季冻区水泥稳定碎石基层连续施工方案合理性研究

刘 翠，王艳荣，陈俊成

(中电建冀交高速公路投资发展有限公司 石家庄市 050051)

0 引言

在北方地区，路基路面的最佳施工期较短，秋冬季节温度常低于标准养护温度，有时为了赶进度不得不在较低的温度下施工。针对这一施工条件的弱势情况，分层连续摊铺技术开始逐步被重视，这一技术可以缩短施工工期，提高各层层间粘结效果。分层连续摊铺施工的具体方案是在路面结构下一层施工结束后，直接进行上一层的摊铺碾压[1]。根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)，以无机结合料稳定层层底拉应力为设计或验算指标时，水泥稳定类材料龄期为90d。在基层和面层施工过程中，因为连续施工时施工车辆作用在强度尚未成型的水泥稳定基层之上，施工车辆的重量对已经铺筑的基层会造成一定的结构破坏[2]。水泥稳定类基层相应龄期的弯拉强度是否小于施工车辆荷载引起的层底拉应力是了解施工过程中基层是否发生破坏的关键[3]。

近年来，不少科研工作者对连续摊铺技术和半刚性基层养生温度对路用性能影响也进行了一定的研究工作。马士宾[4]等对基层铺筑时施工车辆对半刚性基层的力学影响进行了分析，得出了在龄期、施工车辆荷载等各种因素下，层间剪应力和层底拉应力等力学指标的变化规律，有利于改善半刚性基层沥青路面早期破坏现象。乔志[5]等对半刚性基层连续摊铺施工工艺进行了研究，证明了连续摊铺的可行性。

研究了在非标准养生温度下，水泥稳定碎石基层连续摊铺施工时，施工车辆荷载对已经铺筑基层的影响。以摊铺养护7d、14d后的基层层底拉应力为计算指标，运用KENPAVE软件，对各层层底拉应力进行计算，得出不同养生温度下施工荷载对层底最大拉应力的影响。

1 不同温度对水泥稳定碎石基层结构参数影响

水泥稳定碎石基层一般分为上基层、下基层和底基层，各结构层厚度选择16～20cm。在施工过程中，由于面层施工车辆行驶缓慢，大多数时间都是停在已铺筑的基层结构上，所以这里选用静态抗压回弹模量。不同温度下养护7d、14d的抗压回弹模量和劈裂强度要求有所不同。不同温度下的抗压回弹模量范围和劈裂强度上限如图1、图2所示[6-7]。

2 在不同温度下施工车辆对基层的力学影响分析

2.1 力学分析

采用力学分析软件KENPAVE，在不同养护温度下，分析不同车辆轴载对水泥稳定碎石底基层层底最大拉应力的影响，在实际施工过程中，路面结构设计中使用的标准轴载远小于施工现场的车辆实际载重量[8]，轴载计算结果见表1。

2.2 正交试验

施工养护温度会影响水泥稳定基层早期的抗压

图1 不同温度下的抗压回弹模量范围

图2 不同养护温度下的劈裂强度上限值

表1 轴重与轮胎接地面积的关系

强度、抗拉强度和弹性模量，在相同龄期时，温度越高弹性模量及强度越高。在养护温度为5℃、10℃、20℃的情况下，采用正交试验的方法，以上、下、底基层厚度和抗压回弹模量作为六个因素，每个因素包括五个水平，构成L25(5-6)正交试验表。

(1)温度为5℃

表2 温度为5℃时养生7d(14d)后的正交试验因素水平表

根据表2进行正交试验设计，正交设计结果和利用KENPAVE软件计算的底基层层底拉应力见表3。

表3 温度为5℃时养生7d(14d)正交试验结果表

养护温度5℃，养护 7d后的水泥稳定碎石劈裂强在0.1～0.19MPa之间，表2中25组试验水泥稳定碎石层层底最大拉应力均超过了材料的劈裂强度，可见该层发生弯拉破坏的可能性很大，为保证各层结构的安全，考虑延长养护龄期至14d。

养护温度5℃，养护14d后的水泥稳定碎石劈裂强在0.11～0.26MPa之间，表2中25组试验中有13组可以满足强度要求。其中试验22底基层层底拉应力最小，对其施工轴载进行调整，经计算，当轴载在120kN时，底基层层底拉应力为0.248MPa，已经不满足劈裂强度要求应控制轴载在100kN以内。

(2)温度为10℃

根据表4进行正交试验设计，正交设计结果和利用KENPAVE软件计算的底基层层底拉应力见表5。

表4 养护温度为10℃时养护7d(14d)后的正交试验因素水平表

表5 养护温度为10℃时养护7d(14d)正交试验结果表

养护温度10℃，养护 7d后的水泥稳定碎石劈裂强在0.11～0.2MPa之间，表5中 25组试验水泥稳定碎石层层底最大拉应力均超过了材料的劈裂强度，发生弯拉破坏的可能性很大，为保证各层结构的安全，考虑延长养护龄期至 14d。

养护温度 10℃，养护14d后的水泥稳定碎石劈裂强度在0.14～0.29MPa之间，表5中 25组试验中前5组层底最大拉应力均超过了劈裂强度要求，其余20组均可在控制轴载的条件下保证路面结构的安全性。当轴载在160kN时，底基层层底拉应力为0.316MPa，不满足劈裂强度要求，故轴载需控制在140kN以内。

(3)温度为20℃

表6 养护温度为20℃时养护7d(14d)后的正交试验因素水平表

根据表6进行正交试验设计，正交设计结果和利用KENPAVE软件计算的底基层层底拉应力见表7。

表7 养护温度为20℃时养生7d(14d)正交试验结果表

养护温度20℃，养护7d后的水泥稳定碎石劈裂强度在0.21～0.43MPa之间，表7中 25组试验均可在控制轴载的条件下保证路面结构的安全性。其中试验1底基层层底拉应力最大，对其施工轴载进行调整，经计算，当轴载在160kN时，底基层层底拉应力为0.411MPa，满足劈裂强度要求。因为试验1已是正交试验中最不理想的组合，故施工车辆只要不严重超载可满足路面结构的强度要求。

养护温度为20℃，养护14d，水泥稳定碎石劈裂强度在0.44～0.61MPa之间。由表7可知，水泥稳定碎石层层底最大拉应力均小于材料的劈裂强度，可见当养护温度为20℃时，基层发生弯拉破坏的可能性很小。

2.3 试验结果

(1)温度为5℃

在养护温度为5℃时，在不同轴载作用下，养护7d、14d的层底最大拉应力和轴载之间的关系如图3。

图3 5℃时轴载和层底拉应力的关系

由图3可知，底基层层底最大拉应力随轴载的增大而增大，呈一次线性关系。养护温度5℃，养护 7d后的水泥稳定碎石层层底最大拉应力均超过了材料的劈裂强度，可见该层发生弯拉破坏的可能性很大，为保证各层结构的安全，考虑延长养护龄期至 14d。养护14d后的水泥稳定碎石劈裂强度在0.11～0.26MPa之间，当轴载为140kN时，底基层层底拉应力为0.261MPa，已经不满足劈裂强度要求，所以应尽量控制轴载在140kN以内，或者适量掺加早强剂。

(2)温度为10℃

在养护温度为10℃时，在不同轴载作用下，养护7d、14d的层底最大拉应力和轴载之间的关系如图4。

图4 10℃时轴载和层底拉应力的关系

由图4可知，在同一轴载作用下，养护7d后施工所产生的层底拉应力小于养护14d后进行施工产生的层底拉应力。养护温度10℃，养护 7d后的水泥稳定碎石基层层底最大拉应力只有在轴载为100kN时没有超过相应的劈裂强度，超过100kN发生弯拉破坏的可能性很大，为保证各层结构的安全，考虑延长养护龄期至 14d。养护14d后的水泥稳定碎石劈裂强度在0.14～0.29MPa之间，当轴载在160kN时，底基层层底拉应力为0.308MPa，不满足劈裂强度要求，故轴载需控制在160kN。

(3)温度为20℃

在养护温度为20℃时，在不同轴载作用下，养护7d、14d的层底最大拉应力和轴载之间的关系如图5。

图5 20℃时轴载和层底拉应力的关系

由图5可知，底基层层底最大拉应力随轴载的增大而增大，呈一次线性关系。养护温度20℃时，养护7d和养护14d后进行施工，水泥稳定碎石底基层层底拉应力均小于材料的劈裂强度，基层发生弯拉破坏的可能性很小，只要不严重超载可满足路面结构的强度要求。

3 结语

运用KENPAVE软件，用正交试验的方法分析了路面各结构层厚度和抗压回弹模量的最佳组合，并研究了各温度下车辆荷载对底基层层底最大拉应力的影响。主要研究结论如下:水泥稳定碎石基层在早期容易发生破坏，在施工过程中，选择合适的施工方案、提出可行的措施，避免在施工期间发生基层结构破坏是保证路基路面整体结构稳定的重要一环。在相同龄期时，温度越高弹性模量及强度越高。在低温条件下，底基层能承受的轴重较小，在施工时要控制施工车辆的荷载。