大厚度水泥稳定碎石基层静力学行为及施工技术研究

孙 科

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

水泥稳定碎石基层作为路面结构的组成层之一，被广泛应用在高等级公路工程中，据不完全统计，国内已建成通车的高速公路中，有超过90%的路面结构采用了半刚性基层[1]；从力学特性角度划分，水泥稳定碎石基层属于半刚性基层，与其他基层相比，在承载强度、抗变形刚度等方面的优势更加明显[2]。

为了延长半刚性基层沥青路面的服役寿命，大厚度水泥稳定碎石基层得到了广泛推广，工程上一般将厚度超过30 cm的水泥稳定碎石基层归为大厚度基层；本文以大厚度水泥稳定碎石基层为研究对象，通过对比分析，掌握不同厚度下半刚性基层静力学行为，并就关键施工技术展开研究。

1 水泥稳定碎石基层概述

水泥稳定碎石基层作为半刚性基层位于面层以下底基层以上位置，是整个路面系的重要承载结构层。在高等级公路中，水泥稳定碎石基层的厚度一般介于30～36 cm之间；水泥稳定碎石基层以碎石为骨料，以水泥为胶凝材料，水泥胶凝材料以灰浆的形式填充于碎石空隙间；水泥稳定碎石基层强度由碎石间相互嵌锁形成，其强度随着混合料龄期增长而不断增强；强度形成后的水泥稳定碎石基层在浸水状态下的表面平整度和整体刚度依旧维持在较高水平，因此，水泥稳定碎石基层无疑是理想的高等级路面基层材料之一。半刚性基层沥青混凝土路面典型结构形式详见图1所示。

图1 半刚性基层沥青混凝土路面典型结构形式

2 大厚度水泥稳定碎石基层静力学行为研究

为了定量分析厚度参数对大厚度水泥稳定碎石基层的静力学行为的影响规律，本文借助ANSYS有限元分析工具，分别建立厚度为30 cm和35 cm的两种水泥稳定碎石基层实体模型；假定大厚度水泥稳定碎石基层采用一次性摊铺压实成型技术，实体模型内部处于完全连续状态[3]。

2.1 大厚度水泥稳定碎石基层参数及实体模型建立

水泥稳定碎石基层具体参数详见表1。

表1 水泥稳定碎石基层力学参数表

借助ANSYS有限元分析工具分别建立两种厚度参数对应的水泥稳定碎石基层实体模型，并划分网格；为了简化计算，假设实体模型内仅受单组轮组作用，模型边界约束形式均为刚性约束。两种厚度对应的大厚度水泥稳定碎石基层有限元模型如图2所示。

图2 厚度分别为30 cm与35 cm水泥稳定碎石基层有限元模型

2.2 基于有限元的大厚度水泥稳定碎石基层静力学行为研究

为了保证荷载的统一性和标准性，车辆荷载类型选取标准轴载BZZ-100，为简化荷载计算工况，轮胎经路面层传递扩散后的荷载作用形式可简化为矩形均布荷载，矩形尺寸参数为0.871 2L×0.6L，其中，L=260 mm，经计算后的轮胎有效触地面积为227 mm×156 mm[1]。经ANSYS有限元分析，得到了基层结构的单元Mises应力及沿Y方向变形参数，具体见图3、图4所示。

图3 两种厚度基层对应的单元Mises应力云图

图4 两种厚度基层对应的沿Y方向变形云图

据图3、图4研究结果发现，在静荷载工况下，厚度对其力学行为的影响并不显著，以单元Mises应力为例，35 cm与30 cm水泥稳定碎石基层的Mises应力最大值分别为0.303 MPa、0.301 MPa；沿Y方向变形分别为-0.059 mm、-0.056 mm，上述两指标的差别均较小，工程上完全可以忽略。因此，在大厚度水泥稳定碎石基层设计过程中，不能单纯以厚度作为结构强度的评价指标，应综合考虑水泥用量、集料级配、压实控制等因素。

3 大厚度水泥稳定碎石基层施工关键技术研究

3.1 基层混合料模板及导线布置

为了保证水泥稳定碎石基层摊铺后的边缘规整性，在摊铺前应提前布置模板及导线，模板支设高度应考虑大厚度水泥稳定碎石基层的设计厚度及对应的松铺厚度。由于混合料摊铺过程对模板的侧向挤压力较大，为了避免模板变形，应选用强度和刚度更高的模板，可选用钢制模板代替传统的木模，模板搭接位置应做好密封和加固，可在搭接位置布置插销，将钢筋插入插销后，以加强搭接位置的强度和刚度[4]。导线布置应以基层摊铺宽度及松铺厚度为准，间隔5～10 m放桩，并在对应位置增设钢筋立杆，立杆可充当导线支架，立杆间拉设钢丝作为导线，钢丝截面拉应力及公称直径应满足规范要求。

3.2 基层混合料拌和及运输

水泥稳定碎石基层拌和应严格控制好水泥含量和水含量，充分考虑到基层混合料在运输及摊铺环节产生的水分损失，设计含水率应略高于最佳含水率0.5%～1.0%，为了控制产品质量，水泥稳定碎石基层混合料采用厂拌形式，定期抽检含水率、配合比等指标；为了避免集料离析，水泥稳定碎石基层混合料装运时应分阶段装填，按照“中、前、后”的顺序移动车辆，混合料运输过程中应使用密封篷布遮盖，以保持混合料的含水率，同时保持混合料的清洁性和均匀性。

3.3 基层混合料摊铺及压实施工

混合料摊铺压实采用目前主流的“整层摊铺，一次压实”工艺。相较于分层摊铺，整层摊铺的施工效率更高，但为了保证摊铺有效性，整层摊铺必须使用大吨位压实机械，摊铺机械行进速率宜控制在1.5～2.0 m/min范围内；运输车辆应与摊铺机械做好衔接配合，运输车卸料分两次完成，首次卸料料斗倾角控制在30°左右，随着混合料摊铺的推进，继续提高料斗至完全卸料，通过两次卸料能够避免一次卸料造成的混合料外溢和集料离析问题。压实作业应坚持“先轻后重、先缓后快、先静后振”的基本原则，具体压实工况可细分为初压、复压及终压3个环节，初压不宜直接使用大吨位压实机械，以避免出现基层鼓包等病害；复压采用大吨位单轮压实机械完成，压实荷载工况为振动压实；终压环节的主要目的是收面，一般使用轻型胶轮压实机械完成，整个压实作业过程中应保证连续、平稳，禁止中途停机、调头。

4 结语

大量工程实践研究表明，大厚度水泥稳定碎石基层对于延长路面结构服役年限，提高路面系整体的承载能力具有重要作用；本文采用有限元方法对基层在静荷载工况下的力学行为展开研究，对于大厚度水泥稳定碎石基层而言，厚度因素对结构的Mises应力及沿Y方向变形的影响均较小，工程上完全可以忽略。建议在大厚度水泥稳定碎石基层设计过程中，应同时考虑基层厚度、水泥用量、集料级配、压实控制等因素。