雙層水泥穩(wěn)定碎石層間作用分析

李麗慧

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

水泥穩(wěn)定碎石取材方便、施工工藝簡單、前期強度高、板體性強、整體強度高，在我國公路基層中應(yīng)用最為廣泛[1,2]，在高等級路面結(jié)構(gòu)中，水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計厚度往往在30 cm以上，超過了一層鋪筑厚度，需要分層鋪筑[3].目前，水泥穩(wěn)定碎石雙層鋪筑有傳統(tǒng)的分層鋪筑方式和雙層連續(xù)鋪筑兩種方式[4].傳統(tǒng)的分層鋪筑是兩層分別鋪筑，第一層鋪筑壓實后需要灑水覆蓋養(yǎng)生7天后，再進行第二層的鋪筑.由于養(yǎng)生而延長施工時間，而且層間黏合作用差，影響結(jié)構(gòu)的整體性，進而影響基層的整體性和強度；另外一種分層鋪筑方式是雙層連續(xù)鋪筑施工，第一層壓實結(jié)束后，立即進行第二次的鋪筑，有利于兩層水泥穩(wěn)定碎石基層的層間接觸連續(xù)，增加層間作用，提高基層的整體性并縮短工期[5].通過力學(xué)性能分析和試驗分析，研究兩種水泥穩(wěn)定碎石鋪筑方式的層間作用，為雙層連鋪技術(shù)的應(yīng)用提供支持.

1 力學(xué)分析

半剛性基層瀝青路面是目前高等級路面應(yīng)用最為廣泛的一種路面結(jié)構(gòu)型式，水泥穩(wěn)定碎石基層是半剛性基層的典型代表.以瀝青路面結(jié)構(gòu)為例，分析兩種施工方式的力學(xué)性能.首先，設(shè)計某公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，分析水泥穩(wěn)定碎石基層的受力特點.然后，通過計算分析雙層水泥穩(wěn)定碎石基層連續(xù)鋪筑與分層鋪筑力學(xué)性能的差別.

1.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

某一級公路，路面結(jié)構(gòu)為瀝青路面，設(shè)計年限內(nèi)一個車道上的累計當(dāng)量軸次為5 660 000次，屬中等交通等級.通過路面結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件HPDS，計算出滿足彎沉和層底拉應(yīng)力的路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計計算結(jié)果見表1.

表1 瀝青路面I厚度計算

層底拉應(yīng)力是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制指標(biāo)[6].由表1可以看出，水泥穩(wěn)定碎石基層底部的受力為受拉狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)層設(shè)計厚度為40 cm，在設(shè)計中該結(jié)構(gòu)層是連續(xù)的.但施工時，如果一次完成鋪筑，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層底部難以壓實.為保證鋪筑和壓實的質(zhì)量，施工中40 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石至少需要分兩層施工.把水泥穩(wěn)定碎石作為兩個結(jié)構(gòu)層，通過路面結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件HPDS，重新分析各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力，設(shè)計計算結(jié)果見表2.

由表2可以看出，分層設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力與整體設(shè)計的結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力計算結(jié)果一致，說明該設(shè)計程序并不能反映出二者的差別.其原因在于:路面結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件假設(shè)結(jié)構(gòu)層層間接觸為連續(xù)的[7]，但是其設(shè)計假設(shè)條件與實際施工狀況不符，故分層施工達不到設(shè)計的抗拉強度.

表2 瀝青路面厚度II 計算

1.2 力學(xué)性能分析

1.2.1 層間連續(xù)水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)分析

該水泥穩(wěn)定碎石基層總厚度為40 cm，若分為兩層，每層厚度為20 cm，連續(xù)鋪筑，層間連續(xù).則在該施工方式下，矩形斷面慣性矩Ix1和截面系數(shù)Wx1分別為

1.2.2 層間分層水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)分析

水泥穩(wěn)定碎石基層總厚度為40 cm，分為兩層，每層厚度為20 cm，待第一層壓實完成養(yǎng)護7天后鋪筑第二層，層間不連續(xù).則在該施工方式下，矩形斷面慣性矩Ix2和截面系數(shù)Wx2分別為

從以上結(jié)果可以計算得到，相同厚度的水泥穩(wěn)定碎石基層，其截面慣性矩Ix1/Ix2=4，其截面系數(shù)Wx連/Wx分=2.這表明，連續(xù)鋪筑水泥穩(wěn)定碎石雙層在力學(xué)性上顯著高于層間分層鋪筑.而路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計假設(shè)條件是按照層間連續(xù)計算，與連續(xù)施工方法一致，與分層施工方法不符.分層施工方法達不到設(shè)計的抗拉強度.雖然雙層連續(xù)鋪筑施工時，層間也可能為不完全連續(xù)狀態(tài)，但要優(yōu)于完全分離狀態(tài).

2 分層鋪筑間隔時間對層間作用的影響

分層鋪筑間隔時間不同，直接影響水泥穩(wěn)定碎石層間的作用.鋪筑層間界面狀況，將影響路面壽命[9].通過試驗，分析分層鋪筑間隔時間對層間作用的影響.

2.1 原材料試驗

2.1.1 水泥

水泥采用P.O 32.5水泥，初凝時間為172 min，終凝時間為256 min.水泥用量為4.0%.

2.1.2 集料

集料采用石灰?guī)r，參照骨架密實型級配，由三種粒徑的碎石和石屑配制而成，級配見表3.

表3 集料級配

2.2 試件制作

采用擊實成型法，按照最佳含水量，以不同的時間間隔，制作A、B、C三類直徑為15 cm的水泥穩(wěn)定碎石圓柱形試件.A類試件模擬設(shè)計狀態(tài)，連續(xù)擊實成型；B類試件，上下兩層時間間隔為1.5 h(結(jié)合施工過程需要)，模擬雙層連續(xù)鋪筑；C類試件模擬傳統(tǒng)的分層鋪筑，第一層成型后，養(yǎng)生7d后，表面涂一層水泥漿，再擊實成型第二層.

2.3 強度試驗

分別對三組試件進行7d無側(cè)限抗壓強度試驗和層間剪切試驗，試驗結(jié)果見圖1和圖2.

圖1 水泥穩(wěn)定碎石試件7d無側(cè)限抗壓強度對比

圖2 水泥穩(wěn)定碎石試件抗剪強度對比

從以上試驗結(jié)果可看出，雙層連續(xù)成型和分層成型連續(xù)成型相比，試件的7 d無側(cè)限抗壓強度和層間剪切強度均有所降低，表明當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計厚度超過單層鋪筑厚度時，實際強度與設(shè)計計算強度相比，均有不同程度的降低.水泥穩(wěn)定碎石雙層連續(xù)成型和分層成型的7 d無側(cè)限抗壓強度與全厚度連續(xù)成型相比，分別降低4.5%和21.1%.層間抗剪強度損失分別為10.6%和61.6%，表明雙層連續(xù)成型與分層成型相比，分層成型的方法強度損失較大，尤其是層間抗剪強度；雙層連續(xù)成型的層間抗剪強度與分層成型連續(xù)成型相比，可以提高2.3倍.

3 結(jié)語

為了達到一定的壓實標(biāo)準(zhǔn)，超過一層鋪筑厚度的水泥穩(wěn)定碎石基層施工方式有傳統(tǒng)分層鋪筑方式和雙層連續(xù)鋪筑兩種方式。通過對分層鋪筑與連續(xù)鋪筑的力學(xué)性能和試驗分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)現(xiàn)行的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法有待于進一步改進，以貼近路面施工實際的狀態(tài).

(2)試驗結(jié)果表明，雙層連續(xù)成型與分層成型均不能完全達到層間連續(xù)狀態(tài)，前者的層間連續(xù)狀態(tài)高于后者.

(3)水泥穩(wěn)定碎石分層施工方法達不到設(shè)計的抗拉強度，且差距較大.雙層連續(xù)鋪筑施工時，層間也可能不完全連續(xù)，但明顯高于完全分離狀態(tài).

(4)雙層水泥穩(wěn)定碎石連續(xù)鋪筑的方式與分層鋪筑的方式相比，強度更高，尤其是層間抗剪強度.

(5)雙層連鋪水泥穩(wěn)定碎石基施工過程中，應(yīng)控制施工時間，使層間盡量接近連續(xù)，以達到設(shè)計強度.