高速公路路基强度的影响因素分析

韩晓宇

(山西交通养护集团有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

随着我国国民经济的快速发展和社会的日益进步，自上世纪90年代以来，我国的公路交通事业取得了突飞猛进的发展，公路总里程不断增长，国家公路网建设日益完善[1,2]。我国90%的路面为沥青路面，通过调查发现，我国沥青路面的早期破坏非常严重，很多道路在建成不久即出现路面沉降、裂缝和车辙等破坏[3,4]。而路面的破坏大都是由于路基强度和稳定性不足造成的，路基强度不足会引发路基的冻胀破坏，而冻胀破坏又会加速路基出现翻浆现象，因此使路面的结构层断裂[5]，例如陕北延安至黄陵高速公路工程，由于路基填筑时采用粘性土，土体本身强度较弱，路基本身强度较低，在运营后由于路基强度不足出现一定的沉降，导致路面局部出现裂缝。路基强度与路基土的性质、含水率和压实度等因素密且相关[6]。

1 路基强度的影响因素

1.1 土的性质对路基强度的影响

土的类型不同，其工程性质不同，在相同施工条件下路基的强度不同，因此土的工程性质直接决定着高速公路路基的强度和稳定性。不同的土类颗粒组成必定会有所不同，如果土中的砂粒土含量较多，则土的强度主要以内摩擦力为主，且土的整体强度高，稳定性好，受水流冲刷的影响小，用此类土修筑的路基强度较高、稳定性较好，但是施工时不容易压实。较细的砂性土，当发生渗流作用时，容易发生流动而形成流砂，因此用此类土修筑的路基其强度较低、稳定性较差。粘性成分较多的土，其强度的构成主要以粘聚力为主，同时密实度对其强度的影响很大，密实度越大，粘性土的强度越高；粘性土的强度也受湿度的影响，湿度越大强度越低。粉性土，由于其毛细现象强烈，在车辆荷载的碾压作用下毛细水逐渐上升，使路基路面的强度和承载能力下降，同时粉性土湿度越大，对应的路基的强度越低；在季节性冰冻区，由于昼夜温差比较大，产生的温度应力使水分通过毛细管移动并发生积聚，使公路路基部分区域湿度大幅增大，从而造成路基发生冻胀破坏，冻胀的出现加快了路基的翻浆破坏，从而造成路面出现结构层断裂的破坏。综合起来讲，用土进行高速公路路基填筑时，砂性土最优，粘性土次之，当选用粉性土时，最容引发路基的种种破坏。

进行柔性路面结构设计时，对路基的回弹模量进行计算

E0=A(W/Wy)-h

(1)

式中：M为砂粒含量，以小数记，%；Ipy为以76 g平衡锤测得土的液限与塑限之差，%；w为路基的含水量，%；wy为以76 g平衡锤测得土的液限，%；KL为路基压实度，%。

为了验证路基回弹模量计算公式的正确性，以陕北延安至黄陵高速公路的粘性土为例，测定粘性土的压实度、物理指标，并计算其回弹模量E0，并利用大型承载板试验测定粘性土的真实回弹模量，与计算值作比较，验证计算值得准确性，结果见表1。

从表1可以看出，粘性土路基回弹模量的计算值与实测值之间具有很好的相关性，相关性系数为0.96，表明公式(1)对路基的回弹模量进行计算是可行的。

1.2 含水量对路基强度的影响

含水量影响路基的强度，是因为含水量会直接影响着路基的压实度，含水量太大或者太小都会严重影响着路基的压实度，只有当含水量达到最佳含水量时，压实度才会达到最大值，此时路基强度最高，稳定性最好。规范中常用击实试验确定路基土的最佳含水量，击实试验结果见图1。

图1 细粒土击实试验曲线

从图1可以看出，当含水量低于最佳含水量时，随着含水量的增大，土的干密度逐渐增大，而当含水量超过最佳含水量后，再增大含水量反而会使土的干密度减小。存在于土中的水可以分成两类，一类是具有液体通性的自由水，一类是包裹在土体颗粒表面的水，这种水在土颗粒表面形成一层弹性水膜。由于电子吸力的作用，弹性水膜具有典型的粘滞性、抗剪性和弹性，且弹性水膜越薄，这种作用越明显。对应的土样含水量越小时，弹性水膜越薄，土颗粒表面的电子吸力就越大，因此土的抗剪能力越强，路基压实时所需要的压实功就越大。随着含水量的增大，弹性水膜厚度逐渐增加，土样的抗剪能力逐渐降低，当土样的抗剪力趋于0时，只需要很小的压实功就能使土的干密度达到最大值，此时对应的含水量为最佳含水量。当含水量超过最佳含水量时，再增大含水量，土样的吸水达到饱和状态，多余的水分在土颗粒之间形成一层润滑膜，润滑膜的出现，降低了土颗粒之间的粘结力和摩擦力，此时随着压实的进行，压实功不能全部传递至土颗粒上，相当一部分压实功作用在自由水上，而水又不能及时排除土体外部，因此产生孔隙压力，孔隙压力的出现，阻止了土颗粒之间的紧密排列，土的干密度反而会降低，压实度随之减小。

1.3 压实度对路基强度的影响

研究表明，80%左右的道路损毁是由于路基变形而引起的，同时路基强度的大小直接影响着路基的变形。因此，为了保证道路具有足够的强度很稳定性，就必须保证路基具有足够的强度，而路基强度又与压实度密切相关。路基土通常分为两部分，一部分是由多个土颗粒黏聚在一起形成的土块或土团，另一部分是单个的土颗粒，在对路基进行碾压时，会使土块、土团和土颗粒进行重新排列，并且使小颗粒进入大颗粒形成的孔隙之中。

土经压实后具有一定的抗剪能力，且抗剪能力与土体受剪时对应的含水量和密度密切相关。当含水量大于最佳含水量时，由于孔隙压力的作用，土的强度很低，随着含水量的降低，土的强度逐渐增大，直至低于最佳含水量时，虽然土的干容重较小，但其强度却有很大的提高。这是因为此时压实功并未使土样达到最佳的密实状态，但压实功能够克服土体颗粒之间相互作用力所做的功，使土的结构发生变化，因此强度提高。在一定条件下，提高压实功能明显提高土样的密实度，使路基强度得到提高，但压实功不能太大。

2 结 论

高速公路路基强度与路基土的性质、含水量和压实度等因素密切相关，经分析各因素路基强度的影响规律如下。

(1)土的类型不同，其工程性质不同，在相同施工条件下路基的强度和稳定性不同；用土进行高速公路路基填筑时，砂性土最优，粘性土次之，粉性土最差；粘性土路基回弹模量的计算值与实测值之间具有很好的相关性，用相关模型对路基的回弹模量进行计算是可行的。

(2)当含水量低于最佳含水量时，随着含水量的增大，土的干密度逐渐增大，而当含水量超过最佳含水量后，再增大含水量反而会使土的干密度减小。

(3)压实功能够克服土体颗粒之间相互作用力所做的功，使土的结构发生变化，因此强度提高。在一定条件下，提高压实功能明显提高土样的密实度，使路基强度得到提高。