路基含水量的影响因素分析

路基含水量的影响因素分析

肖光虎1刘琦2

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山东省德州市交通工程监理公司山东德州253000

摘要：路基含水量对于路基自身的回弹模量，以及路面结构的长期性能具有显著影响。本文基于广泛的文献调研，从外部因素和道路自身因素两个方面，阐述了路基含水量的影响因素。

关键词：含水量；路基；影响分析

引言

由于土质类型、渗透、地下水位高度、日光辐射等多种因素综合作用，使得路基含水量变化情况非常复杂。本文将影响路基含水量的主要因素划分为外部因素以及与路面相关的因素两方面，在此对其进行简要介绍。

1外部因素

外部因素并不直接影响路面结构设计与材料特性，主要包括降雨量，渗透，温度，季节变化，地下水位高度，时间与平衡湿度等因素。

1.1降雨量

LTPPSMP观测路段13-1005的降水量与路基含水率之间的关系如图1所示[1]。由图可知，路基含水率的季节性变动有限，且不易受到降水量的影响。而回弹模量与降水量之间的关系也不明显，且回弹模量的季节性波动并不显著，如图2所示。但是，通过对比可以看出，路基回弹模量的变化与其湿度状况具有直接关联性。

图113-1005路段降水量与路基含水率关系

图2降水量与路基回弹模量关系

另外，Rainwater等通过在不同路基深度埋深时域反射仪（TDR：TimeDomainReflectometry）来研究运营道路路基含水率与降水之间的关系，所得结论主要有：①随深度的增加，路基土含水率变化与降水之间的相关性不断降低，不同深度路基湿度对降水的敏感程度有所差异；②路面形态（刚性或柔性路面）与排水设计的不同将对路基内渗流产生影响，而路基中的渗流可能来源于侧向，而不是垂直向的地表渗流；③利用垂直排列的传感器监测，证明了降水后路基土湿度的变化及其渗流路径来自于路面结构的侧向，并不是直接透过面层向路基层方向的流动。

因此，含水率变化与降水量之间的关联性较低，且与路面形态、破坏状况、路基内部的排水设施等有关。

1.2渗透

降雨量会显著影响路基湿度。然而，经过多年研究，尚未明确建立渗透与地下水位变化所引起的湿度变化关系。主要是因为在降雨与路基湿度变化之间会存在一段“间歇期”导致了分析过程的复杂化。实际上，在降雨过后的4～6周时间后才会由于渗透作用引起路基湿度变化（Marks与Haliburton，1969[2]。更有研究表明（Cumberledge等，1974[4]）季节性降雨并不会引起路基湿度的显著变化。然而，在路基较高渗透条件过后的数月会出现含水量出现最大值的情况。需要注意的是在降雨过后路基达到“最软”状况所需的时间受当地条件影响较大。

1.3温度与季节变化

现场观测结果表明，在冬末春初时段路基湿度最大（MarksandHaliburton1969[2]，Cumberledgeetal.1974[3]）。主要是由于在此时段内大量的降雨渗透导致基层与底基层材料饱和度的显著提高。在路基结冻过程中，地下水开始向冻锋前沿移动，此过程主要是由于能量差所引起的。非冰冻区的能量等级高于冰冻区的能量等级，因此水分由高能量等级的地下水头向低能量等级的冻结区移动。由此吸附的水分与冻结冰凌的厚度及间距主要取决于冻结速度、路基土材料粒径与级配等因素。还有研究表明路面结构下湿度的变化取决于温度因素，由于温度的改变，含水量会发生1～5％的变化（Vaswani1975[4]）。

1.4地下水位高度

影响路基湿度的另一重要因素即为地下水。研究认为，在路面表面，地下水位对于路基湿度的影响程度高于气候影响（RussamandColeman1961[5]）。尽管地下水位并非保持在相同高度，而是受温度与季节变化的影响发生波动，通常地下水位在春季上升冬季会下降。

1.5时间与平衡湿度

根据热动力学，在空隙体内的水最终会达到平衡分布状态。美国一些非季冻区机场研究成果表明，工程建设结束后路基含水量会发生变化，但经过约两年左右时间即可达到某种稳定状态。其他学者认为这种变化是循环的，但路基湿度总体处于上升趋势。

2与路面结构相关因素

与路面结构自身相关的因素也会对路基湿度产生影响。这些因素包括道路条件，排水设计，路肩与边缘及道路横断面。

2.1道路条件

面层的主要功能之一就是保护整个路基路面结构。因此，道路结构所在地初始渗透与排水状况对于路基含水量幅度与频率的变化具有重要影响作用。在排水不良路段，渗透作用对于路基含水量的季节性变化影响更为严重。对于新建高速公路，路基得到较好的保护其含水量变化程度较小（MarksandHaliburton，1969[2]）。还有研究表明，在地基上覆盖一层不透水层，则季节含水量变化程度则大为降低（RussamandColeman，1961[5]）。

2.2耐久性

当设置适当排水系统，同时基层材料选择合适时，由于渗透作用而进入路基的水量会大大降低。由于渗透作用较低，则路面性能与使用寿命得到提高。为了使降水快速完全的排出，则需要设置较为完善的排水系统。

2.3路基与边缘

任何路面结构的边缘均为水分进入路基的最快通道，除去距离因素外，进入路面结构的水量仍然高于道路中央进入的水量。有研究表明，由于渗透作用引起的含水量变化与道路的路肩设置相关。不同路肩设计对于渗透的影响可以分为如下两点：一、密封路肩对于降低渗水量的作用由于开放式路肩；二、宽路肩的宽度能够帮助减少路基进水量

2.4道路横断面形式

有研究指出填方式断面处于最不利的路基湿度状况。这主要是因为一些填方路基断面可能会阻断或改变水流的自然流向。还有研究表明，挖方式断面可能会影响高地下水位地区的水位。

参考文献：

[1]戴裕聪.土壤吸力对路基土壤之力学特性影响探讨[D].台北：国立中央大学，2004.

[2]Marks，B.D，III，andHaliburton，T.A..SubgradeMoistureVariationsStudiedWithNuclearDepthGages[J].HighwayResearchRecord276，1969：14-24.

[3]Cumberledge，G.，Hoffman，G.L.，Bhajandas，A.C.，andCominsky，R.J..MoistureVariationinHighwaySubgradesandtheAssociatedChangeinSurfaceDeflections[J].HighwayResearchRecord497，HighwayResearchBoard：40-49.

[4]Vaswani，N.K..CaseStudyofVariationsinSubgradeMoistureandTemperatureUnderRoadPavementsinVirginia[J].HighwayResearchRecord532，HighwayResearchBoard，1975：30-42.

[5]Russam，K.，andColeman，J.D..TheEffectofClimaticFactorsonSubgradeMoistureConditions[J].GeotechniqueVol.11，No.1，1961：22-28.