温湿度场对新旧路堤沉降的影响分析

温、湿度场对新旧路堤沉降的影响分析摘要：本文主要是在广元至陕川界段的路堤F断面上对温、湿度进行系统地监测，研究温、湿度场对新旧路堤的沉降影响。结果表明：路堤内部温度与大气温度相比呈现明显的滞后性，而且新旧路堤内部相同标高处的温度有所不同。路堤内部的湿度与外界降用量的大小有直接关系，填料的含水率的变化导致其压缩模量、压缩系数的改变，最终会导致新旧路堤的差异变形。与此同时，新旧路堤的差异沉降量随温度变化量的增大、湿度值的增高而增大。路堤的温度、湿度值始终处在动态的变化之中，且温、湿度之间相互影响，最终在温度场和湿度场寻找平衡状态的过程中造成沉降量的增大。关键词：温度场；湿度场；新旧路堤；沉降；TemperatureandhumidityfieldofoldandnewtoanalysistheinfluencesofembankmentsettlementAbstract:ThispaperismainlyintheGuangYuantoshanchuanjieembankmentFsectiontohumidityandtemperaturesystemmonitoring,studytemperatureandhumidityfieldofembankmentaboutoldandnewembankmentsettlementofinfluence.Theresultsshowthatinternaltemperatureoftheembankmentwithatmospherictemperaturesignificantlycomparedthelag,oldandnewembankmentinternalinthesameelevationtemperatureisdifferent.Embankmentinternalhumiditywiththesizeoftheexternalrainfallhasadirectrelationship.paddingmoisturecontentchangesleadtocompressionmodulus,compressioncoefficientofchange.willultimatelyleadtooldandthenewembankmenthavedifferencesdeformation.Atthesametime,Theoldandnewembankmentdifferentialsettlementincreasesalongwiththeincreasingofthetemperaturechangehumidityincreased・Theembankmenttemperatureandhumidityinthedynamicchangeofalways.andinteractionbetweentemperatureandhumidity.Finaltemperaturefieldandhumidityfieldintheprocessoflookingforbalancecausedtheincreaseofsettlement.Keywords：temperaturefield;humidityfield;oldandnewembankment;settlement0引言近年来，随着国民经济的迅速发展，我国高等级公路的建设发展十分迅猛。国家在新建公路的同时，也大力开展了对原有公路的改扩建。综观现有的高速公路加宽工程，最大的技术难题是解决新旧路堤的不均匀沉降问题⑴。行车荷载作用、路堤中热状况和水分状况及由此引起的应力重分布是导致路堤发生不均匀沉降等病害的主要原因⑵。虽然我国已完成的高速公路加宽工程积累了一些经验，但是高速公路的拓宽在我国还缺乏和应的研究⑶，。因此，本文结合实际工程对高速公路改扩建工程中存在的新旧路堤内部温湿度场⑷与沉降变形进行研究，为改善路堤土体内部的水、热状态⑸⑹提供理论依据。 1试验场地、水文气象1.1试验场地试验依托二连浩特至河口国道主干线（GZ40）广元至陕川界段，本文主要研究路堤差异沉降观测与影响因素分析。该段屈旧路路堤加宽工程，由原来的双向四车道加宽为双向八车道，路堤填料主要为风化泥页岩和碎石，填方量较大,最大填方高度达到21米。该路段是咽喉要道，交通量大，且多为大型货运汽车。1.2水文气象嘉陵江为该区内主要河流。区内地下水类型主要有第四季松散堆积层孔隙潜水、基岩裂隙水。工程所在区属亚热带温湿气候，具有温暖、湿润、降水量较丰富、蒸发量大、气温日变化小等特征。广元每年在七月份的降雨量和气温均达到最高值，该月最大降雨量平均240mm,最高气温31°C,最低气温22°C,温差9°C左右。在一月份的降雨量最小，10mm左右；气温最低，平均最高气温为10°C,最低气温在2°C左右，温差8°C左右。2现场监测仪器布置与埋设2.1监测传感器布置为测得路堤内部温度和湿度，在依托工程中取断面F钻孔埋设了温度传感器和湿度传感器，同口寸埋入沉降杯和测斜管协同研究路堤内部湿度和温度对变形的影响。现场监测仪器的布置，见图1。孔内元件的深度见表1。駢蛾蟹燧6#®觸飙v口m区］姊燃图1F断面仪器布置平面图表1布置孔内元件深度表孔内深度/m仪器名称0.5湿度传感器，温度传感器各一根1.()湿度传感器1.5湿度传感器，温度传感器各一根2.0湿度传感器2.5湿度传感器，温度传感器各一根3.0温度传感器 2.2监测传感器埋设温、湿度传感器采用的是由江苏海岩工程材料仪器有限公司牛产的温度传感器和RY-DS型土壤湿度传感器。因为降雨及外界温度主要对路堤表层影响较大，另外沉降量和水平向位移主要集中在路堤的上部，因此埋设仪器所需钻孔的深度在路堤3m以上。从路中心线到新路堤的路肩每隔3・5m钻一个孔，钻孔内每隔0.5m放置一个传感器，放置过程中将一个温度传感器和一个湿度传感器错开10cm绑在一起，下放到预定位置。放置完毕后将钻孔挖击的土掺加细砂回填。将传感器的线通过在路堤表面开好的槽引到路肩外侧，贴上标签并保护好线头，以方便以后采集数据。3路堤温、湿度实测结果分析3.1路堤温度结果分析F断面温度数据整理结果如下:-*-2009」1・12101112131415161718!9202122232425262009.12・302010.01.202010.01.232()10.01.262010.01.282010.04.252010.05.022010.05.11・2010.05.21—2()10.05.272010.06.032010.06.102010.06.172010.06.242010.07.06—2OIO.O7.IO2010.07.IS-^-2010.07.272826242220181614121010I68律踣中线的距离(m)-^-2()09.11.12亠2009」2.30—2010.01.20201001.25-*-2010.01.26亠2010.01.28t-2010.04.25—2010.05.022010.05.11—2010.05.21—2010.05.27—2010.06.032010.06.172010.06.242010.07.06—2010.07.1()I-201007.18•20KHI727图2(a)F断面1#孔温度随深度的变化曲线图2(b)F断面0.5m处温度的变化曲线-•—2009.11.12弟路中找的距离(m)-♦-2009.12.30a2OIO.OI.2O2010.01.23-^2010.01.26-^2010.01.28—2010.0-1.25—2010.05.02-2OIO.O5.II2010.05.212010.05.27—2010.06.032010.06.102()10.06.17-•-2010.06.242010.07.()6—2OIO.O7.IO2010.07.1Sf-2010.07.27即路申线的即周(ni)-^-2009.11-^-2009.122010.012010.01-^2010.0120103一2010.052010.052010.052010.05—2010.062010.062010.062010.06—2010.07—2010.072010.07♦2010.07图2(c)F断面1.5m处温度的变化曲线图2(d)F断面3m处温度的变化曲线表2是根据上图2(a)〜2(d)得到的F断面距路屮心线0.5m处的1#孔温度的纵向比较表。表2F断面1#孔温度纵向比较表深度(m)0.51.52.5最低温度出现日期(季节)2010-01(冬)2010-01(冬)2010-04(春)最低温度(°C)1214.31216与同期外部空气温度最小温差(°C)2.024.3323 与同期外部空气温度最人温差(°C)1012.3127最高温度出现日期(季节)2010-07（夏）2010-07（夏）2010-11（秋）最高温度(°C)23.37521.93720.61与同期外部空气温度最小温差(°C)2」11.0635」1与同期外部空气温度最大温差(°C)7.6256.56312.11以上为1#孔温度的一个纵向比较，2#、3#、4#孔也具有相同的规律。总体分析可知，随季节变化，外界气温促使路堤内部温度随季节的变化而变化，但与大气温度相比呈现明显的滞后性。冬季，路堤内部温度从上到下逐渐升高，而路堤表面的温度与大气温度基本相同；夏季，路堤内部温度从上到下逐渐降低，路堤表面温度受外界空气温度变化影响比较大。新旧路堤内部相同标高处的温度有所差异，老路堤内部的温度变化比新路堤内部温度变化大。3.2路堤湿度实测结果分析F断面湿度数据整理结果如下：在2010.5.11到2010.7.27共计71天的观测期内，观测次数为11次，同样以1#孔为例进行分析，通过分析11次的曲线图3(a)和3(b)可以得知以下结论:1#孔中0.5m深处的含水率随吋间的变化曲线较平缓,平均含水率为99.79%,说明该深度处路堤填料已饱和;lm深处的含水率较0.5m深处的含水率要低，平均含水率为53.23%；1.5m深处的含水率变化曲线跟lm深处的含水率变化基本相同，平均含水率为56.71%。2m深处的平均含水率分别为69.19%。2.5m深的平均含水率最小，为24.74%o15編号271010182010-7-272010-52010-5201（"52010-62010-62010-62010-62010-72010-72010-7图3(a)F断面1#孔湿度随时间的变化曲线图3(b)F断面1#孔湿度随深度的变化曲线以上为F断面1#孔湿度随时间和深度的变化分析，2#、3#、4#孔也具有同样的规律。结合广元地区的水文气候可知，广元地区6〜9月份为每年广元地区的雨季;从路堤湿度监测数据可以看出，在5月份的湿度比6、7月份的平均湿度值要低。由此可以说明：路堤内部的湿度与外界降雨量的大小有直接关系，填料的含水率的变化导致其压缩模量、压缩系数的改变，最终会导致新旧路堤的差界变形。4温、湿度两者耦合对路堤的影响分析 新I口路堤的差异沉降是由应力场、湿度场、温度场相互作用的极其复杂的力学、物理化学、热力学的综合问题⑵。它们的耦合作用是客观存在的，其耦合作用将直接影响路堤的稳定性、应力场和变形场的分布规律，也是引起不均匀沉降、纵向裂缝等病害的直接原因。通过上面分析了路堤温、湿度变化规律，得出路堤的温度、湿度值始终处在动态的变化之中。路堤的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力垂分布是引起道路病害的主要因素。下面以F断面为例分析路堤在温湿度场的结合作用下路堤的沉降规律。010062-401006230100622010062I01006200I00G190I00GI801006170100620100615010061-10100613010061201006II010061001006090100608010060701006060100605010060a010060381012距路中心线的距离破渕日則距路中心线的距离20100727□3100726□3100725201007242D1007232010072220100721201007202010071$*201007182010071720100716201007152010071420100713201007122010071I□3100710□310070920100708201007072010070G图4(a)F断面6月份温、湿度和沉降量基面图图4(b)F断面7月份温、湿度和沉降量基面图(图中：红色虚线代表湿度等值线，蓝色虚线代表温度等值线，黑色实线代表沉降量等值线。)由图4(a)和图4(b)可知：6月份距路中心线3〜5m、7〜9m的路堤段在6月3日到6月5日期间，湿度值、温度值的二维等值线均为峰值，而相应的沉降量等值线也同样出现高峰值，且等值线比较密集，说明沉降速率在此期间也比较大。同样在6月9日到6月11日、6月15日到6月19日、6月23日到6月24日期间，位于新路堤的行车道段的温度值、湿度值均比较大，而沉降量值也为高峰值。在距路中心线10〜12m段为新路堤的外侧路肩段，此段整个6月份的湿度等值线值都比较大，H比较密集；而温度值变化不大，相应的沉降量值相比旧路堤和内侧行车道的沉降值都大，说明在路肩处湿度变化对沉降量的影响要大于温度变化对沉降量的影响。从整体可以得知：新旧路堤的差异沉降量随温度变化量的增大、湿度值的增高而增大。另外，温度变化对湿度的变化也有影响。在温度变化较大的区域，路堤内部毛细水会流向温度变化大的区域，造成此区域含水率的变化，进一步影响湿度场的平衡，最终在温度场和湿度场寻找平衡状态的过程中造成沉降量的增大。 5结论(1)路堤内部温度随着季节的变化而变化，与大气温度相比呈现明显的滞后性。新旧路堤内部相同标高处的温度有所差异，老路堤内部的温度变化比新路堤内部温度变化大。(2)路堤顶面含水率是饱和的。路堤内部的湿度与外界降雨量的人小有直接关系，填料的含水率的变化导致其压缩模量、压缩系数的改变，最终会导致新【口路堤的差异变形。(3)新I口路堤的差异沉降量随温度变化量的增大、湿度值的增高而增大。(4)路堤的温度、湿度值始终处在动态的变化之中，口温、湿度变化之间相互影响，最终在温度场和湿度场寻找平衡状态的过程中造成沉降量的增大。参考文献[1]翁效林.高速公路拓宽路堤差异沉降控制技术研究[博士学位论文][D].西安：长安大学，2009.6[2]毛雪松，王秉刚.多年冻土路基水■热■力利合理论模型及数值模拟[J].长安大学学报.2005,26(4)：16-19[3]傅珍，王选仓.高速公路拓宽路基差异沉降[J].交通运输工程学报.2010,10(6)：26-30[4]王润富，陈国荣.温度场和温度应力[J].北京：科技出版社，2005,1[5]王铁行，胡长顺.多年冻土地区路堤温度场和水分迁移场耦合问题研究[J].土木工程学报.2003,36(12)：93-97[6]毛雪松，王秉刚.多年冻土路基水分迁移热力学性能分析.路基工程.2006(4)：1-4