水泥混凝土公路路基基層結(jié)構(gòu)厚度試驗(yàn)分析

萬真

摘要：低等級公路改、擴(kuò)建升級是我國公路交通發(fā)展的重要內(nèi)容之一。水泥混凝土路面憑借良好的抗滑性、耐用性以及低廉的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用歷來是高等級公路的主要路面形式之一，而路基結(jié)構(gòu)則直接影響道路壽命。文章以廣西憑祥至平而關(guān)二級公路建設(shè)工程為實(shí)例，分析了碎石最佳級配值的確定方法，并確定了其一級和二級最佳級配;通過試驗(yàn)確定級配碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石基層的最優(yōu)厚度，均為20cm。

關(guān)鍵詞：公路路基;水泥混凝土路面;級配碎石;試驗(yàn)分析

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.014

文章編號：1673-4874（2019）07-0043-03

0引言

根據(jù)交通部最新數(shù)據(jù)：截止到2018年底，我國公路總里程突破485萬km，其中高速公路超過14.5萬km，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均為世界第一。但需要認(rèn)識到：很多地段公路設(shè)計(jì)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，行車狀況差，嚴(yán)重影響了運(yùn)輸效率。因此我國各級政府每年投入巨資對舊公路進(jìn)行升級改造，而壽命和行車質(zhì)量成為評價(jià)公路改造項(xiàng)目的重要標(biāo)準(zhǔn)，這對路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了更高的要求。

1工程概況

位于廣西崇左市憑祥市境內(nèi)的憑祥至平而關(guān)原有舊路存在彎急坡陡、平縱技術(shù)狀況差等情況及路面網(wǎng)裂、龜裂、局部沉陷等病害，為三級公路標(biāo)準(zhǔn)，部分路段經(jīng)過當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)，嚴(yán)重影響行車安全。新路主線及叫隘支線路基設(shè)計(jì)寬度8.5m，路面寬度7.5m，行車道寬2×3.5m，設(shè)計(jì)速度40km/h。為兼顧經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，該設(shè)計(jì)采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。本文主要針對路面的基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2碎石的最佳級配值確定

水泥混凝土路面是當(dāng)前世界很多國家高等級公路的普遍選擇，該道路結(jié)構(gòu)由下而上主要由墊層、基層、面層構(gòu)成。其中面層所用的水泥混凝土只要按照相關(guān)規(guī)格選取就不會對公路質(zhì)量造成很大影響，而墊層和基層中的碎石級配是影響路面結(jié)構(gòu)性能的最重要參數(shù)之一。

（1）級配總體設(shè)計(jì)分析

根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件才能保證得到良好性能的級配碎石混合料：（1）主骨架充分嵌擠，形成骨架結(jié)構(gòu)，碎石間有良好內(nèi)摩擦阻力;（2）細(xì)料能夠充分填充孔隙，密實(shí)度較大。本文按照這兩個(gè)條件去設(shè)計(jì)級配。

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范（一級公路級配碎石最大粒徑≤31.5mm;二級或以下公路級配碎石最大粒徑≤37.5mm），為保證路面平整度，本項(xiàng)目要求級配碎石最大粒徑≤31.5mm。

（2）各級填充料的確定

①一級填充料配比的確定

本項(xiàng)目委托某科研機(jī)構(gòu)利用上置式振動試驗(yàn)儀來確定最佳填充料級配，其振動擊實(shí)參數(shù)如表1所示。之后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取26.5mm和31.5mm碎石組成一級填充料，兩種碎石不同比例的空隙率曲線見圖1。最終確定一級填充料中31.5mm和26.5mm碎石最佳比例為8：2。

②二級填充料配比的確定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，二級填充料由19mm和16mm組成，應(yīng)用同樣的試驗(yàn)方法確定本項(xiàng)目31.5：26.5：19：16=1：4：3.3：3.6為最佳填充料配比。

3水泥混凝土路基基層結(jié)構(gòu)最優(yōu)厚度分析

根據(jù)眾多學(xué)者研究結(jié)果表明：在級配一致的前提下，基層厚度對水泥混凝土路基結(jié)構(gòu)性能影響很大，在此分別就級配碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石基層的最優(yōu)厚度進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3.1最優(yōu)級配碎石底基層厚度的確定

本文共設(shè)計(jì)6個(gè)級配碎石底基層厚度方案，通過測定和對比底基層拉應(yīng)變數(shù)值來確定最優(yōu)底基層厚度。在此借助PADS軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，各方案的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖2所示，由圖2可知：（1）隨著垂直載荷逐步增大，級配碎石底基層底部的拉應(yīng)變也在不斷增加;（2）隨著底基層厚度的增大，在同一垂直載荷作用下，其底部拉應(yīng)變在逐步降低;（3）方案1和方案2的底基層底部拉應(yīng)變整體趨勢基本一致，方案3～6的底基層底部拉應(yīng)變整體趨勢基本一致;（4）方案2和方案3區(qū)別較為明顯，且隨著垂直載荷逐步增加，兩者的拉應(yīng)變差距逐步擴(kuò)大。

綜合分析：級配碎石底基層厚度對路基力學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)成影響，且當(dāng)?shù)谆鶎訛?0cm時(shí)，既可以明顯降低基層底部的拉應(yīng)變程度，也能兼顧路面整體造價(jià)，因此可作為本項(xiàng)目的最優(yōu)厚度。

3.2最優(yōu)水泥穩(wěn)定碎石基層厚度的確定

在確定了級配碎石底基層厚度后，固定該值為20cm，設(shè)計(jì)不同的水泥穩(wěn)定碎石基層厚度方案，通過同樣的方法測定路基頂面壓應(yīng)變來確定最優(yōu)基層厚度。各方案的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖3所示，由圖3可知：（1）隨著垂直載荷逐步增大，路基頂面壓應(yīng)變也在不斷增加;（2）隨著底基層厚度的增大，在同一垂直載荷作用下，路基頂面壓應(yīng)變在逐步降低;（3）方案1和方案2的路基頂面壓應(yīng)變整體趨勢基本一致，方案3～5的路基頂面壓應(yīng)變整體趨勢基本一致;（4）方案2和方案3區(qū)別較為明顯，且隨著垂直載荷逐步增加，兩者的拉應(yīng)變差距逐步擴(kuò)大。

綜合分析可知：水泥穩(wěn)定碎石基層厚度對路基力學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)成影響，且當(dāng)基層厚度為20cm時(shí)，既可以明顯降低路基頂面壓應(yīng)變程度，而且也能兼顧路面整體造價(jià)，因此可作為本項(xiàng)目的最優(yōu)厚度。

3.3水泥混凝土路面基層結(jié)構(gòu)整體最優(yōu)厚度驗(yàn)算

通過以上分析可知基層結(jié)構(gòu)厚度這一參數(shù)對路基力學(xué)結(jié)構(gòu)性能、承載能力等有著較大影響。為保證上述試驗(yàn)確定數(shù)值的合理性，在此利用相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)其他學(xué)者研究成果得出基層厚度h（包括級配碎石底基層+水泥穩(wěn)定碎石基層）與路基承載能力Wu關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式見式（1），據(jù)此得出Wu與h之間的變化率關(guān)系表（見表4）。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知：（1）當(dāng)h逐步增加時(shí)，Wu的變化率在逐步減小，即路基承載能力在逐步加大，但增加率越來越小;（2）當(dāng)h范圍在35～40cm時(shí)，wu的變化率趨近于穩(wěn)定，因此也是較為合理的厚度值。因此最終確定本項(xiàng)目的基層最優(yōu)總厚度值為40cm。

4結(jié)語

路基結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)對道路壽命、行車環(huán)境有著直接影響。本項(xiàng)目通過詳細(xì)設(shè)計(jì)分析填充料級配和基層厚度，得出了合理的相關(guān)參數(shù)。案例工程路段改建工程投入使用6年后，沒有發(fā)生明顯病害，由此說明了路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可以為今后類似工程提供參考。