高速公路路基強度的影響因素分析

韓曉宇

(山西交通養護集團有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

隨著我國國民經濟的快速發展和社會的日益進步，自上世紀90年代以來，我國的公路交通事業取得了突飛猛進的發展，公路總里程不斷增長，國家公路網建設日益完善[1,2]。我國90%的路面為瀝青路面，通過調查發現，我國瀝青路面的早期破壞非常嚴重，很多道路在建成不久即出現路面沉降、裂縫和車轍等破壞[3,4]。而路面的破壞大都是由于路基強度和穩定性不足造成的，路基強度不足會引發路基的凍脹破壞，而凍脹破壞又會加速路基出現翻漿現象，因此使路面的結構層斷裂[5]，例如陜北延安至黃陵高速公路工程，由于路基填筑時采用粘性土，土體本身強度較弱，路基本身強度較低，在運營后由于路基強度不足出現一定的沉降，導致路面局部出現裂縫。路基強度與路基土的性質、含水率和壓實度等因素密且相關[6]。

1 路基強度的影響因素

1.1 土的性質對路基強度的影響

土的類型不同，其工程性質不同，在相同施工條件下路基的強度不同，因此土的工程性質直接決定著高速公路路基的強度和穩定性。不同的土類顆粒組成必定會有所不同，如果土中的砂粒土含量較多，則土的強度主要以內摩擦力為主，且土的整體強度高，穩定性好，受水流沖刷的影響小，用此類土修筑的路基強度較高、穩定性較好，但是施工時不容易壓實。較細的砂性土，當發生滲流作用時，容易發生流動而形成流砂，因此用此類土修筑的路基其強度較低、穩定性較差。粘性成分較多的土，其強度的構成主要以粘聚力為主，同時密實度對其強度的影響很大，密實度越大，粘性土的強度越高；粘性土的強度也受濕度的影響，濕度越大強度越低。粉性土，由于其毛細現象強烈，在車輛荷載的碾壓作用下毛細水逐漸上升，使路基路面的強度和承載能力下降，同時粉性土濕度越大，對應的路基的強度越低；在季節性冰凍區，由于晝夜溫差比較大，產生的溫度應力使水分通過毛細管移動并發生積聚，使公路路基部分區域濕度大幅增大，從而造成路基發生凍脹破壞，凍脹的出現加快了路基的翻漿破壞，從而造成路面出現結構層斷裂的破壞。綜合起來講，用土進行高速公路路基填筑時，砂性土最優，粘性土次之，當選用粉性土時，最容引發路基的種種破壞。

進行柔性路面結構設計時，對路基的回彈模量進行計算

E0=A(W/Wy)-h

(1)

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

為了驗證路基回彈模量計算公式的正確性，以陜北延安至黃陵高速公路的粘性土為例，測定粘性土的壓實度、物理指標，并計算其回彈模量E0，并利用大型承載板試驗測定粘性土的真實回彈模量，與計算值作比較，驗證計算值得準確性，結果見表1。

從表1可以看出，粘性土路基回彈模量的計算值與實測值之間具有很好的相關性，相關性系數為0.96，表明公式(1)對路基的回彈模量進行計算是可行的。

1.2 含水量對路基強度的影響

含水量影響路基的強度，是因為含水量會直接影響著路基的壓實度，含水量太大或者太小都會嚴重影響著路基的壓實度，只有當含水量達到最佳含水量時，壓實度才會達到最大值，此時路基強度最高，穩定性最好。規范中常用擊實試驗確定路基土的最佳含水量，擊實試驗結果見圖1。

圖1 細粒土擊實試驗曲線

從圖1可以看出，當含水量低于最佳含水量時，隨著含水量的增大，土的干密度逐漸增大，而當含水量超過最佳含水量后，再增大含水量反而會使土的干密度減小。存在于土中的水可以分成兩類，一類是具有液體通性的自由水，一類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。對應的土樣含水量越小時，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，路基壓實時所需要的壓實功就越大。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，當土樣的抗剪力趨于0時，只需要很小的壓實功就能使土的干密度達到最大值，此時對應的含水量為最佳含水量。當含水量超過最佳含水量時，再增大含水量，土樣的吸水達到飽和狀態，多余的水分在土顆粒之間形成一層潤滑膜，潤滑膜的出現，降低了土顆粒之間的粘結力和摩擦力，此時隨著壓實的進行，壓實功不能全部傳遞至土顆粒上，相當一部分壓實功作用在自由水上，而水又不能及時排除土體外部，因此產生孔隙壓力，孔隙壓力的出現，阻止了土顆粒之間的緊密排列，土的干密度反而會降低，壓實度隨之減小。

1.3 壓實度對路基強度的影響

研究表明，80%左右的道路損毀是由于路基變形而引起的，同時路基強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度很穩定性，就必須保證路基具有足夠的強度，而路基強度又與壓實度密切相關。路基土通常分為兩部分，一部分是由多個土顆粒黏聚在一起形成的土塊或土團，另一部分是單個的土顆粒，在對路基進行碾壓時，會使土塊、土團和土顆粒進行重新排列，并且使小顆粒進入大顆粒形成的孔隙之中。

土經壓實后具有一定的抗剪能力，且抗剪能力與土體受剪時對應的含水量和密度密切相關。當含水量大于最佳含水量時，由于孔隙壓力的作用，土的強度很低，隨著含水量的降低，土的強度逐漸增大，直至低于最佳含水量時，雖然土的干容重較小，但其強度卻有很大的提高。這是因為此時壓實功并未使土樣達到最佳的密實狀態，但壓實功能夠克服土體顆粒之間相互作用力所做的功，使土的結構發生變化，因此強度提高。在一定條件下，提高壓實功能明顯提高土樣的密實度，使路基強度得到提高，但壓實功不能太大。

2 結 論

高速公路路基強度與路基土的性質、含水量和壓實度等因素密切相關，經分析各因素路基強度的影響規律如下。

(1)土的類型不同，其工程性質不同，在相同施工條件下路基的強度和穩定性不同；用土進行高速公路路基填筑時，砂性土最優，粘性土次之，粉性土最差；粘性土路基回彈模量的計算值與實測值之間具有很好的相關性，用相關模型對路基的回彈模量進行計算是可行的。

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

(3)壓實功能夠克服土體顆粒之間相互作用力所做的功，使土的結構發生變化，因此強度提高。在一定條件下，提高壓實功能明顯提高土樣的密實度，使路基強度得到提高。