土基回弹模量对沥青路面的影响

　　摘要：土基回弹模量是一个关于土的类型、含水量、压实度以及测定方法的复杂函数，本文分析了以上因素对土基回弹模量的影响，认为对于同一种土质，在一定的密实度下，其强度主要受含水量的影响，对于一定的路面结构，在考虑各结构层参数变化的基础上，分析了土基回弹模量变化对沥青路面路表弯沉的影响；土基回弹模量作为路面设计方法中的重要参数，它的不同取值会引起整个路面结构较大的变化。 　　关键词：含水量；压实度；土基回弹模量；压实度；弯沉 　　土基回弹模量是一个关于土的类型、含水量、压实度以及测定方法的复杂函数，对于同一种土质，在一定的密实度下，其强度主要受含水量的影响，土基回弹模量作为路面设计方法中的重要参数，它的不同取值会引起整个路面结构较大的变化。 　　路面设计方法的发展是随着交通发展与路面结构、材料不断地更新同步发展的。建立沥青混凝土路面结构的主要目的就是为保护路基土，使之经受车辆的直接作用，通过路面传播至土基的应力被扩散而不会造成土基过大的沉降，这一点反映在设计上，主要是控制土基顶面应力及垂直位移量。在实践中，常常出现的路面损坏现象，大部分都是由于土基强度不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生的过量变形所致，土基变形包括塑性变形和弹性变形两部分，这两类变形都将导致路面结构的不同程度和不同形式的破坏。因此，设计和构筑一个坚实、均匀、稳定的土基，提高土基的抗变形能力，是保证公路路面结构具有良好使用品质与经济效益的根本措施。 　　根据我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50―2006）的沥青路面设计方法，路面结构设计中路基力学性能参数是采用土基回弹模量，因此，土基回弹模量是我国路面设计的重要力学参数，它的确定直接影响到其它参数的选择与结构设计的结果，由于土基的受力特性是由构成土基的物理性质与土受力时的非线性决定的，所以土基的应力―应变关系呈非线性，它的弹性模量是一个条件变量，是随应力―应变关系改变而变化的。CBR值是一种评定土基及路面材料承载能力的指标。规范中在路面设计指标上是以路表弯沉作为主要指标，路表弯沉是路面整体结构（包括路基）在荷载作用下的竖向位移量，它反映了路面整体结构的抗变形能力，即路面整体结构的总刚度。不同的路面结构路表弯沉不能反应土基面工作应力状态，土基回弹模量是表征土基强度的，是路面结构设计的主要参数，它对路表弯沉的影响是很明显的，由于路表弯沉大部分都是由土基强度引起的，在对不同土基模量的路面结构设计中仅以路表弯沉为指标来判断路面结构的稳定性是不全面的。 　　土基是路面结构的最下层，承受着由面层传下来的车辆荷载和上部荷载的自重。在实际工程中，无论是水泥混凝土路面还是沥青混凝土路面出现的损坏现象，大部分都是由于土基强度不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生的过量变形所致。土基变形包括塑性变形和弹性变形两部分，过大的塑性变形将导致各种沥青路面结构产生车辙和路面不平整，因此，在路面结构设计中，土基回弹模量的合理取值至关重要，若土基回弹模量值取的过低，计算出的路面厚度将会过厚，而实际土基回弹模量在要求的压实度条件下往往超过设计值，自然会造成资金的浪费；若土基参数取值过大，施工中土基回弹模量往往达不到要求，又会引起路面的过早损坏。所以，在路面结构设计中应该合理的确定土基回弹模量值，由于土基回弹模量是一个关于土的类型、含水量、压实度以及测定方法的复杂函数，在工程实践中，应该综合考虑各方面的因素，正确处理其内在的联系，推荐能正确反映土基强度的模量值。 　　由于不同的土类具有不同的工程性质，因而将直接影响路基和路面的强度与稳定性。不同的土类含有不同粒径的土颗粒，砂粒成分多的土，强度构成以内摩擦力为主，强度高，受水的影响小，但施工时不易压实。较细的砂，在渗流情况下，容易流动，形成流砂。粘粒成分多的土，强度形成以粘聚力为主，其强度随密实程度的不同，变化较大，并随湿度的增大而降低。粉土类毛细现象强烈，路基路面的强度和承载力随着毛细水上升，湿度增大而下降，在负温度坡差作用下，水分通过毛细作用移动并积聚，使局部土层湿度大幅度增加，造成路基冻胀，最后导致路基翻浆，路面结构层断裂等各种破坏。总之，土作为路基建筑材料，砂性土最优，粘性土次之，粉性土属不良材料，最容易引起路基病害。 　　当含水量较小时，随着含水量的增加干密度会随之增大，当含水量增加到某值时干密度达到最大值，如再增加含水量曲线就开始下降，曲线上峰值点处的横坐标称为土的最佳含水量，峰值点相应纵坐标称为土的最大干密度。当土样含水量超过最佳含水量时土粒逐渐饱和，土粒间的粘结力和摩擦力逐渐消失，使土粒间产生润滑作用，同时土粒位移的阻力大为减少，导致土粒产生“滑跑”，即产生塑流现象。此时短暂的压实功只能作用在自由水上，而水又不能从土中排出.所以压实功不能全部传递到土粒上去，故产生了孔隙压力，这时压实功虽消耗很大，却不能得到较好的压实效果，而停留在孔隙中的水就阻碍了颗粒的紧密排列，土的密实度反而降低。由此表明土的含水量是影响路基土击实的重要因素之一。 　　压实度是影响土基回弹模量的重要因素。对于高等级公路的路基，0～80cm要求压实度达到95%，80cm～150cm一般要求压实度达到93%。充分压实的土基可以发挥土基的承载强度，减小土基和路面在车轮荷载作用下产生的形变，增强土基的水稳性和强度稳定性，有效地延长路面的使用寿命。压实主要是在荷载作用下，土颗粒重新排列和相互靠拢，小颗粒进入大颗粒的空隙中，空隙率减小；单位体积内固体颗粒含量增加，增加了粗土颗粒间的摩擦和咬合及细土颗粒间的粘结力，从而提高了土基的强度和稳定性。对于粘性细粒土的压实，主要是将土空隙中的空气挤出。碾压得越密实，土中空气越少，某一含水量时，土的理论最大密实度就是土中空气全部被挤出，土体接近于两相体。 　　根据现有的路面结构形式确定以下基准路面结构及其参数的选取（见图），计算荷载采用BBZ―100（p=0.7MPa，d=2 δ=21.3cm，轮心距为d）的双圆轮载。分析某一结构参数的敏感性时，其它结构参数保持不变来考虑。其中沥青面层的模量变化范围为800MPa～1600MPa，厚度变化范围为5cm～18cm；半刚性基层的路面变化范围为1300MPa～1700MPa，厚度变化范围为15cm～35cm；底基层模量的变化范围为600MPa～1200MPa，厚度变化范围为15cm～35cm；土基回弹模量的变化范围为20MPa～160MPa。 　　在考虑各结构层模量变化对路表弯沉影响时，路面结构层的其它参数保持不变，利用计算程序进行计算，其中土基回弹模量及面层模量变化对路表弯沉的影响如图2所示，土基回弹模量及基层模量对变化路表弯沉的影响如图3所示，土基回弹模量及底基层模量变化对路表弯沉的影响如图4所示。 　　由图2到图4可见，土基回弹模量是影响路表弯沉的重要因素。随土基回弹模量不断的增加，路表弯沉值l会不断的减少。特别是土基回弹模量较低时，路表弯沉随其变化非常敏感，但路表弯沉值降低的速率随着土基回弹模量风的值增加而逐渐降低。特别是当土基模量值E0由20Mpa增加到100MPa时，路表弯沉值l最大减少量为56.9%。而当土基模量值凡大于100MPa时，路表弯沉减小的效果己不明显。 　　当土基回弹模量值E0从160Mpa减少到20MPa，其路面面层模量从1600MPa减少到800MPa，路表弯沉值l分别增加28.2%～14.7%；同样，基层模量从1700MPa减少到1300MPa，路表弯沉值l分别增加8%～5%；而底基层模量从1200MPa减少到600MPa，路表弯沉值l则分别增加12%～8%。土基回弹模量及路面面层模量的变化组合对路表弯沉的影响比土基回弹模量与基层模量、底基层模量变化组合影响大些。在沥青路面设计中设法增加土基的强度对整个路面结构稳定性起到很大的作用。