水泥穩(wěn)定土和碎石摻拌改良土在公路施工中的應(yīng)用對比

魯 凱

(中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024)

0 引言

隨著“一帶一路”的不斷推進(jìn)，越來越多的中國基建企業(yè)開始在非洲土尋求合作與發(fā)展機(jī)遇?！耙赂?，先修路”，越來越多的非洲國家也意識到想要快速發(fā)展，便利的交通是不可或缺的先決條件之一，隨著國際社會的幫助和中國政府“一帶一路”的推進(jìn)，給非洲國家的發(fā)展注入了強(qiáng)大的精神與活力，以此為契機(jī)，烏干達(dá)機(jī)場、公路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目如雨后春筍般出現(xiàn)。

烏干達(dá)公路施工中，應(yīng)用于底基層的有水泥穩(wěn)定土、碎石摻拌改良土和天然礫料三種，其中公路工程中又以水泥穩(wěn)定土和碎石摻拌改良土為主。本文以烏干達(dá)某公路M項目為案例，從設(shè)計參數(shù)、選材用料、施工方案、經(jīng)濟(jì)效益四個方面，對兩種材料作為底基層的施工效果進(jìn)行對比，得出兩種不同底基層施工方案的優(yōu)缺點，為烏干達(dá)公路項目底基層施工方案選擇提供參考。

1 設(shè)計參數(shù)對比

以M項目為例，結(jié)構(gòu)層設(shè)計驗算中分別采納了南非、肯尼亞和烏干達(dá)各自的道路設(shè)計規(guī)范，最后取最優(yōu)結(jié)果用于最終設(shè)計方案。

以參照南非設(shè)計規(guī)范為例，利用線上驗算軟件Rubicon Toolbox Software 中LET Standard Axle Design Tool驗算工具對水泥穩(wěn)定土底基層（以下簡稱：水穩(wěn)土底基層）和碎石摻拌改良土底基層分別進(jìn)行了相同設(shè)計交通荷載等級下的承載力、有效車軸容量等設(shè)計參數(shù)的驗算和對比。此工具是基于南非道路結(jié)構(gòu)層設(shè)計規(guī)范的要求，以South African Mechanistic-Empirical Design Method-SAMDM 設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)層驗算分析，下文對驗算過程進(jìn)行簡要介紹。

（1）根據(jù)南非道路結(jié)構(gòu)層設(shè)計手冊中道路分類確定項目所屬道路類型，根據(jù)項目道路設(shè)計等級和交通量等參數(shù)確定符合上表中Road Category B 類型的相關(guān)要求。

（2）M項目結(jié)構(gòu)層設(shè)計所要求采用的交通量根據(jù)交通調(diào)查和分析預(yù)測，確定為548 ESALs per day (4.0 million for 20 years design life)，即滿足每日等效標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)載548（20年的設(shè)計使用年限內(nèi)能夠滿足400萬等效標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)載）。

（3）結(jié)構(gòu)層驗算-水穩(wěn)土底基層和碎石摻拌底基層參數(shù)確定：在LET Standard Axle Design Tool驗算工具中定義每一層的材料類型和模量，按照規(guī)范要求，確定水穩(wěn)土底基層的參數(shù)。

由于烏干達(dá)規(guī)范中水穩(wěn)土底基層C1.5-C3.0MPa與南非規(guī)范中材料代號為C3 的材料相匹配，因此，水穩(wěn)土底基層材料參數(shù)選擇設(shè)置為RSA C3 Cement Stabilized，模量為2000MPa。

一天，愛德華多很晚才從街上回家，看到克里斯蒂安的黑馬拴在木樁上。老大穿著他那身最體面的衣服在院子里等他。女人捧著馬黛茶罐進(jìn)進(jìn)出出?？死锼沟侔矊鄣氯A多說：“我要到法里亞斯那兒去玩。胡利安娜就留給你啦；如果你喜歡她，你就派她用場吧?！?/p>

根據(jù)規(guī)范要求，需要定義階段二：水穩(wěn)土底基層在達(dá)到設(shè)計承載力上限發(fā)生開裂后的承載情況，代號為EG4的材料其承載能力與開裂后的C3水穩(wěn)土底基層承載力相當(dāng)。

水穩(wěn)土底基層厚度為200mm時整體結(jié)構(gòu)才能滿足設(shè)計交通荷載要求（20年內(nèi)承受4百萬標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)載）。當(dāng)采用碎石摻拌底基層時，對應(yīng)的材料選擇G5 Wet代號的材料，其模量為200MPa。

（4）驗算結(jié)果分析：采用水泥穩(wěn)定土底基層的結(jié)構(gòu)層在達(dá)到設(shè)計承載力上限的驗算結(jié)果，軸負(fù)載設(shè)置為雙輪分別為20kN，750kPa，間距350mm，最后得出有效結(jié)構(gòu)承載能力為2.5百萬標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)載，整體結(jié)構(gòu)預(yù)計12.5年后達(dá)到承載能力上限，即水穩(wěn)土底基層會發(fā)生開裂，承載力下降至與代號EG4材料相持平，即約300MPa。

水穩(wěn)土底基層的不大于水平拉應(yīng)變?yōu)?01，水穩(wěn)層最不利位置是在水穩(wěn)土底基層底部和負(fù)載之間。結(jié)構(gòu)層整體最不利層為水穩(wěn)土底基層，在水穩(wěn)層開裂的情況下，整體結(jié)構(gòu)層有失效的風(fēng)險。

此階段結(jié)構(gòu)層整體在21.75年后達(dá)到設(shè)計承載力上限，有效承載能力為1.9百萬標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)載，在此階段由于水穩(wěn)土底基層開裂，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)最不利層為級配碎石基層，當(dāng)級配碎石基層開裂后整體結(jié)構(gòu)存在失效的風(fēng)險。水穩(wěn)土底基層開裂后其最不利位置為層中和負(fù)載之間。綜上所述，水穩(wěn)土底基層方案（200mm厚度）對應(yīng)的最不利情況下結(jié)構(gòu)層設(shè)計使用壽命能達(dá)到21.75年，整體結(jié)構(gòu)交通承載能力為4.4百萬標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)載，滿足設(shè)計交通荷載要求。

從驗算結(jié)果可以看出，采用碎石摻拌/天然粒料底基層的方案，結(jié)構(gòu)層整體承載能力相較于水穩(wěn)土底基層要低，以至于底基層厚度增加了50mm的情況下才能滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)層整體承載能力為21.5年內(nèi)承受4.3百萬標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)載。采用碎石摻拌/天然粒料底基層時，結(jié)構(gòu)層整體最不利層為路床，這是因為路床上部結(jié)構(gòu)整體剛度較小所導(dǎo)致的（水穩(wěn)土底基層剛度達(dá)到2000MPa）。

2 選材用料

水泥穩(wěn)定土是指在滿足一定性能條件的天然礫料中，加入一定摻量的水泥，經(jīng)過拌合、壓實以及養(yǎng)護(hù)等工序后，形成的一種具有良好力學(xué)強(qiáng)度和抗雨水沖刷的路面結(jié)構(gòu)。

烏干達(dá)公路項目中，通常水泥穩(wěn)定土應(yīng)取用等級C1.5，碎石摻拌改良土則應(yīng)符合G45要求（通常要求天然礫料符合G30要求）。

2.1 基質(zhì)材料

兩種材料的基質(zhì)材料均為天然礫料土，兩種材料對天然礫料選用的指標(biāo)對比見表1。

表1 兩種材料基質(zhì)天然礫料指標(biāo)要求

由表1可知，兩種材料對基質(zhì)材料的CBR要求一致，除化學(xué)指標(biāo)外，碎石摻拌改良土多數(shù)指標(biāo)要求高于水泥穩(wěn)定土，則在實際生產(chǎn)中，水泥穩(wěn)定土更易于找到合適的天然礫料料場。

2.2 成品材料

針對成品材料，水泥穩(wěn)定土的關(guān)鍵性控制指標(biāo)為UCS，即無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，而碎石摻拌改良土的關(guān)鍵控制指標(biāo)則為CBR，兩者指標(biāo)對比見表2。

表2 成品材料指標(biāo)要求對比

從表2可看出，水泥穩(wěn)定土的CBR要求是大于碎石摻拌改良土的，即水泥穩(wěn)定土的承載能力通常情況下是大于碎石摻拌改良土的。

2.3 兩種材料的配合比設(shè)計

2.3.1 水泥穩(wěn)定土配合比設(shè)計

以M項目為例，使用合格的天然礫料作為基質(zhì)，水泥選用Hima Multipurpose PPC32.5水泥，以不同的外摻水泥量分別制作兩組試件，其中一組氣密養(yǎng)護(hù)14d，另一組在7d氣密養(yǎng)護(hù)后需浸水養(yǎng)護(hù)7d。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，同時也要對成品料進(jìn)行CBR試驗?？偨Y(jié)試驗結(jié)果如表3，通過試驗結(jié)果確定配比所需的水泥摻量。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

由于3.0%摻量CBR未達(dá)到80%，不予以考慮。將其他數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并考慮經(jīng)濟(jì)性，4%水泥摻量應(yīng)被選用，同時當(dāng)水泥用量為4%時，7d氣密、7d浸泡養(yǎng)護(hù)與14d氣密養(yǎng)護(hù)的UCS比也滿足規(guī)范大于75%的要求。

2.3.2 摻拌碎石底基層配比設(shè)計

以M項目某G30料場天然粒料摻拌碎石為例，碎石使用項目的基層級配碎石，配合比設(shè)計應(yīng)使用不同的級配碎石體積摻量進(jìn)行試驗，通常使用30%、40%、50%，從表4匯總結(jié)果判斷，同時考慮經(jīng)濟(jì)性，則30%摻量碎石應(yīng)被選用。

表4 不同比例碎石摻拌試驗結(jié)果

3 施工方案

3.1 水穩(wěn)土底基層施工方案

水穩(wěn)土底基層施工流程中有三道工序需特別注意：（1）人工攤鋪水泥需在初壓完的天然礫料上畫格子，保證水泥計量的準(zhǔn)確；（2）路拌機(jī)加水拌合后4h內(nèi)必須完成碾壓成型（烏干達(dá)規(guī)范規(guī)定）；（3）水泥穩(wěn)定土經(jīng)過拌合、壓實整形成型后立即養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于7d。采用灑水車通過間歇灑水以保持表面始終處于濕潤狀態(tài)，直到底基層驗收通過并達(dá)到一定強(qiáng)度。同時，水泥穩(wěn)定土有易于產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險，在拌合及養(yǎng)護(hù)過程中需特殊注意。

3.2 碎石摻拌底基層施工方案

相較水泥穩(wěn)土底基層施工而言，碎石摻拌底基層施工程序基本與水穩(wěn)土一致，但過程控制相對要簡單，在確定工作面準(zhǔn)備完畢后開始上料，先上天然礫料，攤鋪拌合后初平，然后在初平的面上攤平計量好的級配碎石料，最后加水使用拌合機(jī)將兩者材料拌合，之后整平壓實成型。完成后無需養(yǎng)護(hù)，只需驗收后進(jìn)行下一層施工。

4 對比分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

以烏干達(dá)M項目為例，若選擇使用水泥穩(wěn)定土做底基層，則水泥摻量為4%；而選擇碎石摻拌改良土為底基層，則碎石摻拌量為30%時。如只考慮材料成本，根據(jù)烏干達(dá)市場材料價格，每公里成本如表5所示（價格以美元計）。

表5 以烏干達(dá)M項目標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為例

如兩種底基層厚度均為20cm，兩種材料成本相差不大。但根據(jù)設(shè)計驗算，水穩(wěn)土底基層應(yīng)為20cm，碎石摻拌底基層應(yīng)為25cm,則水穩(wěn)土底基層有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。且由于碎石摻拌底基層的工程量明顯增加，會進(jìn)一步增加人工和機(jī)械成本。

4.2 綜合分析

通過以上對比，水穩(wěn)土底基層有成本低，材料易取得，承載能力更好等優(yōu)點，但水穩(wěn)土底基層試驗復(fù)雜、周期長，成型路面需要長時間養(yǎng)護(hù)，不利于下一層開展。同時由于水泥穩(wěn)定土易于產(chǎn)生裂縫，對原材料選用，施工過程控制和后期養(yǎng)護(hù)也提出了更高的要求。

而碎石摻拌底基層施工成本高于水穩(wěn)土底基層，但施工工藝簡單，施工及試驗周期短，有利于下一步施工的開展，同時對施工團(tuán)隊來說，也更容易把控施工質(zhì)量，減少管理成本。

5 結(jié)束語

烏干達(dá)在公路施工過程中有水泥穩(wěn)定土、碎石摻拌改良土及天然礫料三種底基層可以選用，但水泥穩(wěn)定土及碎石摻拌改良土應(yīng)用較為廣泛。通過以上分析可知，水泥穩(wěn)定土及碎石摻拌改良土兩種材料各有千秋，具體選用需要根據(jù)業(yè)主要求、項目周邊環(huán)境、材料供應(yīng)、項目地質(zhì)條件等多方位綜合考慮來決定。