水泥混凝土公路路基基层结构厚度试验分析

万真

摘要：低等级公路改、扩建升级是我国公路交通发展的重要内容之一。水泥混凝土路面凭借良好的抗滑性、耐用性以及低廉的养护费用历来是高等级公路的主要路面形式之一，而路基结构则直接影响道路寿命。文章以广西凭祥至平而关二级公路建设工程为实例，分析了碎石最佳级配值的确定方法，并确定了其一级和二级最佳级配;通过试验确定级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层的最优厚度，均为20cm。

关键词：公路路基;水泥混凝土路面;级配碎石;试验分析

中图分类号：U416.1 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.014

文章编号：1673-4874（2019）07-0043-03

0引言

根据交通部最新数据：截止到2018年底，我国公路总里程突破485万km，其中高速公路超过14.5万km，两项数据均为世界第一。但需要认识到：很多地段公路设计和建设标准低，行车状况差，严重影响了运输效率。因此我国各级政府每年投入巨资对旧公路进行升级改造，而寿命和行车质量成为评价公路改造项目的重要标准，这对路基结构设计有了更高的要求。

1工程概况

位于广西崇左市凭祥市境内的凭祥至平而关原有旧路存在弯急坡陡、平纵技术状况差等情况及路面网裂、龟裂、局部沉陷等病害，为三级公路标准，部分路段经过当地村镇，严重影响行车安全。新路主线及叫隘支线路基设计宽度8.5m，路面宽度7.5m，行车道宽2×3.5m，设计速度40km/h。为兼顾经济性和实用性，该设计采用水泥混凝土路面结构。本文主要针对路面的基层结构进行试验分析。

2碎石的最佳级配值确定

水泥混凝土路面是当前世界很多国家高等级公路的普遍选择，该道路结构由下而上主要由垫层、基层、面层构成。其中面层所用的水泥混凝土只要按照相关规格选取就不会对公路质量造成很大影响，而垫层和基层中的碎石级配是影响路面结构性能的最重要参数之一。

（1）级配总体设计分析

根据研究经验必须同时满足两个条件才能保证得到良好性能的级配碎石混合料：（1）主骨架充分嵌挤，形成骨架结构，碎石间有良好内摩擦阻力;（2）细料能够充分填充孔隙，密实度较大。本文按照这两个条件去设计级配。

结合国内外相关规范（一级公路级配碎石最大粒径≤31.5mm;二级或以下公路级配碎石最大粒径≤37.5mm），为保证路面平整度，本项目要求级配碎石最大粒径≤31.5mm。

（2）各级填充料的确定

①一级填充料配比的确定

本项目委托某科研机构利用上置式振动试验仪来确定最佳填充料级配，其振动击实参数如表1所示。之后根据经验，选取26.5mm和31.5mm碎石组成一级填充料，两种碎石不同比例的空隙率曲线见图1。最终确定一级填充料中31.5mm和26.5mm碎石最佳比例为8：2。

②二级填充料配比的确定

根据经验，二级填充料由19mm和16mm组成，应用同样的试验方法确定本项目31.5：26.5：19：16=1：4：3.3：3.6为最佳填充料配比。

3水泥混凝土路基基层结构最优厚度分析

根据众多学者研究结果表明：在级配一致的前提下，基层厚度对水泥混凝土路基结构性能影响很大，在此分别就级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层的最优厚度进行试验分析。

3.1最优级配碎石底基层厚度的确定

本文共设计6个级配碎石底基层厚度方案，通过测定和对比底基层拉应变数值来确定最优底基层厚度。在此借助PADS软件进行计算机模拟分析，各方案的具体结构参数如表2所示。

试验结果曲线如图2所示，由图2可知：（1）随着垂直载荷逐步增大，级配碎石底基层底部的拉应变也在不断增加;（2）随着底基层厚度的增大，在同一垂直载荷作用下，其底部拉应变在逐步降低;（3）方案1和方案2的底基层底部拉应变整体趋势基本一致，方案3～6的底基层底部拉应变整体趋势基本一致;（4）方案2和方案3区别较为明显，且随着垂直载荷逐步增加，两者的拉应变差距逐步扩大。

综合分析：级配碎石底基层厚度对路基力学结构构成影响，且当底基层为20cm时，既可以明显降低基层底部的拉应變程度，也能兼顾路面整体造价，因此可作为本项目的最优厚度。

3.2最优水泥稳定碎石基层厚度的确定

在确定了级配碎石底基层厚度后，固定该值为20cm，设计不同的水泥稳定碎石基层厚度方案，通过同样的方法测定路基顶面压应变来确定最优基层厚度。各方案的具体结构参数如表3所示。

试验结果曲线如图3所示，由图3可知：（1）随着垂直载荷逐步增大，路基顶面压应变也在不断增加;（2）随着底基层厚度的增大，在同一垂直载荷作用下，路基顶面压应变在逐步降低;（3）方案1和方案2的路基顶面压应变整体趋势基本一致，方案3～5的路基顶面压应变整体趋势基本一致;（4）方案2和方案3区别较为明显，且随着垂直载荷逐步增加，两者的拉应变差距逐步扩大。

综合分析可知：水泥稳定碎石基层厚度对路基力学结构构成影响，且当基层厚度为20cm时，既可以明显降低路基顶面压应变程度，而且也能兼顾路面整体造价，因此可作为本项目的最优厚度。

3.3水泥混凝土路面基层结构整体最优厚度验算

通过以上分析可知基层结构厚度这一参数对路基力学结构性能、承载能力等有着较大影响。为保证上述试验确定数值的合理性，在此利用相关公式进行验算。根据其他学者研究成果得出基层厚度h（包括级配碎石底基层+水泥稳定碎石基层）与路基承载能力Wu关系的经验公式见式（1），据此得出Wu与h之间的变化率关系表（见表4）。

根据表4数据可知：（1）当h逐步增加时，Wu的变化率在逐步减小，即路基承载能力在逐步加大，但增加率越来越小;（2）当h范围在35～40cm时，wu的变化率趋近于稳定，因此也是较为合理的厚度值。因此最终确定本项目的基层最优总厚度值为40cm。

4结语

路基结构厚度设计对道路寿命、行车环境有着直接影响。本项目通过详细设计分析填充料级配和基层厚度，得出了合理的相关参数。案例工程路段改建工程投入使用6年后，没有发生明显病害，由此说明了路基结构设计合理，可以为今后类似工程提供参考。