大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層靜力學(xué)行為及施工技術(shù)研究

孫 科

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層作為路面結(jié)構(gòu)的組成層之一，被廣泛應(yīng)用在高等級(jí)公路工程中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)已建成通車的高速公路中，有超過90%的路面結(jié)構(gòu)采用了半剛性基層[1]；從力學(xué)特性角度劃分，水泥穩(wěn)定碎石基層屬于半剛性基層，與其他基層相比，在承載強(qiáng)度、抗變形剛度等方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯[2]。

為了延長(zhǎng)半剛性基層瀝青路面的服役壽命，大厚度水泥穩(wěn)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(wěn)定碎石基層歸為大厚度基層；本文以大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層為研究對(duì)象，通過對(duì)比分析，掌握不同厚度下半剛性基層靜力學(xué)行為，并就關(guān)鍵施工技術(shù)展開研究。

1 水泥穩(wěn)定碎石基層概述

水泥穩(wěn)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(gè)路面系的重要承載結(jié)構(gòu)層。在高等級(jí)公路中，水泥穩(wěn)定碎石基層的厚度一般介于30～36 cm之間；水泥穩(wěn)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(wěn)定碎石基層強(qiáng)度由碎石間相互嵌鎖形成，其強(qiáng)度隨著混合料齡期增長(zhǎng)而不斷增強(qiáng)；強(qiáng)度形成后的水泥穩(wěn)定碎石基層在浸水狀態(tài)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(wěn)定碎石基層無疑是理想的高等級(jí)路面基層材料之一。半剛性基層瀝青混凝土路面典型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式

2 大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層靜力學(xué)行為研究

為了定量分析厚度參數(shù)對(duì)大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層的靜力學(xué)行為的影響規(guī)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(wěn)定碎石基層實(shí)體模型；假定大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層采用一次性攤鋪壓實(shí)成型技術(shù)，實(shí)體模型內(nèi)部處于完全連續(xù)狀態(tài)[3]。

2.1 大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層參數(shù)及實(shí)體模型建立

水泥穩(wěn)定碎石基層具體參數(shù)詳見表1。

表1 水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)參數(shù)表

借助ANSYS有限元分析工具分別建立兩種厚度參數(shù)對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定碎石基層實(shí)體模型，并劃分網(wǎng)格；為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)實(shí)體模型內(nèi)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(duì)應(yīng)的大厚度水泥穩(wěn)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(wěn)定碎石基層有限元模型

2.2 基于有限元的大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層靜力學(xué)行為研究

為了保證荷載的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，車輛荷載類型選取標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，為簡(jiǎn)化荷載計(jì)算工況，輪胎經(jīng)路面層傳遞擴(kuò)散后的荷載作用形式可簡(jiǎn)化為矩形均布荷載，矩形尺寸參數(shù)為0.871 2L×0.6L，其中，L=260 mm，經(jīng)計(jì)算后的輪胎有效觸地面積為227 mm×156 mm[1]。經(jīng)ANSYS有限元分析，得到了基層結(jié)構(gòu)的單元Mises應(yīng)力及沿Y方向變形參數(shù)，具體見圖3、圖4所示。

圖3 兩種厚度基層對(duì)應(yīng)的單元Mises應(yīng)力云圖

圖4 兩種厚度基層對(duì)應(yīng)的沿Y方向變形云圖

據(jù)圖3、圖4研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在靜荷載工況下，厚度對(duì)其力學(xué)行為的影響并不顯著，以單元Mises應(yīng)力為例，35 cm與30 cm水泥穩(wěn)定碎石基層的Mises應(yīng)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(biāo)的差別均較小，工程上完全可以忽略。因此，在大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)過程中，不能單純以厚度作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)綜合考慮水泥用量、集料級(jí)配、壓實(shí)控制等因素。

3 大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層施工關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 基層混合料模板及導(dǎo)線布置

為了保證水泥穩(wěn)定碎石基層攤鋪后的邊緣規(guī)整性，在攤鋪前應(yīng)提前布置模板及導(dǎo)線，模板支設(shè)高度應(yīng)考慮大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計(jì)厚度及對(duì)應(yīng)的松鋪厚度。由于混合料攤鋪過程對(duì)模板的側(cè)向擠壓力較大，為了避免模板變形，應(yīng)選用強(qiáng)度和剛度更高的模板，可選用鋼制模板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木模，模板搭接位置應(yīng)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(qiáng)搭接位置的強(qiáng)度和剛度[4]。導(dǎo)線布置應(yīng)以基層攤鋪寬度及松鋪厚度為準(zhǔn)，間隔5～10 m放樁，并在對(duì)應(yīng)位置增設(shè)鋼筋立桿，立桿可充當(dāng)導(dǎo)線支架，立桿間拉設(shè)鋼絲作為導(dǎo)線，鋼絲截面拉應(yīng)力及公稱直徑應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3.2 基層混合料拌和及運(yùn)輸

水泥穩(wěn)定碎石基層拌和應(yīng)嚴(yán)格控制好水泥含量和水含量，充分考慮到基層混合料在運(yùn)輸及攤鋪環(huán)節(jié)產(chǎn)生的水分損失，設(shè)計(jì)含水率應(yīng)略高于最佳含水率0.5%～1.0%，為了控制產(chǎn)品質(zhì)量，水泥穩(wěn)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(biāo)；為了避免集料離析，水泥穩(wěn)定碎石基層混合料裝運(yùn)時(shí)應(yīng)分階段裝填，按照“中、前、后”的順序移動(dòng)車輛，混合料運(yùn)輸過程中應(yīng)使用密封篷布遮蓋，以保持混合料的含水率，同時(shí)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(shí)施工

混合料攤鋪壓實(shí)采用目前主流的“整層攤鋪，一次壓實(shí)”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(shí)機(jī)械，攤鋪機(jī)械行進(jìn)速率宜控制在1.5～2.0 m/min范圍內(nèi)；運(yùn)輸車輛應(yīng)與攤鋪機(jī)械做好銜接配合，運(yùn)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(jìn)，繼續(xù)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(shí)作業(yè)應(yīng)堅(jiān)持“先輕后重、先緩后快、先靜后振”的基本原則，具體壓實(shí)工況可細(xì)分為初壓、復(fù)壓及終壓3個(gè)環(huán)節(jié)，初壓不宜直接使用大噸位壓實(shí)機(jī)械，以避免出現(xiàn)基層鼓包等病害；復(fù)壓采用大噸位單輪壓實(shí)機(jī)械完成，壓實(shí)荷載工況為振動(dòng)壓實(shí)；終壓環(huán)節(jié)的主要目的是收面，一般使用輕型膠輪壓實(shí)機(jī)械完成，整個(gè)壓實(shí)作業(yè)過程中應(yīng)保證連續(xù)、平穩(wěn)，禁止中途停機(jī)、調(diào)頭。

4 結(jié)語

大量工程實(shí)踐研究表明，大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層對(duì)于延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)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(duì)基層在靜荷載工況下的力學(xué)行為展開研究，對(duì)于大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層而言，厚度因素對(duì)結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)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(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)同時(shí)考慮基層厚度、水泥用量、集料級(jí)配、壓實(shí)控制等因素。