路基含水率最低的月份为12月、1月和2月，路基含水率最低值为17%。路基含水率最高月份为6月和7月，这是由于12月～1月降雨量最小，而6月和7月降雨量最大，路基含水率最高值为24.7%。另外，分析路基含水率监测结果，含水率值总体随一年中气温的变化呈现周期性变化，但个别月份出现反常现象。

3 路基含水率变化规律分析

根据上述路基含水率监测结果，两年中对应月份的含水率相差不大，含水率数值基本保持一致。而一年中路基含水率的变化受气温、降雨量等因素的影响，且路基含水率随季节变化呈现一定的规律性。结合当地气候条件，通过对每月含水率监测平均值的变化规律进行分析，确定路基含水率的变化规律。

3.1 路基含水率随气温变化规律

结合上述监测结果和当地气温变化情况，绘制月平均气温/含水率—时间变化曲线如图3所示。

分析图3月平均气温/含水率—时间曲线变化情况，各月份路基含水率随时间变化曲线与气温—时间变化曲线变化趋势基本一致，且基本符合正弦函数变化规律。结合当地气象监测数据，代入路基含水率监测数据，进行数据拟合计算，得出路基含水率计算公式：

采用上述路基含水率计算公式，得出各月份含水率计算值，绘制含水率—时间曲线如图4所示，与实测值进行对比分析。

分析图4路基含水率计算值和实测值随时间变化曲线，可以看出实测值和计算值存在较大差异，但曲线总体变化趋势基本一致。这是由于实测值是每个月进行一次含水率监测，而计算值是每个月的路基含水率平均值，造成二者产生了较大差异。

3.2 路基含水率随降雨量变化规律

通过对不同月份降雨量进行统计，绘制路基含水率—降雨量变化曲线，路基含水率—降雨量变化曲线如图5所示。为了能够便于进行对比分析，绘制降雨量曲线时取0.1倍月降雨量。

分析图5路基含水率与降雨量变化曲线，可以看出各月份降雨量与路基含水率之间并不存在良好的线性相关性，很难找到二者之间存在的规律。这主要是由于大气降水在渗入路基的过程中受到渗透、蒸发和毛细作用的影响，并不会完全随降雨量的变化而快速产生变化，且不会呈现完全一致的变化趋势。

3.3 路基含水率随净降雨量变化规律

根据上述分析结果，路基含水率与降水量之间没有呈现良好的线性关系。为了降低外界因素的影响，在全面考虑降水量和蒸发量变化的前提下，采用净降水量(降雨量与蒸发量的差值)分析路基含水率的变化规律，绘制路基含水率—月净降雨量—时间曲线如图6所示。为了能够便于进行对比分析，绘制降雨量时取0.1倍月降雨量。

分析图6变化曲线，路基含水率和净降雨量之间虽然没有呈现明显的线性关系，但净降雨量较大的月份，路基含水率也较高。这说明净降雨量对路基含水率的影响较大，随着净降雨量的增加路基含水率呈现增加的趋势。

4 结语

为了确定运营后路基含水率的变化规律，选取试验段，布置测点进行路基含水率监测，分析监测结果得出以下结论：1)路基含水率随气温变化呈现明显的线性关系，虽然实测数据与计算结果之间存在一定的差异，但这是由于计算方法不同造成的；2)路基含水率与降雨量之间并不存在良好的线性相关性，这是由于大气降水在渗入路基的过程中受到渗透、蒸发和毛细作用的影响，降低路基含水率的变化速度；3)路基含水率和净降雨量之间虽然没有呈现明显的线性关系，但随着净降雨量的增加路基含水率呈现明显的增加趋势。