级配碎石基层性能与施工工艺研究

段兴锁

（靖远县交通运输局，甘肃 靖远 730600）

1 工程概况

本项目位于甘肃某省道上，本工程所研究路段的起止标段为K40+383—K46+383，全长约6km，原路基的路基宽度为12m，路肩宽度为2m×1.5m，路面的总宽度为9m，旧路面采用水泥混凝土路面，厚度为240mm，全线设置路肩墙或路缘石，路肩墙宽度为500mm，路缘石宽度为150mm。现场照片如图1所示。由于本路段的建设年代较为久远，使用年限较长，且常有重型车辆碾压，导致路面出现不同程度的破损、裂缝、板块碎裂、沉降、坑洞等，严重影响了行车舒适性和安全性。路面坑槽如图2所示。

图1 旧路路面

图2 路面坑槽

为保证行车的安全，根据要求对道路路面进行修缮。本路段的修缮方案为：将原路面混凝土板进行碎石化，作为路面基层，然后在此基础上铺设200m级配碎石进行调平，再铺沥青混凝土面层。路面总体抬高28.5cm。路肩部分在原土路肩上进行培土处理，并采用C20现浇混凝土加高原有路缘石或采用M7.5浆砌片石加高原有路肩墙至与路面齐平。采用M7.5浆砌片石加高原有路肩墙，需先进行凿面处理，处理完的路面结构从下到上依次为原路面基层、碎石化的原路面混凝土板（240mm）、200mm厚大粒径级配碎石基层（新建）、15mm厚热沥青封层（新建）、70mmAC-16沥青混凝土面层（新建）。

2 级配碎石性能研究

下文对级配碎石的最佳含水率及最大干密度对级配碎石性能的影响进行分析，并对级配碎石的塑性变形、透水性能和抗冻性能进行试验研究。

2.1 最佳含水率及最佳干密度研究

设计级配碎石时，其成型的方法包括重型击实法和振动成型法，不同的施工方法对级配碎石的最佳含水率和最大干密度的影响各不相同，本文采用重型击实法和振动压实法两种成型方法对级配碎石的最佳含水率和最大干密度进行分析[7]。本次试验时采用的振动击实设备参数如下所述：振幅为0.4mm，频率为2860次/分、功率为0.75kW，试件上的表面压强为14kPa，试筒的重量为40kg。不同成型方法下的级配碎石最佳含水率及最大干密度见表1所示。

表1 不同成型条件下的最佳含水率及最大干密度分析表

从表1可知，在重型击实成型和振动成型两种不同的成型方法中，级配碎石的最佳含水率相近，但振动成型的级配碎石最佳含水率比击实成型的高出0.2%～0.3%，而对比最大干密度可以发现，振动成型的最大干密度要比基层成型的高1.07倍。主要是由于在振动击实的过程中，级配碎石材料受到振动器的作用，颗粒骨架结构发生破坏并且重新排布组合，使颗粒发生运动并挤压填充，使其最佳含水率及最大干密度增加。因此在现场施工时，可优先考虑采用振动成型的方法。

2.2 级配碎石塑性总变形研究

路面出现沉陷或车辙等病害现象，主要是由道路结构中路基和各结构层材料发生塑性变形导致的，塑性总变形是颗粒向颗粒之间的空隙发生不可逆转的变形，其空隙的大小决定了塑性总变形的大小，空隙大则产生的塑性总变形大。若在空隙中加入细集料，能使其空隙填充密实，使颗粒向空隙的移动受到阻碍，减小塑性总变形；但细集料的产量不宜过多，一旦过多将导致混合料形成悬浮结构，在一定含水量的作用下，颗粒之间的摩擦力小反而更容易发生塑性变形，在确定材料、含水率等情况下，一般细集料的含量应在8%～12%。

2.3 级配碎石渗透性研究

在公路工程中一旦遇到降雨，降落到路面上的水除了通过路表面的坡度向路肩和路基排走，还有一部分是从路面接缝和裂缝及路面混合料的孔隙渗入路面结构；同时，当地下水位较高或路段存在含水层时，地下水则会通过毛细渗入作用进入路面结构的下部，从路基或两侧的路肩结构渗流排走，如果路基或路肩基层采用透水性底的材料，将会导致水流外渗流的速度降低，水分被围封在结构内，导致各结构层材料和基础土被侵蚀，强度下降，变形增大。因此，有必要在路面内部设置排水系统，将在路面结构内的水分快速排出，可以采用透水性良好的沥青混凝土作为表层，排水性良好的土工织物作为中间层，最后设置透水性良好的基层。级配碎石基层属于良好的透水性基层，不仅能起到排水作用，还能削弱动荷载的冲击和疲劳破坏，从而减少地下水上升带来的损害。

2.4 级配碎石抗冻性研究

对于寒冷地区的公路，当采用级配碎石作为基层时，其抗冻性能还应满足规范要求，本文对级配碎石抗冻性的研究参照沥青混凝土混合料的冻融劈裂试验进行。将成型的级配碎石试件表面洒水，直至明显渗水时，将试件放入恒温环境箱内，进行冻融循环试验。具体的结果见表2所示。

表2 冻融循环试验

从表2可知经过冻融循环试验后，级配碎石的CBR值呈现下降的趋势，主要是由于其内部含有水，当处于低温时，水结成冰膨胀，导致试件内部集料颗粒间的间隙增大，当处于高温时，冰发生融化，试件由于在结冰时的体积增大产生附加的应力消失，使试件内部集料间颗粒存在空隙，经过这样的一张一弛循环后，使集料之间的相互作用力降低，导致CBR值降低。对比不同的试验组可以发现，第3及第4组最大干密度较大，内部的空隙率较小，内部水分也较少，因此其CBR值减小幅度相对较小，抗冻性指数也较小。因此，可以通过调节试件的最大干密度控制其抗冻性能。

3 级配碎石施工工艺

本工程的级配碎石基层集料级配采用《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）表6.2.4的1号级配。级配碎（砾）石压碎值不大于35%。施工工艺及要点为：①施工前做好路面结构层材料的备料工作；②清除原路面松散的填缝料，胀缝材料或其他类似物；③在排水不畅的路段提前沿原水泥混凝土边缘挖盲沟，以排出路面结构内的积水；④挖除唧浆或出现软弹的路面，以级配碎石补平、压实；⑤采用MHB破碎机把原水泥混凝土路面破碎一遍，破碎顺序应从路面一侧开始，完成一侧后再进行另一幅的破碎，宽度为4.5m，搭接宽度应在15cm以上，局部不平处应用0～10mm的碎石回填并压实，水泥混凝土破碎率应达到75%以上，形成表面不超过7.5cm、中间层不超过22.5cm、底部不超过37.5cm粒径的碎裂颗粒，对局部不平处采用5～30cm的碎石填平；⑥采用20—25TZ型压路机压实2～3遍；⑦用光轮压路机振动压实1～2遍；⑧洒乳化沥青层或细粒径级配碎石。碎石化前，应先处理完水泥路面原有病害，处理好路面内部积水排水问题后方可将旧水泥路面碎石化；旧水泥路面碎石化过程中，出现软弹处必须挖除软弹处路面和软化路基，然后用级配碎石回填压实；洒布透层油和铺筑下封层后，必须检测表面弯沉，间距10m，对于特大弯沉点必须予以处理（挖除特大弯沉处路面后回填级配碎石压实）；应尽快铺筑沥青面层，未铺筑沥青面层前不得开放交通。

4 结语

半刚性基层因具有较高的结构强度及承载力、较为良好的结构整体性和耐久性，被广泛应用于高速公路路基施工中，但随着使用时间的延长，半刚性基层路面出现裂隙、车辙、推移等病害。本文对级配碎石基层这种较为常见的半刚性基层进行研究，结果表明：在级配碎石成型的方法中振动成型的最大干密度为击实成型的1.07倍，在实际施工过程中应严格控制粗细集料的配比，做好排水层，严格控制施工的质量。