大厚度水泥穩定碎石基層靜力學行為及施工技術研究

孫 科

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

水泥穩定碎石基層作為路面結構的組成層之一，被廣泛應用在高等級公路工程中，據不完全統計，國內已建成通車的高速公路中，有超過90%的路面結構采用了半剛性基層[1]；從力學特性角度劃分，水泥穩定碎石基層屬于半剛性基層，與其他基層相比，在承載強度、抗變形剛度等方面的優勢更加明顯[2]。

為了延長半剛性基層瀝青路面的服役壽命，大厚度水泥穩定碎石基層得到了廣泛推廣，工程上一般將厚度超過30 cm的水泥穩定碎石基層歸為大厚度基層；本文以大厚度水泥穩定碎石基層為研究對象，通過對比分析，掌握不同厚度下半剛性基層靜力學行為，并就關鍵施工技術展開研究。

1 水泥穩定碎石基層概述

水泥穩定碎石基層作為半剛性基層位于面層以下底基層以上位置，是整個路面系的重要承載結構層。在高等級公路中，水泥穩定碎石基層的厚度一般介于30～36 cm之間；水泥穩定碎石基層以碎石為骨料，以水泥為膠凝材料，水泥膠凝材料以灰漿的形式填充于碎石空隙間；水泥穩定碎石基層強度由碎石間相互嵌鎖形成，其強度隨著混合料齡期增長而不斷增強；強度形成后的水泥穩定碎石基層在浸水狀態下的表面平整度和整體剛度依舊維持在較高水平，因此，水泥穩定碎石基層無疑是理想的高等級路面基層材料之一。半剛性基層瀝青混凝土路面典型結構形式詳見圖1所示。

圖1 半剛性基層瀝青混凝土路面典型結構形式

2 大厚度水泥穩定碎石基層靜力學行為研究

為了定量分析厚度參數對大厚度水泥穩定碎石基層的靜力學行為的影響規律，本文借助ANSYS有限元分析工具，分別建立厚度為30 cm和35 cm的兩種水泥穩定碎石基層實體模型；假定大厚度水泥穩定碎石基層采用一次性攤鋪壓實成型技術，實體模型內部處于完全連續狀態[3]。

2.1 大厚度水泥穩定碎石基層參數及實體模型建立

水泥穩定碎石基層具體參數詳見表1。

表1 水泥穩定碎石基層力學參數表

借助ANSYS有限元分析工具分別建立兩種厚度參數對應的水泥穩定碎石基層實體模型，并劃分網格；為了簡化計算，假設實體模型內僅受單組輪組作用，模型邊界約束形式均為剛性約束。兩種厚度對應的大厚度水泥穩定碎石基層有限元模型如圖2所示。

圖2 厚度分別為30 cm與35 cm水泥穩定碎石基層有限元模型

2.2 基于有限元的大厚度水泥穩定碎石基層靜力學行為研究

為了保證荷載的統一性和標準性，車輛荷載類型選取標準軸載BZZ-100，為簡化荷載計算工況，輪胎經路面層傳遞擴散后的荷載作用形式可簡化為矩形均布荷載，矩形尺寸參數為0.871 2L×0.6L，其中，L=260 mm，經計算后的輪胎有效觸地面積為227 mm×156 mm[1]。經ANSYS有限元分析，得到了基層結構的單元Mises應力及沿Y方向變形參數，具體見圖3、圖4所示。

圖3 兩種厚度基層對應的單元Mises應力云圖

圖4 兩種厚度基層對應的沿Y方向變形云圖

據圖3、圖4研究結果發現，在靜荷載工況下，厚度對其力學行為的影響并不顯著，以單元Mises應力為例，35 cm與30 cm水泥穩定碎石基層的Mises應力最大值分別為0.303 MPa、0.301 MPa；沿Y方向變形分別為-0.059 mm、-0.056 mm，上述兩指標的差別均較小，工程上完全可以忽略。因此，在大厚度水泥穩定碎石基層設計過程中，不能單純以厚度作為結構強度的評價指標，應綜合考慮水泥用量、集料級配、壓實控制等因素。

3 大厚度水泥穩定碎石基層施工關鍵技術研究

3.1 基層混合料模板及導線布置

為了保證水泥穩定碎石基層攤鋪后的邊緣規整性，在攤鋪前應提前布置模板及導線，模板支設高度應考慮大厚度水泥穩定碎石基層的設計厚度及對應的松鋪厚度。由于混合料攤鋪過程對模板的側向擠壓力較大，為了避免模板變形，應選用強度和剛度更高的模板，可選用鋼制模板代替傳統的木模，模板搭接位置應做好密封和加固，可在搭接位置布置插銷，將鋼筋插入插銷后，以加強搭接位置的強度和剛度[4]。導線布置應以基層攤鋪寬度及松鋪厚度為準，間隔5～10 m放樁，并在對應位置增設鋼筋立桿，立桿可充當導線支架，立桿間拉設鋼絲作為導線，鋼絲截面拉應力及公稱直徑應滿足規范要求。

3.2 基層混合料拌和及運輸

水泥穩定碎石基層拌和應嚴格控制好水泥含量和水含量，充分考慮到基層混合料在運輸及攤鋪環節產生的水分損失，設計含水率應略高于最佳含水率0.5%～1.0%，為了控制產品質量，水泥穩定碎石基層混合料采用廠拌形式，定期抽檢含水率、配合比等指標；為了避免集料離析，水泥穩定碎石基層混合料裝運時應分階段裝填，按照“中、前、后”的順序移動車輛，混合料運輸過程中應使用密封篷布遮蓋，以保持混合料的含水率，同時保持混合料的清潔性和均勻性。

3.3 基層混合料攤鋪及壓實施工

混合料攤鋪壓實采用目前主流的“整層攤鋪，一次壓實”工藝。相較于分層攤鋪，整層攤鋪的施工效率更高，但為了保證攤鋪有效性，整層攤鋪必須使用大噸位壓實機械，攤鋪機械行進速率宜控制在1.5～2.0 m/min范圍內；運輸車輛應與攤鋪機械做好銜接配合，運輸車卸料分兩次完成，首次卸料料斗傾角控制在30°左右，隨著混合料攤鋪的推進，繼續提高料斗至完全卸料，通過兩次卸料能夠避免一次卸料造成的混合料外溢和集料離析問題。壓實作業應堅持“先輕后重、先緩后快、先靜后振”的基本原則，具體壓實工況可細分為初壓、復壓及終壓3個環節，初壓不宜直接使用大噸位壓實機械，以避免出現基層鼓包等病害；復壓采用大噸位單輪壓實機械完成，壓實荷載工況為振動壓實；終壓環節的主要目的是收面，一般使用輕型膠輪壓實機械完成，整個壓實作業過程中應保證連續、平穩，禁止中途停機、調頭。

4 結語

大量工程實踐研究表明，大厚度水泥穩定碎石基層對于延長路面結構服役年限，提高路面系整體的承載能力具有重要作用；本文采用有限元方法對基層在靜荷載工況下的力學行為展開研究，對于大厚度水泥穩定碎石基層而言，厚度因素對結構的Mises應力及沿Y方向變形的影響均較小，工程上完全可以忽略。建議在大厚度水泥穩定碎石基層設計過程中，應同時考慮基層厚度、水泥用量、集料級配、壓實控制等因素。