1、开挖路基中的水分迁移特性根据实验室中实验得出的电阻率和水分含量之间的关系来分析。分析结果表明：（1）路基中的水分含量在深秋和早春会随着开挖深度的增加而增加，这是由开挖斜坡的温度和供水引起的综合效应；（2）在挖方段盲沟和路基换填深度有助于抑制水分迁移，这样有利于提高路基的工作状态；（3）夏季降水显著影响深开挖断面路基和填挖过渡段路基的水分迁移，与在其他季节相比夏季的水分含量显著增大，季节因素对深开挖断面路基水分迁移的影响比其对填挖过渡段路基的影响更为显著。关键词：道路工程 水分迁移 电阻率法 开挖路基 工程措施1 引言路基的水分含量的变化是显著影响路基强度和稳定性的主要因素。许多研究表明，水分含
2、量的变化特征可以由电阻在路基的变化来体现。水分迁移使得路基在干燥和潮湿的条件下都比原设计路基差。这种现象在季节性冻土地区表现的很明显，路基冻害真正是由水分迁移引起的。因此，对水分迁移特点的研究对保证季节性冻土地区路基的稳定性是非常重要的。许多学者研究了路基的水分迁移。王先生研究了冻土和解冻的原理，之后他便开发出了二维数值模型。他还分析了含水量变化对土壤温度场的影响，特别是对热物理学参数的影响。随后，他提出了一个计算研究水和冻土路基温度的相互影响关系的模型。张先生研究了季节性冻土地区高速公路路基的水分迁移变化，然后提出了路基冻害和水分含量之间正式的识别关系。基于现场含水率监测，冰冻深度监测，土壤
3、温度监测和实验室实验，袁先生研究了吉林省季节冻土的水分迁移现象。萧发现路基水分迁移造成了丘陵地区开挖路段各种形式的路面退化。基于压实黄土的基本土壤性质，金先生用Y射线测量了积水渗透条件下，不同压实度黄土的土壤水分分布，随后他提出的有关路基排水综合设计的重要理论基础被学术界认可。王先生讨论了温度影响下的非饱和黄土水分迁移。孔先生测试了恒温冷冻条件下封闭系统和开放系统的水分迁移特性。因地下水侵入导致开挖路段路基强度降低是路基和路面病害的主要原因。因此，研究开挖路段水分迁移的的特点，并广泛地研究各种工程处理措施是很重要的。但是，有关于高速公路开挖部分水分迁移特性的研究很少。针对张家口涿州高速公路试验
4、段，本文将比较分析在不同的开挖路基中的水分迁移特性，并研究工程措施，包括盲沟和填挖换填，对水分迁移工的影响，研究将采用原位电阻率的方法来测试在不同的地点和不同深度的水分含量。2 现场含水率测试方法2.1 含水量测试及其确定过程的基本原则在自然条件下，原状土的电阻受多种因素影响。根据以往的研究，影响电阻值的主要因素是水分含量的变化。因此，水分含量变化特征可以通过路基土的电阻率值变化来反映。根据含水量测试的基本原理，含水量测试使用接地电阻测量仪测得。测试方案如图1所示。图1 含水率测量系统的布局电极的合适插入深度和的相邻两个电极之间垂直最小间隔均根据实验室试验确定。围绕电极头的球体是其影响范围，以
5、检测传感器的电场，且测量结果对电极插入深度和两电极之间的垂直间隔时很敏感的。基于此，将不同插入深度和不同垂直间隔的电极插入实验室土模，电阻率计算公式如下：式中：参考电极系数，一般为1.256； 测试电极板M和N的差值， 供电电流。根据不同H和L下的电阻率分析，得到，。用这种方式，不同垂直深度的电阻率可以通过铺设电极的路基土测量出来。然后，含水量与电阻率之间的关系可以通过实验室校准得到。最后，用随后现场测试得到的土壤电阻分析的水分含量的变化特征。2.2试验段和传感器铺设方案张家口至涿州高速公路连接了张家口与中国西北的许多省份。这条高速公路为双向四车道，根据不同的地形特点，设计时速分别为100Km
6、/h和80Km/h。为了防止路基因开挖而水分失衡，张家口至涿州高速公路试验段不同的垂直深度的开挖路基的电阻采用温度传感器和电阻传感器测量。含水量与电阻率之间的关系经过实验室校准后可以确定，同时对含水量的变化特征进行了分析。2.2.1 实验部分和施工处理措施不同深度的置换土壤将分三个试验段分别设置进行比较分析水分迁移的特性。试验段一是K37+820K37+920，这段是填挖过渡部分，置换土壤深度为120厘米，其中包括60cm级配碎石和60cm含3的石灰的级配碎石。试验段二是K37+920K38+020，这段是浅开挖断面，置换土壤深度为150厘米，其中包括60cm级配碎石和90cm含3的石灰的级配
7、碎石。试验段三是K38+020K38+120，这段是深开挖断面，置换土壤深度为180厘米，其中包括60cm级配碎石和120cm含3的石灰的级配碎石。2.2.2 传感器布局（1）含水量测量点测试的布局在挖方段路基水分迁移主要表现在土壤含水量的变化。横截面A，B和C被选中，它们分别代表了深挖方段，浅挖方段和挖填过渡段。将电极在置换路基下的盲沟的两侧。电极的垂直间隔和插入深度如2.1章节所示。（2）温度测量点的测试布局温度传感器布置在试验第二段和第三段的交界处横切面上，在3m的垂直范围内的每隔20cm布置一个。另外，温度传感器也设置在A、B、C横截面的左侧2.5m范围内。传感器布置的位置如图2所示，
8、为含水量测量点，为温度测量点。图2 传感器布局图2.3 试验含水量的校准含水量传感器插入深度和的最小垂直间隔都显示在2.1章节。实验室的校准立方体模型的设计尺寸为100厘米高，40厘米长，40厘米宽。在长方体土体模型的同一侧打四个直径为15毫米的圆形孔，其插入深度为20厘米，最小间隔为20cm。原位土壤样品中的水分含量在实验室中测试，其结果表明水分含量为14至24。各种水分含量的校正模型按干燥，洒水，固化和压实等步骤制成。为了保持压实标准和保证紧凑的现场施工和实验室校准测试之间的一致性，通过压实试验获得土的最大干密度。试验数据如图3所示。有关的水分含量与电阻率的公式如下：图3 含水量与电阻率的
9、实验室校准结果3 测试结果及开挖路基水分迁移特性分析温其度和含水量传感器布置如2.2.2章节所述。数据收集每2天的量范围从在三个时间段2010.11.24至2010.12.28，2011.2.27至年2011.4.11，2011.7.11至2011.8.29内，每两天收集一次数据。数据从不同的地点在和不同的边坡开挖路段收集而来。在这些数据的基础上，对开挖路基水分迁移特征进行分析。在测试过程中，同时收集实时温度，天气状况，和累积雨量。3.1不同深度路基边坡垂直方向上的水分迁移规律测点2，4和6分别接近斜坡的底部，开挖深度逐步增加。含水量的测定结果如图4所示。测量点的垂直深度存在一个特定值，当测量
10、点的深度大于该值，早春的含水量大于深秋的含水量。根据图4，深度和含水量差值W变化规律如图5所示。在图4中，对应于图5中W=0的深度被认为从晚秋含水量至早春的转折点。这个转弯位置称为水分迁移的临界深度，并用于表征水分迁移强度。测量点2，4和6的水分迁移临界深度分别为1.0米、0.6米、0.5米。图5表明，W随着开挖深度H增大。此外，早春和晚秋之间温度变化振幅T是基于温度的测试结果，测试结果如图6所示。我们观察到，T随垂直深度的增加而减少，随开挖深度的减少而减少。图4 不同边坡开挖深度的测量点的垂直水分迁移对于每个点，T趋于稳定当测量点的深度大于垂直值。其原因是，上述水分供应从斜面侧到测量点在早春
11、和晚秋达到平衡。此外，在不利条件下，游离水分从较低点向上部冷冻前区迁移。高于临界深度的部分游离湿气迁移的是冷冻的，并不能进行测试，因而导致W减少。图5 测量点2，4和6早春和晚秋的含水量差异在图4中，测量点2，4和6的含水量都随挖掘深度的增加而增加。原因是上述从挖掘坡到测量点的水分供应随加挖掘深度的增加而增加。在图5中，含水量差值W随着开挖深度H增大而增大。在图6中，可以看出，变温振幅T减小并最终趋于稳定。三段T趋近于稳定的深度分别为1.8m，1.6m和1.0m。此外，对于三段的稳定值是相同的，与图5中的结果基本符合。这是因为挖掘地基里土壤的温度受空气的温度影响很大。从上述讨论中，水分迁移随开
12、挖深度的增大变得更强，这也更显著地影响路基和路面的稳定性。图6 不同开挖深度早春和晚秋之间的温度差异3.2 季节因素对水分迁移的影响张家口至涿州高速公路位于河北省，降水量主要集中在夏季。因为挖方段路基的独特性，当务之急是要研究季节性水分迁移。深挖掘部分和填挖过渡部分的水分迁移和基于实际测量的水分含量数据进行了比较，结果如图7所示。图7 盲沟对路基的水分迁移的影响夏季的含水量明显高于其他季节，这表明降雨量对含水量有很大的影响。与填挖过渡部分相比，深开挖部分是一个凸面。因此，水只能穿透向下，这导致在其浅层土壤的水分含量低。由于供水是从开挖边坡至路基，开挖路基的含水量明显高于填挖过渡段路基的含水量。
13、因此，季节性因素对深开挖路基的含水量的影响比对填挖过渡段路基含水量影响更大。此外，相比于填挖过渡路段，深挖掘部分的竖向的含水率分布比其它季节更集中。因此，季节性水分迁移更为明显的影响深基坑段路基的稳定性。图8 测量点3，5和7早春和晚秋的含水量测点3，5和7在盲沟靠近道路中间线的一侧，它们和测点2，4和6具有相同的横截面，测量点3，5和7早春和晚秋的含水率如图8所示。早春和晚秋之间的含水量差值W的如图9所示。比较图4与图8、图5与图9，可以发现靠近斜坡的测量点2，4和6的含水量比靠近道路的中线侧的测量点3，图5和7的含水量高。这是因为盲沟的存在截断了水分从斜坡到路基的迁移路径。此外，测量点3，
14、5，7的水分迁移的临界深度分别为1.4m，1.0m，0.8m。这比靠近道路中间线一侧的临界深度稍大。此外，根据水分含量的临界深度，测量点3，5和7中的含水量差值W比测量点2，4和6的含水量差值W小。这也表明，在相同的开挖深度下，盲沟的存在削弱了水分迁移的强度。图9 测量点3，5和7早春和晚秋之间的含水量差值3.4 换填土对开挖路基的水分迁移影响测量点8接近测点7，其具体位置如图2所示。但是，测量点8处路基上层土壤没有被换填，为了比较换填对开挖路基水分迁移的影响，计算了早春和晚秋之间的含水量差值，其结果如图10所示。图10 换填对开挖路基水分迁移的影响置换路基上层土壤后，置换深度在1m以内的含水
15、量差值基本上是相同的。但是，置换深度超过1m时，测量点8中的含水量差值明显高于测量点7，即测量点8的水分迁移强度明显弱于测量点7。因为经过置换处理，温度对置换层下的路基土的影响减弱，置换处理时实际中常采用的降低所水分迁移损害的措施。4 结论把测试电极放进试验段对应不同开挖深度的三个横截面，通过测试得到电阻率。电阻率和水分含量之间的关系通过实验室校准测试来确定。然后，确定含水量不同的垂直深度，季节和换置深度的含水量的变化规律。基于试验数据的分析得到如下结论：（1）低于临界深度时W趋于稳定，游离水分从下层土壤迁移到上部冷冻区域，这就导致了早春的含水量大于在深秋。超过临界深度游离水分迁移部分被冻结并
16、且测试不到，因此导致了W的减小。（2）随着开挖深度的增加，早春和晚秋的含水量差值都随之增大。这意味着，由于温度和斜坡的共同作用，水分迁移强度随开挖深度的增加变强。（3）比较填挖过渡段和深开挖断面之间的季节性水分迁移，可以看出沉淀在夏天有对填挖过渡段和深开挖断面的水分迁移均有显著作用。此外，季节性因素在对深开挖断面的水分迁移影响比其对填挖过渡断面的影响大。（4）盲沟的存在，截断了从斜坡到路基的水分迁移路径。这导致了靠近道路中线一侧的测量点水分迁移较低。此外，早春和晚秋之间的含水量差值和设置盲沟后水分迁移的临界高度都增加了，这表明盲沟的存在削弱了相同开挖深度条件下水分迁移强度。（5）置换处理后，水分迁移强度明显弱于置换处理前，这表明置换处理是减少水分迁移造成损害的合理措施。对挖方段路基水分迁移的细节和复杂性进行广泛的研究是今后研究的一个目标。对开挖断面处工程处理措施对路基水分迁移的影响也需要更全面，更细致的研究。
