基于路基设计参数对路面设计的影响分析

熊锋

（江西省赣南公路勘察设计院有限公司，江西 赣州 341000）

土基模量主要反映土基强度方面的指标，要选择合适的土基模量参数，准确掌握每个结构的组成情况，并确保路基的强度符合标准。经过对多种土基模量展开深入的分析，并且分析土基回弹模量的影响因素，为确定土基回弹模量提供标准和支持，也为工程建设提供标准与支持[1]。

1.1 几种土基模量的概念及相互关系

土基是路面结构的基础部分，主要反映出整个路面工程的承载力性能，对于提高项目运行水平产生积极的作用。要全面提升土基强度，达到结构运行性能的标准，满足正常的使用标准。土基如果稳定性不足，性能就会降低，出现结构变形问题而引发结构的损害。由此可见，土基模量真实地反映出土基强度，是重要的指标之一。

1.1.1 几种土基模量的概念

我国不同地区的土体性质有着很大的不同，各个地区都有非常独特的特点，所以在施工中必须掌握区域内土基模量的差异，并针对性地采取必要的应对措施。在此次研究中，使用三轴压缩试验的方式展开检测和分析，更好地掌握侧限力的影响，分析其荷载变化的情况，并对现场的土体和应力应变展开具体的分析，然后将其绘制成曲线的形式，体现出其具体的性能，具体可见图1。

经过对图1的变化趋势分析发现，土体属于非线性弹—塑性变形体的形式，弹性模量重要体现出弹性材料应力应变关系的物理指标，所以只是应用弹性模量来体现应力应变关系是无法满足要求的。从以往的习惯方面分析，研究人员通常会选择测定模量参数的方式以掌握其应变的关系，这是对土体结构性能分析的重要参数和方式，对于土体的了解也会更加清晰、明确。对于土体的模量分析时，很多研究人员只关注其弹性变化方面，所以在土体结构受力条件之下，检测确定瞬时应变更加准确，掌握法向应力与土的应变比值，对于土体的性质分析比较直接。有些研究学者会优先应用土体弹性模量展开测量和分析，也可以在施加荷载之后掌握相关的数据变化情况，以得到相关的数据信息。有些研究学者通过试验的方式测定土体的模量参数，可以通过对土体施加不同荷载的方法展开变形参数的测量，并根据需要绘制相应曲线，掌握其变化的情况[2]。有些学者更加倾向于应用承载板试验的方法得出回弹模量数据，并快速分析循环荷载影响下的参数变化，其主要采用拉伸或者压缩的操作方式以改变结构形式，得到弹性应变参数，准确掌握回弹模量，这是反映土体性质的关键性参数，是研究人员关注的重点。

图1 曲线图

1.1.2 各种土基模量之间的异同

上文中提出了多种土基强度指标参数，都能够反映出土体强度性能方面，其本质是反映出土体应力应变关系，只是它们所描述的方法有差异，试验的方法也有所不同，下面具体分析其存在的关系。要对土体性质进行分析，经过试验可以得出变形模量比弹性模量要小很多，之所以会得出这一结论，主要是因为土体组成复杂性高，就表面分析为弹性体的形式，而实际上往往并非如此，且该分析的方式一般都会在变形量不大的条件下使用，对于很多情况下是难以获得准确数据信息的，所以应用范围比较有限。在设计的分析中，土体变形模量不是固定的，其数据的测量和计算会存在较高的复杂性，难以准确掌握相关的数据信息。基于此，计算变形模量环节，必须对应力条件做出全面的分析，并结合试验的结论及时改进、完善以及调整，才能使计算数据和实际情况相差较小。但是不同承载板的试验方面会存在着较大的关系，要从实际情况计算分析，才能确定最为真实的数据信息，以便展开分析和研究，确定土体的性质。

1.2 土体性质影响分析

土体的结构形式对于土基的性能会存在较大的影响，其关系到路基是否具备较高的强度以及稳定性，从而达到支撑效果的要求。考虑到不同类型土体的差异，其内部组成的颗粒物性质相差比较大，有些土体内的砂砾占比较大，有些则黏粒占比较大，还有些土体内的粉质颗粒占比较大，不同组成部分的土体其性质有着很大差异，对于工程的影响也比较大。砂质土内的强度性能比较高，该材料一般不会直接受到水的影响，分析后发现这种材料的强度性主要是摩擦作用之下形成的；
黏土因为组成的材料比较多，内部关系也非常复杂，所以强度的影响因素比较多，通常来说，含水量升高其强度会降低；
粉质土的特点是内部存在很多的空隙，所以在使用时极易产生移动或者聚集的变化，造成不同位置上土体的性质有着很大的差异，测定的难度比较高，且容易产生吸水率升高的问题，最终出现了土基的冻胀或者翻浆问题，极易造成道路工程结构的损坏，产生的危害性是很强的。总之，路基是道路的主要组成结构，土质是基本构成部分，所以性能影响较大，其性能从高到低依次是砂性土、黏性土、粉性土等。

1.3 含水量的影响分析

从图2可以明显看出，含水量会对干密度造成较大的影响，这几乎是所有土体都存在的关系。根据其变化趋势发现，两者的关系曲线为向下开口的抛物线，所以含量较小的情况下，干密度在水分增加的情况下会增加，在到达顶点后就会逐步减小。曲线达到顶峰的位置上即为最佳含水量的要求，该处位置上的含水量参数就反映出最大干密度，这种情况下应用水膜理论分析即可得出。从目前的研究结论分析可以掌握到，当前的土体内水的存在形式是如下两种：第一种为自由水，就是水在土体内可以自由流淌和活动，完全是液体的形态；
第二种为水膜，这时水并不是流动的，会在土体颗粒包裹性质存在，该种形式的水使得土体表面张力会发生变化。在土体结构内会有电子力，这种情况下发生弹性改变，导致水膜会有固体性质存在，如抗剪性、黏滞性等，容易导致水膜发生变化。在水膜的厚度持续性增加的态势之下，内部颗粒难以吸收掉水分，这样固体的结构性质出现了较大的变化，当厚度增加到某个临界的状态后，电子力的作用就会消失，这时的抗剪性能是最低的。根据当前的研究结论分析发现，如果土体结构内的电子力存在，就是束缚水，而没有电子力就是自由水。通过人类在外部施加压力，束缚水会以弹性形式存在，达到抗剪力的效果，避免颗粒之间发生相互的移动，而自由水会以润滑剂的形式存在，分析该理论方面，得出含水量与压实度方面存在着一定的关系，这也是分析土基施工要点的关键性理论。

图2 最大干密度曲线图

如果土基的含水量比较小，每个土体颗粒表面存在的水膜厚度也会很小，这种情况下非常容易受到表面电子力的作用，抗剪力性能会更加明显，总体性能比较好，从而也会形成较好的压实性。在含水量不断增大的情况下，使得水膜的厚度也会表现出增大的变化趋势，抗剪力性能会逐步降低，直到最终达到零时，压实功能也会处于最低的位置上，这时就是最佳含水量参数，该参数对应之下就是最大干密度。在含水量处于发展变化的动态之下，土体颗粒也会产生很大的变化，水膜会保持饱和的形态，自由水在内部不断地积聚，数量日益地增多，土体颗粒并不会存在摩擦力、黏结力，结构的强度就会出现很大的变化，相互之间会发生滑动反应，最终使得土体结构出现的流塑的变化状态。这样的情况下，土体颗粒中的骨架就会逐步被水体骨架所替代，短暂的压实功也只能是在自由水中出现，但是短时间内自由水并不能及时排出，所以无法将表面受到的压实功传输给土体颗粒，而是自由水产生的作用，所以要考虑到孔隙水压力方面，其会消耗比较多的压实功能，而压实性却比较差，所以孔隙内的水会抵抗土体颗粒的进一步融合反应，也会造成压实度性能降低，压实度相关影响之下也会出现下降的情况，而且会不断降低。因此，土体内的含水量对于压实效果会存在直接的影响。

经过试验确定回弹模量和含水量的关系，得出液限黏土的性质有着很大的差异，选取三个含水量数据进行分析和研究，检测其回弹模量数据的变化，将结果编制。经过对表内数据分析得出如下结论：第一，压实性一致的条件下，土体模量最大是在含水量最佳的条件下得到的。第二，有些区域比较特殊的液限黏土，回弹模量会有较大的改变，含水量也会出现一定的变化，性能和参数的改变会更加明显。比如，分析压实度为93%的土体材料，将试验样品中的最佳含水量提升15%后，其回弹模量只减小5%左右。但是对于液限黏土来说，回弹模量往往会因为含水量的变化而变化，并且压实度性能受到压实次数的影响，其相应的土基回弹模量也会不断升高。

经过分析多种土质条件的差异，在数据达到最佳含水量后，击实次数与压实度的关系也会发生变化。经过在初期的试验环节，压实度的变化趋势比较明显，即击实次数的增加压实度就会提升，但是经过分析后得出土体的强度达到一定要求后，压实度也不会再继续增加。这样可以得出结果，压实度受到击实的影响，但是达到相应的标准后，即不会发生变化，也就是初期的击实可以增加压实度，而全压实后，再进行击实只能起到扰动的作用，并不会真正地影响压实度，这是需要注意的。

在项目分析中，主要是从土基模量、结构层厚度与模量方面出发进行分析，掌握其对于路标和土基弯沉方面的影响，该数据都是在土基回弹模量和各层模量分析后得出的。经过对土基内回弹模量方面的分析和研究，得出相关的技术参数，并且能够及时掌握土基回弹模量受到的影响因素。

应用专业性的软件分析不同路面结构所产生的不同路面结构弯沉值参数分析，并展开对比和分析，最终可以掌握土基回填量与各个结构参数造成的影响。分析该参数所产生的影响，了解到参数变化的情况。为了能直观观察到变化效果，绘制出变化曲线如图3-图5所示。

图3 路表弯沉随土基模量和底基层模量变化曲线

从图3-图5图形变化特点分析发现，土基回弹模量受到很多因素干扰，并在其中有主导性作用。弯沉指标会给土基回弹模量变化带来较大的敏感性。随着土基回弹模量的提高，路表弯沉会减小，但是两者并不存在正比例变化关系。土基回弹模量较小的状态之下，该参数的升高导致弯沉值的下降，但是在土基回弹模量达到较大的数值后，继续增加时，路表弯沉减小幅度比较小，变化趋势也不明显。但是经过分析发现，各个结构层产生较大变化的情况下，对弯沉影响是比较小的。总之，土基回弹模量会给路表弯沉造成较大的影响，所以技术人员、施工人员应加强土基回填模量的研究，掌握土体变化趋势，并根据该趋势制定合理的施工工艺方案，做好现场控制，才能提高结构性能，保证工程的质量和安全符合要求。同时，还要保证不会给基层、底基层造成过大的影响，从而使结构的性能符合标准要求，预防产生严重的质量问题，提高工程的施工效果和水平。

图4 路表弯沉随土基模量和基层模量变化曲线

图5 路表弯沉随土基模量和面层模量变化曲线

对于本文分析总结各个方面的影响因素，发现在路基设计中，土基模量的影响因素比较大，同时对于路面弯沉、层底拉应力造成较大的影响，可以得出如下几项结论：第一，土基模量是重要的土体性能参数，会给路面结构造成很大的影响，该参数会受到土体黏粒含量的影响，也会干扰含水量、压实度等方面的参数。第二，土基模量所产生的变化会给路面弯沉带来影响，即土基模量升高，路面弯沉会逐步减小，但是在达到最高点之后，其下降的速度会减慢。第三，路面层底拉应力会直接给路面造成过大的疲劳损坏和影响，这是重要性的指标，同时也会随着土基模量变化表现出非线性衰减变化。