半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪施工變形

王選倉，張 爍，喬 志,，徐子濤，侯仰慕

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.內(nèi)蒙古交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪施工變形

王選倉1，張 爍1，喬 志1,2，徐子濤1，侯仰慕2

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.內(nèi)蒙古交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

為了研究雙層連續(xù)攤鋪時施工荷載使半剛性基層產(chǎn)生的變形，通過進行室內(nèi)模擬試驗和現(xiàn)場實測試驗進行對比分析并建立模型，得到連續(xù)攤鋪下半剛性基層的施工位移的基本變化規(guī)律和適合半剛性基層的施工位移預(yù)估模型。結(jié)果表明：在重復(fù)荷載作用下，半剛性基層豎向位移的增長規(guī)律與室內(nèi)模擬和現(xiàn)場實測試驗是一致的，都是隨著運輸車輛作用次數(shù)的增加而增加，并且增加的速度越來越慢，最終逐漸趨向于一固定值。

道路工程；半剛性基層；雙層連續(xù)攤鋪；塑性變形

0 引 言

近年來，半剛性雙層連續(xù)攤鋪施工技術(shù)逐步在中國道路施工中嶄露頭角。相對傳統(tǒng)施工技術(shù)，雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)具有施工周期短、施工造價低、層間結(jié)合效果好、機械利用率高等優(yōu)勢[1-3]。

科研工作者對半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪施工技術(shù)進行了研究：如平國超研究了邯鄲大名高速試驗段水穩(wěn)基層雙層連續(xù)攤鋪施工，結(jié)果表明，這種攤鋪方法具有良好的整體力學(xué)性能以及優(yōu)良的抗溫縮、抗干縮裂縫特性[4]；任福松等基于滬寧高速上海段試驗路的攤鋪，計算得出雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)在經(jīng)濟效益上遠超傳統(tǒng)施工[5]；王選倉等依托內(nèi)蒙古省道203線滿阿段，對半剛性雙層連續(xù)攤鋪施工組織及層間結(jié)合狀態(tài)進行了系統(tǒng)研究[6-7]。

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外對雙層連續(xù)攤鋪模式下半剛性基層施工的研究相對不足，尤其是半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪的施工工藝及施工變形等方面均沒有明確的規(guī)范，使得現(xiàn)場施工沒有可遵照的施工標準。本文主要基于松散粒料塑性變形理論、室內(nèi)模擬試驗和現(xiàn)場實測試驗結(jié)果，對比分析雙層攤鋪下未經(jīng)養(yǎng)生的基層材料的變形特征；并通過對塑性變形模型的研究，提出合理的施工位移預(yù)估模型，確定雙層連續(xù)攤鋪模式下半剛性基層施工的變形預(yù)估方程，從而對現(xiàn)場施工進行指導(dǎo)。

1 松散粒料變形理論

未經(jīng)養(yǎng)生的半剛性基層，其結(jié)構(gòu)特點與松散粒料相似，在車輛荷載作用下表現(xiàn)為彈塑性行為。

由于松散粒料沒有黏結(jié)料的束縛，當下承層發(fā)生不均勻沉降時，在荷載的作用下，破碎粒料會補充因沉降而產(chǎn)生的空隙，故二次松散由此產(chǎn)生。根據(jù)散體動力學(xué)的相關(guān)理論，壓實度越高的散粒體松散系數(shù)越大，二次松散后的松散體積也就越大，能夠填充更多的沉降變形[8-9]。

目前的研究表明，影響松散粒料塑性變形的因素主要有作用應(yīng)力、荷載作用次數(shù)、主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)速度、粒料級配及含水量等[10]。對于本文研究的現(xiàn)場施工變形 ，主要影響因素有施工車輛荷載、碾壓下基層的次數(shù)、基層粒料級配及含水量等，其中施工車輛荷載和車輛作用次數(shù)為研究的關(guān)鍵因素。

2 重復(fù)荷載下塑性變形的室內(nèi)試驗

2.1 作用次數(shù)的確定

級配碎石粒料層的永久變形隨著荷載作用次數(shù)的增加逐漸累積，因此荷載作用次數(shù)是研究粒料層長期變形行為的重要因素。很多學(xué)者對粒料材料永久變形與荷載作用次數(shù)的關(guān)系做了系統(tǒng)的研究[11]，如Barksdale對粒料進行了深入的研究，結(jié)果表明粒料材料的軸向永久變形與荷載作用次數(shù)在對數(shù)坐標下成線性關(guān)系[12]。

為了使室內(nèi)試驗?zāi)芨玫啬M現(xiàn)場施工車輛對級配碎石粒料的作用狀態(tài)，選擇與現(xiàn)場相匹配的作用次數(shù)至關(guān)重要。在進行現(xiàn)場上基層施工時，作用在下基層的運輸車輛荷載，在空間限制下必然會作用在未成型的下基層上。依據(jù)現(xiàn)場施工方式、車輛運輸方案和一般經(jīng)驗認為，一定的施工距離范圍內(nèi)，運輸車輛對下基層的作用一般在10次左右。本文室內(nèi)試驗重復(fù)加載作用次數(shù)選定為20次。

2.2 材料參數(shù)及試驗過程

2.2.1 材料參數(shù)

根據(jù)實際施工中基層材料種類及級配情況，室內(nèi)試驗采用與現(xiàn)場施工相同的半剛性基層材料及級配組成進行塑性變形試驗。試驗相關(guān)材料性能指標如表1所示，半剛性基層配合比如表2所示。

表1 集料基本性能指標

表2 水穩(wěn)基層配合比

2.2.2 試驗過程

級配碎石層松散粒料永久變形試驗在美國生產(chǎn)的MTS810(Material Test System)材料試驗機上進行，如圖1所示[13]。對于彈塑性松散粒料來說，其應(yīng)力應(yīng)變曲線不是線形變化的，荷載越大，混合料的塑性性能越突出。因此，對于重復(fù)加載試驗來說，選擇何種加載應(yīng)力水平應(yīng)根據(jù)路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)確定。根據(jù)經(jīng)驗及實際工況條件，本次試驗選擇加載正力。

圖1 材料試驗系統(tǒng)

在控制軟件中輸入試驗參數(shù)，主要包括應(yīng)力水平、試驗頻率、試驗波形(半正弦波)、加載頻率、數(shù)據(jù)采集內(nèi)容及采集密度等。重復(fù)加載試驗參數(shù)水平如表3所示。

加載程式采用應(yīng)力模式，各傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機直接連接，數(shù)據(jù)采集結(jié)果直接存入計算機指定的數(shù)據(jù)文件夾中。通過對粒料進行重復(fù)荷載試驗，在不同荷載作用次數(shù)的正矢波荷載作用下，得到粒料的回彈變形以及塑性變形，對數(shù)據(jù)進行科學(xué)的處理，建立塑性變形與荷載作用次數(shù)之間的關(guān)系。

2.3 室內(nèi)試驗結(jié)果及分析

在固定應(yīng)力水平下進行塑性變形試驗，所得室內(nèi)試驗結(jié)果如表4所示，塑性變形曲線如圖2所示。

表4 松散粒料變形量試驗結(jié)果

分析圖2可知：塑性變形量隨著作用次數(shù)的增加而增大，變形量的增長速度逐漸變緩，并趨于固定值；大部分的塑性變形量是在重復(fù)作用8次內(nèi)完成的，達到作用20次變形量的86%，而且10次之后變形量的增長速度明顯變緩，最大變形量在5.0 mm左右。這是由于：未經(jīng)養(yǎng)生的水泥穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層膠結(jié)能力較差，剪切破壞伴隨著顆粒破碎而產(chǎn)生，破碎的粒料在外力作用下產(chǎn)生相對位置的移動，進行粒料重新排列，從而發(fā)生粒料體積的變化。隨著荷載不斷增加，粒料位移不斷增大，達到一定程度時，松散粒料的二次松散性在緩沖下承層不均勻沉降方面效果明顯，使位移增長緩慢。

圖2 松散粒料的塑性變形

3 雙層連續(xù)攤鋪施工變形現(xiàn)場實測與分析

由于水泥穩(wěn)定基層沒有經(jīng)過一定齡期的養(yǎng)生，強度不能達到傳統(tǒng)攤鋪對于下承層的要求，在進行上基層施工時(作用在下基層的主要荷載是運料車荷載)，運料車輛難免對下基層產(chǎn)生影響。主要表現(xiàn)在豎向位移增加，進而影響上基層平整度。故需要研究現(xiàn)場施工車輛對下基層位移的影響規(guī)律。

3.1 試驗段概況

為了研究現(xiàn)場運料車對未經(jīng)養(yǎng)生的下基層作用后產(chǎn)生的塑性變形規(guī)律，課題組于2015年6、7月在內(nèi)蒙古省道203滿阿段完成了試驗段的鋪筑工作，并對各結(jié)構(gòu)層平整度及壓實度進行檢測。試驗段位于第8標段K130+000～K130+100，攤鋪方案為16 cm+16 cm底基層雙層連續(xù)攤鋪，試驗段施工現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試驗段施工攤鋪現(xiàn)場

3.2 運料車擾動位移現(xiàn)場實測分析

上基層攤鋪過程中，每次在運輸車輛壓過后，采用3 m直尺進行橫向連續(xù)檢測，以確定運輸車輛對下基層的平整度擾動情況?，F(xiàn)場實測擾動變形量隨車輛作用次數(shù)的變化關(guān)系如圖4、表5所示。

圖4 擾動變形量隨車輛作用次數(shù)的變化關(guān)系

測量時間累計總變形量/mm分次變形量/mm累計擾動變形量/mm擾動前2.8擾動后車輛作用次數(shù)15.02.22.226.01.03.236.80.84.047.20.44.457.40.24.667.60.24.877.80.25.0898.00.25.21011128.20.25.4

由圖4可知，現(xiàn)場施工中擾動位移量的增長規(guī)律與室內(nèi)試驗一致，隨著運輸車輛作用次數(shù)的增加而增加，并且增加的速度越來越慢，最終逐漸趨向于固定值。

3.3 施工變形現(xiàn)場實測與室內(nèi)模擬對比分析

將室內(nèi)試驗變形量與現(xiàn)場實測擾動變形量進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：在施工車輛的重復(fù)作用下，半剛性下基層豎向位移的增長規(guī)律與室內(nèi)模擬得到的規(guī)律相同，也是隨著車輛作用次數(shù)的增加而增加，并且增加的速度越來越慢，最終逐漸趨向于固定值；但是，現(xiàn)場位移量增長速度與增長幅度明顯快于室內(nèi)試驗?zāi)M，這是由于施工現(xiàn)場影響因素復(fù)雜，施工及檢測時變異性大，所測量試驗數(shù)據(jù)具有一定的波動性。

圖5 室內(nèi)試驗段變形量與現(xiàn)場變形量對比

4 雙層攤鋪模式下基層塑性變形預(yù)估模型的建立

研究雙層攤鋪模式下松散粒料施工位移的主要目的是建立可以預(yù)估施工變形累積的本構(gòu)關(guān)系模型，以便可以更好地控制施工質(zhì)量。

4.1 塑性變形模型的選擇

目前，研究松散粒料塑性變形的預(yù)估模型比較多，有Sweere和Barksdale模型、Tseng和Lytton模型、Cardo和Witczak模型、Muhanna模型、Wolff和Visse模型、Ayres模型、AASHTO 2002模型、魏密模型[14-16]。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過對上述級配碎石粒料MTS重復(fù)加載永久變形曲線分析，認為Wolff和Visser永久變形預(yù)估模型與試驗實測的結(jié)果比較吻合。本文擬采用該模型，對室內(nèi)重復(fù)加載試驗及現(xiàn)場實測的塑性變形數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的目標函數(shù)，得到雙層攤鋪模式下下基層施工位移預(yù)估模型參數(shù)。模型基本方程為

ε=(cN+a)(1-ebN)

式中：ε為材料累計變形量；N為重復(fù)荷載加載次數(shù)；a、b、c分別為材料參數(shù)。

4.2 塑性變形預(yù)估方程回歸

采用origin數(shù)據(jù)分析軟件對室內(nèi)模擬試驗及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)參數(shù)進行非線性回歸擬合，擬合結(jié)果如圖6、7所示。確定模型參數(shù)a、b、c的值，見表6。

圖6 室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)擬合

圖7 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)擬合

從擬合結(jié)果可以看出，模型對室內(nèi)模擬試驗及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的擬合程度非常好，說明該預(yù)估模型可運用于實踐，為雙層連續(xù)攤鋪時的基層質(zhì)量保證提供指導(dǎo)。

5 結(jié) 語

(1)本文通過對室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗的對比分析，得到了雙層連續(xù)攤鋪模式下半剛性基層下基層豎向位移的變化規(guī)律為：在重復(fù)荷載作用下，半剛性基層豎向位移隨著運輸車輛作用次數(shù)的增加而增加，并且增加的速度越來越慢，最終逐漸趨向于固定值；大部分的塑性變形量是在重復(fù)作用8次內(nèi)完成的，達到了作用20次后變形量的86%，且10次之后變形量的增長速度明顯變緩，最大變形量在5.0 mm左右。

(2)建立了雙層連續(xù)攤鋪模式下半剛性基層下基層豎向位移的預(yù)估模型，并通過數(shù)據(jù)分析得到了室內(nèi)模型、現(xiàn)場模型的相關(guān)材料參數(shù)。

(3)結(jié)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，建立了符合雙層攤鋪模式下基層施工變形規(guī)律的預(yù)估模型。該模型能夠在基層施工前對施工方案進行科學(xué)指導(dǎo)，為制定施工過程質(zhì)量控制措施提供理論依據(jù)。

[1] 張礦生.水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連續(xù)攤鋪施工工藝研究[J].江西建材,2016(2):183-188.

[2] 范粉艷.瀝青路面雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)的應(yīng)用與分析[J].科技與企業(yè),2016(1):121-123.

[3] 趙殿鵬,楊 平.雙層攤鋪瀝青路面層間抗剪性能試驗研究[J].森林工程,2016(4):61-64.

[4] 平國超.水泥穩(wěn)定碎石基層雙層連續(xù)攤鋪施工工藝與質(zhì)量控制[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2014.

[5] 任福松,傅志強.雙層連續(xù)攤鋪水泥穩(wěn)定碎石基層[J].交通標準化,2010(S1):163-166.

[6] 喬 志,王選倉,徐子濤,等.半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪施工組織工藝研究[J].中國公路學(xué)報,2016,29(3):41-47.

[7] 喬 志,王選倉,張志芳,等.半剛性基層雙層連續(xù)攤鋪層間結(jié)合狀態(tài)[J].交通運輸工程學(xué)報,2016,16(3):28-34.

[8] 江慧娟.瀝青穩(wěn)定碎石級配設(shè)計方法及性能研究[D].西安：長安大學(xué),2006.

[9] 高曉飛.水泥混凝土路面基層特性研究[D].西安：長安大學(xué),2000.

[10] 桂增儉.級配碎石散體材料極限二次松散系數(shù)應(yīng)用研究[J].筑路機械與施工機械化,2016,33(5):47-50.

[11] 柳 音.級配碎石柔性基層性能試驗研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2008.

[12] 馬士杰.粒料基層設(shè)計方法與永久變形控制指標研究[D].南京：東南大學(xué),2015.

[13] 袁 峻.級配碎石基層性能與設(shè)計方法的研究[D].南京：東南大學(xué),2004.

[14] 梁 偉.砂土永久變形預(yù)估模型試驗和仿真研究[D].西安：長安大學(xué),2008.

[15] 湯祖杰.瀝青路面抗永久變形設(shè)計方程研究[D].西安：長安大學(xué),2009.

[16] 陳國兵.級配碎石材料永久變形預(yù)估模型仿真研究[D].西安：長安大學(xué),2009.

ConstructionDeformationofSemi-rigidBaseUnderContinuousDouble-layerPaving

WANG Xuan-cangl，ZHANG Shuo1， QIAO Zhil,2，XU Zi-tao1，HOU Yang-mu2

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China; 2. Transportation Construction Engineering Quality Supervision Bureau of Inner Mongolia, Hohhot 010020, Inner Mongolia, China)

In order to study the deformation of semi-rigid base caused by the construction load of double-layer paving, based on the indoor simulation and the field test, the data were collected, the results were compared and analyzed, and the model was established. The basic change rule of the construction displacement of semi-rigid base under continuous paving and the construction displacement prediction model suitable for semi-rigid base were obtained. The results show that under the repeated load, the growth of the vertical displacement of the semi-rigid base is consistent with the indoor simulation and the field test, all with the increase of the number of transport vehicles. But the speed of increasing becomes more and more slowly, and finally tends to a fixed value.

road engineering; semi-rigid base; continuous double-layer paving; plastic deformation

U416.2

B

1000-033X(2017)11-0126-05

2017-04-08

內(nèi)蒙古自治區(qū)交通科技項目 (NJ-2014-017)

王選倉(1956-)，男，陜西西安人，教授，博士，研究方向為路面結(jié)構(gòu)與材料、公路路基工程和道路經(jīng)濟與工程管理等。

[責(zé)任編輯:杜敏浩]