基于路基設計參數對路面設計的影響分析

熊鋒

（江西省贛南公路勘察設計院有限公司，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，要選擇合適的土基模量參數，準確掌握每個結構的組成情況，并確保路基的強度符合標準。經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準和支持，也為工程建設提供標準與支持[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系

土基是路面結構的基礎部分，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生積極的作用。要全面提升土基強度，達到結構運行性能的標準，滿足正常的使用標準。土基如果穩定性不足，性能就會降低，出現結構變形問題而引發結構的損害。由此可見，土基模量真實地反映出土基強度，是重要的指標之一。

1.1.1 幾種土基模量的概念

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

經過對圖1的變化趨勢分析發現，土體屬于非線性彈—塑性變形體的形式，彈性模量重要體現出彈性材料應力應變關系的物理指標，所以只是應用彈性模量來體現應力應變關系是無法滿足要求的。從以往的習慣方面分析，研究人員通常會選擇測定模量參數的方式以掌握其應變的關系，這是對土體結構性能分析的重要參數和方式，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，很多研究人員只關注其彈性變化方面，所以在土體結構受力條件之下，檢測確定瞬時應變更加準確，掌握法向應力與土的應變比值，對于土體的性質分析比較直接。有些研究學者會優先應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的數據變化情況，以得到相關的數據信息。有些研究學者通過試驗的方式測定土體的模量參數，可以通過對土體施加不同荷載的方法展開變形參數的測量，并根據需要繪制相應曲線，掌握其變化的情況[2]。有些學者更加傾向于應用承載板試驗的方法得出回彈模量數據，并快速分析循環荷載影響下的參數變化，其主要采用拉伸或者壓縮的操作方式以改變結構形式，得到彈性應變參數，準確掌握回彈模量，這是反映土體性質的關鍵性參數，是研究人員關注的重點。

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參數，都能夠反映出土體強度性能方面，其本質是反映出土體應力應變關系，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系。要對土體性質進行分析，經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論，主要是因為土體組成復雜性高，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確數據信息的，所以應用范圍比較有限。在設計的分析中，土體變形模量不是固定的，其數據的測量和計算會存在較高的復雜性，難以準確掌握相關的數據信息。基于此，計算變形模量環節，必須對應力條件做出全面的分析，并結合試驗的結論及時改進、完善以及調整，才能使計算數據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系，要從實際情況計算分析，才能確定最為真實的數據信息，以便展開分析和研究，確定土體的性質。

1.2 土體性質影響分析

土體的結構形式對于土基的性能會存在較大的影響，其關系到路基是否具備較高的強度以及穩定性，從而達到支撐效果的要求。考慮到不同類型土體的差異，其內部組成的顆粒物性質相差比較大，有些土體內的砂礫占比較大，有些則黏粒占比較大，還有些土體內的粉質顆粒占比較大，不同組成部分的土體其性質有著很大差異，對于工程的影響也比較大。砂質土內的強度性能比較高，該材料一般不會直接受到水的影響，分析后發現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，內部關系也非常復雜，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；粉質土的特點是內部存在很多的空隙，所以在使用時極易產生移動或者聚集的變化，造成不同位置上土體的性質有著很大的差異，測定的難度比較高，且容易產生吸水率升高的問題，最終出現了土基的凍脹或者翻漿問題，極易造成道路工程結構的損壞，產生的危害性是很強的。總之，路基是道路的主要組成結構，土質是基本構成部分，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系。根據其變化趨勢發現，兩者的關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就反映出最大干密度，這種情況下應用水膜理論分析即可得出。從目前的研究結論分析可以掌握到，當前的土體內水的存在形式是如下兩種：第一種為自由水，就是水在土體內可以自由流淌和活動，完全是液體的形態；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存在，該種形式的水使得土體表面張力會發生變化。在土體結構內會有電子力，這種情況下發生彈性改變，導致水膜會有固體性質存在，如抗剪性、黏滯性等，容易導致水膜發生變化。在水膜的厚度持續性增加的態勢之下，內部顆粒難以吸收掉水分，這樣固體的結構性質出現了較大的變化，當厚度增加到某個臨界的狀態后，電子力的作用就會消失，這時的抗剪性能是最低的。根據當前的研究結論分析發現，如果土體結構內的電子力存在，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系，這也是分析土基施工要點的關鍵性理論。

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，該參數對應之下就是最大干密度。在含水量處于發展變化的動態之下，土體顆粒也會產生很大的變化，水膜會保持飽和的形態，自由水在內部不斷地積聚，數量日益地增多，土體顆粒并不會存在摩擦力、黏結力，結構的強度就會出現很大的變化，相互之間會發生滑動反應，最終使得土體結構出現的流塑的變化狀態。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，但是短時間內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，所以孔隙內的水會抵抗土體顆粒的進一步融合反應，也會造成壓實度性能降低，壓實度相關影響之下也會出現下降的情況，而且會不斷降低。因此，土體內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

經過試驗確定回彈模量和含水量的關系，得出液限黏土的性質有著很大的差異，選取三個含水量數據進行分析和研究，檢測其回彈模量數據的變化，將結果編制。經過對表內數據分析得出如下結論：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，含水量也會出現一定的變化，性能和參數的改變會更加明顯。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的影響，其相應的土基回彈模量也會不斷升高。

經過分析多種土質條件的差異，在數據達到最佳含水量后，擊實次數與壓實度的關系也會發生變化。經過在初期的試驗環節，壓實度的變化趨勢比較明顯，即擊實次數的增加壓實度就會提升，但是經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增加。這樣可以得出結果，壓實度受到擊實的影響，但是達到相應的標準后，即不會發生變化，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 結構參數對彎沉指標的影響

在項目分析中，主要是從土基模量、結構層厚度與模量方面出發進行分析，掌握其對于路標和土基彎沉方面的影響，該數據都是在土基回彈模量和各層模量分析后得出的。經過對土基內回彈模量方面的分析和研究，得出相關的技術參數，并且能夠及時掌握土基回彈模量受到的影響因素。

應用專業性的軟件分析不同路面結構所產生的不同路面結構彎沉值參數分析，并展開對比和分析，最終可以掌握土基回填量與各個結構參數造成的影響。分析該參數所產生的影響，了解到參數變化的情況。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現，土基回彈模量受到很多因素干擾，并在其中有主導性作用。彎沉指標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，路表彎沉會減小，但是兩者并不存在正比例變化關系。土基回彈模量較小的狀態之下，該參數的升高導致彎沉值的下降，但是在土基回彈模量達到較大的數值后，繼續增加時，路表彎沉減小幅度比較小，變化趨勢也不明顯。但是經過分析發現，各個結構層產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，所以技術人員、施工人員應加強土基回填模量的研究，掌握土體變化趨勢，并根據該趨勢制定合理的施工工藝方案，做好現場控制，才能提高結構性能，保證工程的質量和安全符合要求。同時，還要保證不會給基層、底基層造成過大的影響，從而使結構的性能符合標準要求，預防產生嚴重的質量問題，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 結論

對于本文分析總結各個方面的影響因素，發現在路基設計中，土基模量的影響因素比較大，同時對于路面彎沉、層底拉應力造成較大的影響，可以得出如下幾項結論：第一，土基模量是重要的土體性能參數，會給路面結構造成很大的影響，該參數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。第二，土基模量所產生的變化會給路面彎沉帶來影響，即土基模量升高，路面彎沉會逐步減小，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，同時也會隨著土基模量變化表現出非線性衰減變化。