高速公路路基強(qiáng)度的影響因素分析

韓曉宇

(山西交通養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)的日益進(jìn)步，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)的公路交通事業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，公路總里程不斷增長(zhǎng)，國(guó)家公路網(wǎng)建設(shè)日益完善[1,2]。我國(guó)90%的路面為瀝青路面，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)瀝青路面的早期破壞非常嚴(yán)重，很多道路在建成不久即出現(xiàn)路面沉降、裂縫和車(chē)轍等破壞[3,4]。而路面的破壞大都是由于路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足造成的，路基強(qiáng)度不足會(huì)引發(fā)路基的凍脹破壞，而凍脹破壞又會(huì)加速路基出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象，因此使路面的結(jié)構(gòu)層斷裂[5]，例如陜北延安至黃陵高速公路工程，由于路基填筑時(shí)采用粘性土，土體本身強(qiáng)度較弱，路基本身強(qiáng)度較低，在運(yùn)營(yíng)后由于路基強(qiáng)度不足出現(xiàn)一定的沉降，導(dǎo)致路面局部出現(xiàn)裂縫。路基強(qiáng)度與路基土的性質(zhì)、含水率和壓實(shí)度等因素密且相關(guān)[6]。

1 路基強(qiáng)度的影響因素

1.1 土的性質(zhì)對(duì)路基強(qiáng)度的影響

土的類(lèi)型不同，其工程性質(zhì)不同，在相同施工條件下路基的強(qiáng)度不同，因此土的工程性質(zhì)直接決定著高速公路路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。不同的土類(lèi)顆粒組成必定會(huì)有所不同，如果土中的砂粒土含量較多，則土的強(qiáng)度主要以?xún)?nèi)摩擦力為主，且土的整體強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，受水流沖刷的影響小，用此類(lèi)土修筑的路基強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好，但是施工時(shí)不容易壓實(shí)。較細(xì)的砂性土，當(dāng)發(fā)生滲流作用時(shí)，容易發(fā)生流動(dòng)而形成流砂，因此用此類(lèi)土修筑的路基其強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性較差。粘性成分較多的土，其強(qiáng)度的構(gòu)成主要以粘聚力為主，同時(shí)密實(shí)度對(duì)其強(qiáng)度的影響很大，密實(shí)度越大，粘性土的強(qiáng)度越高；粘性土的強(qiáng)度也受濕度的影響，濕度越大強(qiáng)度越低。粉性土，由于其毛細(xì)現(xiàn)象強(qiáng)烈，在車(chē)輛荷載的碾壓作用下毛細(xì)水逐漸上升，使路基路面的強(qiáng)度和承載能力下降，同時(shí)粉性土濕度越大，對(duì)應(yīng)的路基的強(qiáng)度越低；在季節(jié)性冰凍區(qū)，由于晝夜溫差比較大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力使水分通過(guò)毛細(xì)管移動(dòng)并發(fā)生積聚，使公路路基部分區(qū)域濕度大幅增大，從而造成路基發(fā)生凍脹破壞，凍脹的出現(xiàn)加快了路基的翻漿破壞，從而造成路面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層斷裂的破壞。綜合起來(lái)講，用土進(jìn)行高速公路路基填筑時(shí)，砂性土最優(yōu)，粘性土次之，當(dāng)選用粉性土?xí)r，最容引發(fā)路基的種種破壞。

進(jìn)行柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)路基的回彈模量進(jìn)行計(jì)算

E0=A(W/Wy)-h

(1)

式中：M為砂粒含量，以小數(shù)記，%；Ipy為以76 g平衡錘測(cè)得土的液限與塑限之差，%；w為路基的含水量，%；wy為以76 g平衡錘測(cè)得土的液限，%；KL為路基壓實(shí)度，%。

為了驗(yàn)證路基回彈模量計(jì)算公式的正確性，以陜北延安至黃陵高速公路的粘性土為例，測(cè)定粘性土的壓實(shí)度、物理指標(biāo)，并計(jì)算其回彈模量E0，并利用大型承載板試驗(yàn)測(cè)定粘性土的真實(shí)回彈模量，與計(jì)算值作比較，驗(yàn)證計(jì)算值得準(zhǔn)確性，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，粘性土路基回彈模量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間具有很好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.96，表明公式(1)對(duì)路基的回彈模量進(jìn)行計(jì)算是可行的。

1.2 含水量對(duì)路基強(qiáng)度的影響

含水量影響路基的強(qiáng)度，是因?yàn)楹繒?huì)直接影響著路基的壓實(shí)度，含水量太大或者太小都會(huì)嚴(yán)重影響著路基的壓實(shí)度，只有當(dāng)含水量達(dá)到最佳含水量時(shí)，壓實(shí)度才會(huì)達(dá)到最大值，此時(shí)路基強(qiáng)度最高，穩(wěn)定性最好。規(guī)范中常用擊實(shí)試驗(yàn)確定路基土的最佳含水量，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 細(xì)粒土擊實(shí)試驗(yàn)曲線

從圖1可以看出，當(dāng)含水量低于最佳含水量時(shí)，隨著含水量的增大，土的干密度逐漸增大，而當(dāng)含水量超過(guò)最佳含水量后，再增大含水量反而會(huì)使土的干密度減小。存在于土中的水可以分成兩類(lèi)，一類(lèi)是具有液體通性的自由水，一類(lèi)是包裹在土體顆粒表面的水，這種水在土顆粒表面形成一層彈性水膜。由于電子吸力的作用，彈性水膜具有典型的粘滯性、抗剪性和彈性，且彈性水膜越薄，這種作用越明顯。對(duì)應(yīng)的土樣含水量越小時(shí)，彈性水膜越薄，土顆粒表面的電子吸力就越大，因此土的抗剪能力越強(qiáng)，路基壓實(shí)時(shí)所需要的壓實(shí)功就越大。隨著含水量的增大，彈性水膜厚度逐漸增加，土樣的抗剪能力逐漸降低，當(dāng)土樣的抗剪力趨于0時(shí)，只需要很小的壓實(shí)功就能使土的干密度達(dá)到最大值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的含水量為最佳含水量。當(dāng)含水量超過(guò)最佳含水量時(shí)，再增大含水量，土樣的吸水達(dá)到飽和狀態(tài)，多余的水分在土顆粒之間形成一層潤(rùn)滑膜，潤(rùn)滑膜的出現(xiàn)，降低了土顆粒之間的粘結(jié)力和摩擦力，此時(shí)隨著壓實(shí)的進(jìn)行，壓實(shí)功不能全部傳遞至土顆粒上，相當(dāng)一部分壓實(shí)功作用在自由水上，而水又不能及時(shí)排除土體外部，因此產(chǎn)生孔隙壓力，孔隙壓力的出現(xiàn)，阻止了土顆粒之間的緊密排列，土的干密度反而會(huì)降低，壓實(shí)度隨之減小。

1.3 壓實(shí)度對(duì)路基強(qiáng)度的影響

研究表明，80%左右的道路損毀是由于路基變形而引起的，同時(shí)路基強(qiáng)度的大小直接影響著路基的變形。因此，為了保證道路具有足夠的強(qiáng)度很穩(wěn)定性，就必須保證路基具有足夠的強(qiáng)度，而路基強(qiáng)度又與壓實(shí)度密切相關(guān)。路基土通常分為兩部分，一部分是由多個(gè)土顆粒黏聚在一起形成的土塊或土團(tuán)，另一部分是單個(gè)的土顆粒，在對(duì)路基進(jìn)行碾壓時(shí)，會(huì)使土塊、土團(tuán)和土顆粒進(jìn)行重新排列，并且使小顆粒進(jìn)入大顆粒形成的孔隙之中。

土經(jīng)壓實(shí)后具有一定的抗剪能力，且抗剪能力與土體受剪時(shí)對(duì)應(yīng)的含水量和密度密切相關(guān)。當(dāng)含水量大于最佳含水量時(shí)，由于孔隙壓力的作用，土的強(qiáng)度很低，隨著含水量的降低，土的強(qiáng)度逐漸增大，直至低于最佳含水量時(shí)，雖然土的干容重較小，但其強(qiáng)度卻有很大的提高。這是因?yàn)榇藭r(shí)壓實(shí)功并未使土樣達(dá)到最佳的密實(shí)狀態(tài)，但壓實(shí)功能夠克服土體顆粒之間相互作用力所做的功，使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此強(qiáng)度提高。在一定條件下，提高壓實(shí)功能明顯提高土樣的密實(shí)度，使路基強(qiáng)度得到提高，但壓實(shí)功不能太大。

2 結(jié) 論

高速公路路基強(qiáng)度與路基土的性質(zhì)、含水量和壓實(shí)度等因素密切相關(guān)，經(jīng)分析各因素路基強(qiáng)度的影響規(guī)律如下。

(1)土的類(lèi)型不同，其工程性質(zhì)不同，在相同施工條件下路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性不同；用土進(jìn)行高速公路路基填筑時(shí)，砂性土最優(yōu)，粘性土次之，粉性土最差；粘性土路基回彈模量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間具有很好的相關(guān)性，用相關(guān)模型對(duì)路基的回彈模量進(jìn)行計(jì)算是可行的。

(2)當(dāng)含水量低于最佳含水量時(shí)，隨著含水量的增大，土的干密度逐漸增大，而當(dāng)含水量超過(guò)最佳含水量后，再增大含水量反而會(huì)使土的干密度減小。

(3)壓實(shí)功能夠克服土體顆粒之間相互作用力所做的功，使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此強(qiáng)度提高。在一定條件下，提高壓實(shí)功能明顯提高土樣的密實(shí)度，使路基強(qiáng)度得到提高。