基于路基設(shè)計參數(shù)對路面設(shè)計的影響分析

熊鋒

（江西省贛南公路勘察設(shè)計院有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

土基模量主要反映土基強度方面的指標(biāo)，要選擇合適的土基模量參數(shù)，準(zhǔn)確掌握每個結(jié)構(gòu)的組成情況，并確保路基的強度符合標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對多種土基模量展開深入的分析，并且分析土基回彈模量的影響因素，為確定土基回彈模量提供標(biāo)準(zhǔn)和支持，也為工程建設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)與支持[1]。

1 土基強度影響因素分析

1.1 幾種土基模量的概念及相互關(guān)系

土基是路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分，主要反映出整個路面工程的承載力性能，對于提高項目運行水平產(chǎn)生積極的作用。要全面提升土基強度，達到結(jié)構(gòu)運行性能的標(biāo)準(zhǔn)，滿足正常的使用標(biāo)準(zhǔn)。土基如果穩(wěn)定性不足，性能就會降低，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形問題而引發(fā)結(jié)構(gòu)的損害。由此可見，土基模量真實地反映出土基強度，是重要的指標(biāo)之一。

1.1.1 幾種土基模量的概念

我國不同地區(qū)的土體性質(zhì)有著很大的不同，各個地區(qū)都有非常獨特的特點，所以在施工中必須掌握區(qū)域內(nèi)土基模量的差異，并針對性地采取必要的應(yīng)對措施。在此次研究中，使用三軸壓縮試驗的方式展開檢測和分析，更好地掌握側(cè)限力的影響，分析其荷載變化的情況，并對現(xiàn)場的土體和應(yīng)力應(yīng)變展開具體的分析，然后將其繪制成曲線的形式，體現(xiàn)出其具體的性能，具體可見圖1。

經(jīng)過對圖1的變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，土體屬于非線性彈—塑性變形體的形式，彈性模量重要體現(xiàn)出彈性材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的物理指標(biāo)，所以只是應(yīng)用彈性模量來體現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是無法滿足要求的。從以往的習(xí)慣方面分析，研究人員通常會選擇測定模量參數(shù)的方式以掌握其應(yīng)變的關(guān)系，這是對土體結(jié)構(gòu)性能分析的重要參數(shù)和方式，對于土體的了解也會更加清晰、明確。對于土體的模量分析時，很多研究人員只關(guān)注其彈性變化方面，所以在土體結(jié)構(gòu)受力條件之下，檢測確定瞬時應(yīng)變更加準(zhǔn)確，掌握法向應(yīng)力與土的應(yīng)變比值，對于土體的性質(zhì)分析比較直接。有些研究學(xué)者會優(yōu)先應(yīng)用土體彈性模量展開測量和分析，也可以在施加荷載之后掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)變化情況，以得到相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。有些研究學(xué)者通過試驗的方式測定土體的模量參數(shù)，可以通過對土體施加不同荷載的方法展開變形參數(shù)的測量，并根據(jù)需要繪制相應(yīng)曲線，掌握其變化的情況[2]。有些學(xué)者更加傾向于應(yīng)用承載板試驗的方法得出回彈模量數(shù)據(jù)，并快速分析循環(huán)荷載影響下的參數(shù)變化，其主要采用拉伸或者壓縮的操作方式以改變結(jié)構(gòu)形式，得到彈性應(yīng)變參數(shù)，準(zhǔn)確掌握回彈模量，這是反映土體性質(zhì)的關(guān)鍵性參數(shù)，是研究人員關(guān)注的重點。

圖1 曲線圖

1.1.2 各種土基模量之間的異同

上文中提出了多種土基強度指標(biāo)參數(shù)，都能夠反映出土體強度性能方面，其本質(zhì)是反映出土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，只是它們所描述的方法有差異，試驗的方法也有所不同，下面具體分析其存在的關(guān)系。要對土體性質(zhì)進行分析，經(jīng)過試驗可以得出變形模量比彈性模量要小很多，之所以會得出這一結(jié)論，主要是因為土體組成復(fù)雜性高，就表面分析為彈性體的形式，而實際上往往并非如此，且該分析的方式一般都會在變形量不大的條件下使用，對于很多情況下是難以獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息的，所以應(yīng)用范圍比較有限。在設(shè)計的分析中，土體變形模量不是固定的，其數(shù)據(jù)的測量和計算會存在較高的復(fù)雜性，難以準(zhǔn)確掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)信息?；诖耍嬎阕冃文Ａ凯h(huán)節(jié)，必須對應(yīng)力條件做出全面的分析，并結(jié)合試驗的結(jié)論及時改進、完善以及調(diào)整，才能使計算數(shù)據(jù)和實際情況相差較小。但是不同承載板的試驗方面會存在著較大的關(guān)系，要從實際情況計算分析，才能確定最為真實的數(shù)據(jù)信息，以便展開分析和研究，確定土體的性質(zhì)。

1.2 土體性質(zhì)影響分析

土體的結(jié)構(gòu)形式對于土基的性能會存在較大的影響，其關(guān)系到路基是否具備較高的強度以及穩(wěn)定性，從而達到支撐效果的要求?？紤]到不同類型土體的差異，其內(nèi)部組成的顆粒物性質(zhì)相差比較大，有些土體內(nèi)的砂礫占比較大，有些則黏粒占比較大，還有些土體內(nèi)的粉質(zhì)顆粒占比較大，不同組成部分的土體其性質(zhì)有著很大差異，對于工程的影響也比較大。砂質(zhì)土內(nèi)的強度性能比較高，該材料一般不會直接受到水的影響，分析后發(fā)現(xiàn)這種材料的強度性主要是摩擦作用之下形成的；黏土因為組成的材料比較多，內(nèi)部關(guān)系也非常復(fù)雜，所以強度的影響因素比較多，通常來說，含水量升高其強度會降低；粉質(zhì)土的特點是內(nèi)部存在很多的空隙，所以在使用時極易產(chǎn)生移動或者聚集的變化，造成不同位置上土體的性質(zhì)有著很大的差異，測定的難度比較高，且容易產(chǎn)生吸水率升高的問題，最終出現(xiàn)了土基的凍脹或者翻漿問題，極易造成道路工程結(jié)構(gòu)的損壞，產(chǎn)生的危害性是很強的?？傊?，路基是道路的主要組成結(jié)構(gòu)，土質(zhì)是基本構(gòu)成部分，所以性能影響較大，其性能從高到低依次是砂性土、黏性土、粉性土等。

1.3 含水量的影響分析

從圖2可以明顯看出，含水量會對干密度造成較大的影響，這幾乎是所有土體都存在的關(guān)系。根據(jù)其變化趨勢發(fā)現(xiàn)，兩者的關(guān)系曲線為向下開口的拋物線，所以含量較小的情況下，干密度在水分增加的情況下會增加，在到達頂點后就會逐步減小。曲線達到頂峰的位置上即為最佳含水量的要求，該處位置上的含水量參數(shù)就反映出最大干密度，這種情況下應(yīng)用水膜理論分析即可得出。從目前的研究結(jié)論分析可以掌握到，當(dāng)前的土體內(nèi)水的存在形式是如下兩種：第一種為自由水，就是水在土體內(nèi)可以自由流淌和活動，完全是液體的形態(tài)；第二種為水膜，這時水并不是流動的，會在土體顆粒包裹性質(zhì)存在，該種形式的水使得土體表面張力會發(fā)生變化。在土體結(jié)構(gòu)內(nèi)會有電子力，這種情況下發(fā)生彈性改變，導(dǎo)致水膜會有固體性質(zhì)存在，如抗剪性、黏滯性等，容易導(dǎo)致水膜發(fā)生變化。在水膜的厚度持續(xù)性增加的態(tài)勢之下，內(nèi)部顆粒難以吸收掉水分，這樣固體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)出現(xiàn)了較大的變化，當(dāng)厚度增加到某個臨界的狀態(tài)后，電子力的作用就會消失，這時的抗剪性能是最低的。根據(jù)當(dāng)前的研究結(jié)論分析發(fā)現(xiàn)，如果土體結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子力存在，就是束縛水，而沒有電子力就是自由水。通過人類在外部施加壓力，束縛水會以彈性形式存在，達到抗剪力的效果，避免顆粒之間發(fā)生相互的移動，而自由水會以潤滑劑的形式存在，分析該理論方面，得出含水量與壓實度方面存在著一定的關(guān)系，這也是分析土基施工要點的關(guān)鍵性理論。

圖2 最大干密度曲線圖

如果土基的含水量比較小，每個土體顆粒表面存在的水膜厚度也會很小，這種情況下非常容易受到表面電子力的作用，抗剪力性能會更加明顯，總體性能比較好，從而也會形成較好的壓實性。在含水量不斷增大的情況下，使得水膜的厚度也會表現(xiàn)出增大的變化趨勢，抗剪力性能會逐步降低，直到最終達到零時，壓實功能也會處于最低的位置上，這時就是最佳含水量參數(shù)，該參數(shù)對應(yīng)之下就是最大干密度。在含水量處于發(fā)展變化的動態(tài)之下，土體顆粒也會產(chǎn)生很大的變化，水膜會保持飽和的形態(tài)，自由水在內(nèi)部不斷地積聚，數(shù)量日益地增多，土體顆粒并不會存在摩擦力、黏結(jié)力，結(jié)構(gòu)的強度就會出現(xiàn)很大的變化，相互之間會發(fā)生滑動反應(yīng)，最終使得土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的流塑的變化狀態(tài)。這樣的情況下，土體顆粒中的骨架就會逐步被水體骨架所替代，短暫的壓實功也只能是在自由水中出現(xiàn)，但是短時間內(nèi)自由水并不能及時排出，所以無法將表面受到的壓實功傳輸給土體顆粒，而是自由水產(chǎn)生的作用，所以要考慮到孔隙水壓力方面，其會消耗比較多的壓實功能，而壓實性卻比較差，所以孔隙內(nèi)的水會抵抗土體顆粒的進一步融合反應(yīng)，也會造成壓實度性能降低，壓實度相關(guān)影響之下也會出現(xiàn)下降的情況，而且會不斷降低。因此，土體內(nèi)的含水量對于壓實效果會存在直接的影響。

2 含水量對土基回彈模量的影響

經(jīng)過試驗確定回彈模量和含水量的關(guān)系，得出液限黏土的性質(zhì)有著很大的差異，選取三個含水量數(shù)據(jù)進行分析和研究，檢測其回彈模量數(shù)據(jù)的變化，將結(jié)果編制。經(jīng)過對表內(nèi)數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：第一，壓實性一致的條件下，土體模量最大是在含水量最佳的條件下得到的。第二，有些區(qū)域比較特殊的液限黏土，回彈模量會有較大的改變，含水量也會出現(xiàn)一定的變化，性能和參數(shù)的改變會更加明顯。比如，分析壓實度為93%的土體材料，將試驗樣品中的最佳含水量提升15%后，其回彈模量只減小5%左右。但是對于液限黏土來說，回彈模量往往會因為含水量的變化而變化，并且壓實度性能受到壓實次數(shù)的影響，其相應(yīng)的土基回彈模量也會不斷升高。

經(jīng)過分析多種土質(zhì)條件的差異，在數(shù)據(jù)達到最佳含水量后，擊實次數(shù)與壓實度的關(guān)系也會發(fā)生變化。經(jīng)過在初期的試驗環(huán)節(jié)，壓實度的變化趨勢比較明顯，即擊實次數(shù)的增加壓實度就會提升，但是經(jīng)過分析后得出土體的強度達到一定要求后，壓實度也不會再繼續(xù)增加。這樣可以得出結(jié)果，壓實度受到擊實的影響，但是達到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)后，即不會發(fā)生變化，也就是初期的擊實可以增加壓實度，而全壓實后，再進行擊實只能起到擾動的作用，并不會真正地影響壓實度，這是需要注意的。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對彎沉指標(biāo)的影響

在項目分析中，主要是從土基模量、結(jié)構(gòu)層厚度與模量方面出發(fā)進行分析，掌握其對于路標(biāo)和土基彎沉方面的影響，該數(shù)據(jù)都是在土基回彈模量和各層模量分析后得出的。經(jīng)過對土基內(nèi)回彈模量方面的分析和研究，得出相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，并且能夠及時掌握土基回彈模量受到的影響因素。

應(yīng)用專業(yè)性的軟件分析不同路面結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同路面結(jié)構(gòu)彎沉值參數(shù)分析，并展開對比和分析，最終可以掌握土基回填量與各個結(jié)構(gòu)參數(shù)造成的影響。分析該參數(shù)所產(chǎn)生的影響，了解到參數(shù)變化的情況。為了能直觀觀察到變化效果，繪制出變化曲線如圖3-圖5所示。

圖3 路表彎沉隨土基模量和底基層模量變化曲線

從圖3-圖5圖形變化特點分析發(fā)現(xiàn)，土基回彈模量受到很多因素干擾，并在其中有主導(dǎo)性作用。彎沉指標(biāo)會給土基回彈模量變化帶來較大的敏感性。隨著土基回彈模量的提高，路表彎沉?xí)p小，但是兩者并不存在正比例變化關(guān)系。土基回彈模量較小的狀態(tài)之下，該參數(shù)的升高導(dǎo)致彎沉值的下降，但是在土基回彈模量達到較大的數(shù)值后，繼續(xù)增加時，路表彎沉減小幅度比較小，變化趨勢也不明顯。但是經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，各個結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生較大變化的情況下，對彎沉影響是比較小的。總之，土基回彈模量會給路表彎沉造成較大的影響，所以技術(shù)人員、施工人員應(yīng)加強土基回填模量的研究，掌握土體變化趨勢，并根據(jù)該趨勢制定合理的施工工藝方案，做好現(xiàn)場控制，才能提高結(jié)構(gòu)性能，保證工程的質(zhì)量和安全符合要求。同時，還要保證不會給基層、底基層造成過大的影響，從而使結(jié)構(gòu)的性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)防產(chǎn)生嚴重的質(zhì)量問題，提高工程的施工效果和水平。

圖4 路表彎沉隨土基模量和基層模量變化曲線

圖5 路表彎沉隨土基模量和面層模量變化曲線

4 結(jié)論

對于本文分析總結(jié)各個方面的影響因素，發(fā)現(xiàn)在路基設(shè)計中，土基模量的影響因素比較大，同時對于路面彎沉、層底拉應(yīng)力造成較大的影響，可以得出如下幾項結(jié)論：第一，土基模量是重要的土體性能參數(shù)，會給路面結(jié)構(gòu)造成很大的影響，該參數(shù)會受到土體黏粒含量的影響，也會干擾含水量、壓實度等方面的參數(shù)。第二，土基模量所產(chǎn)生的變化會給路面彎沉帶來影響，即土基模量升高，路面彎沉?xí)鸩綔p小，但是在達到最高點之后，其下降的速度會減慢。第三，路面層底拉應(yīng)力會直接給路面造成過大的疲勞損壞和影響，這是重要性的指標(biāo)，同時也會隨著土基模量變化表現(xiàn)出非線性衰減變化。