季凍區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層連續(xù)施工方案合理性研究

劉 翠，王艷榮，陳俊成

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司 石家莊市 050051)

0 引言

在北方地區(qū)，路基路面的最佳施工期較短，秋冬季節(jié)溫度常低于標準養(yǎng)護溫度，有時為了趕進度不得不在較低的溫度下施工。針對這一施工條件的弱勢情況，分層連續(xù)攤鋪技術(shù)開始逐步被重視，這一技術(shù)可以縮短施工工期，提高各層層間粘結(jié)效果。分層連續(xù)攤鋪施工的具體方案是在路面結(jié)構(gòu)下一層施工結(jié)束后，直接進行上一層的攤鋪碾壓[1]。根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50-2017)，以無機結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應力為設計或驗算指標時，水泥穩(wěn)定類材料齡期為90d。在基層和面層施工過程中，因為連續(xù)施工時施工車輛作用在強度尚未成型的水泥穩(wěn)定基層之上，施工車輛的重量對已經(jīng)鋪筑的基層會造成一定的結(jié)構(gòu)破壞[2]。水泥穩(wěn)定類基層相應齡期的彎拉強度是否小于施工車輛荷載引起的層底拉應力是了解施工過程中基層是否發(fā)生破壞的關(guān)鍵[3]。

近年來，不少科研工作者對連續(xù)攤鋪技術(shù)和半剛性基層養(yǎng)生溫度對路用性能影響也進行了一定的研究工作。馬士賓[4]等對基層鋪筑時施工車輛對半剛性基層的力學影響進行了分析，得出了在齡期、施工車輛荷載等各種因素下，層間剪應力和層底拉應力等力學指標的變化規(guī)律，有利于改善半剛性基層瀝青路面早期破壞現(xiàn)象。喬志[5]等對半剛性基層連續(xù)攤鋪施工工藝進行了研究，證明了連續(xù)攤鋪的可行性。

研究了在非標準養(yǎng)生溫度下，水泥穩(wěn)定碎石基層連續(xù)攤鋪施工時，施工車輛荷載對已經(jīng)鋪筑基層的影響。以攤鋪養(yǎng)護7d、14d后的基層層底拉應力為計算指標，運用KENPAVE軟件，對各層層底拉應力進行計算，得出不同養(yǎng)生溫度下施工荷載對層底最大拉應力的影響。

1 不同溫度對水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

水泥穩(wěn)定碎石基層一般分為上基層、下基層和底基層，各結(jié)構(gòu)層厚度選擇16～20cm。在施工過程中，由于面層施工車輛行駛緩慢，大多數(shù)時間都是停在已鋪筑的基層結(jié)構(gòu)上，所以這里選用靜態(tài)抗壓回彈模量。不同溫度下養(yǎng)護7d、14d的抗壓回彈模量和劈裂強度要求有所不同。不同溫度下的抗壓回彈模量范圍和劈裂強度上限如圖1、圖2所示[6-7]。

2 在不同溫度下施工車輛對基層的力學影響分析

2.1 力學分析

采用力學分析軟件KENPAVE，在不同養(yǎng)護溫度下，分析不同車輛軸載對水泥穩(wěn)定碎石底基層層底最大拉應力的影響，在實際施工過程中，路面結(jié)構(gòu)設計中使用的標準軸載遠小于施工現(xiàn)場的車輛實際載重量[8]，軸載計算結(jié)果見表1。

2.2 正交試驗

施工養(yǎng)護溫度會影響水泥穩(wěn)定基層早期的抗壓

圖1 不同溫度下的抗壓回彈模量范圍

圖2 不同養(yǎng)護溫度下的劈裂強度上限值

表1 軸重與輪胎接地面積的關(guān)系

強度、抗拉強度和彈性模量，在相同齡期時，溫度越高彈性模量及強度越高。在養(yǎng)護溫度為5℃、10℃、20℃的情況下，采用正交試驗的方法，以上、下、底基層厚度和抗壓回彈模量作為六個因素，每個因素包括五個水平，構(gòu)成L25(5-6)正交試驗表。

(1)溫度為5℃

表2 溫度為5℃時養(yǎng)生7d(14d)后的正交試驗因素水平表

根據(jù)表2進行正交試驗設計，正交設計結(jié)果和利用KENPAVE軟件計算的底基層層底拉應力見表3。

表3 溫度為5℃時養(yǎng)生7d(14d)正交試驗結(jié)果表

養(yǎng)護溫度5℃，養(yǎng)護 7d后的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強在0.1～0.19MPa之間，表2中25組試驗水泥穩(wěn)定碎石層層底最大拉應力均超過了材料的劈裂強度，可見該層發(fā)生彎拉破壞的可能性很大，為保證各層結(jié)構(gòu)的安全，考慮延長養(yǎng)護齡期至14d。

養(yǎng)護溫度5℃，養(yǎng)護14d后的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強在0.11～0.26MPa之間，表2中25組試驗中有13組可以滿足強度要求。其中試驗22底基層層底拉應力最小，對其施工軸載進行調(diào)整，經(jīng)計算，當軸載在120kN時，底基層層底拉應力為0.248MPa，已經(jīng)不滿足劈裂強度要求應控制軸載在100kN以內(nèi)。

(2)溫度為10℃

根據(jù)表4進行正交試驗設計，正交設計結(jié)果和利用KENPAVE軟件計算的底基層層底拉應力見表5。

表4 養(yǎng)護溫度為10℃時養(yǎng)護7d(14d)后的正交試驗因素水平表

表5 養(yǎng)護溫度為10℃時養(yǎng)護7d(14d)正交試驗結(jié)果表

養(yǎng)護溫度10℃，養(yǎng)護 7d后的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強在0.11～0.2MPa之間，表5中 25組試驗水泥穩(wěn)定碎石層層底最大拉應力均超過了材料的劈裂強度，發(fā)生彎拉破壞的可能性很大，為保證各層結(jié)構(gòu)的安全，考慮延長養(yǎng)護齡期至 14d。

養(yǎng)護溫度 10℃，養(yǎng)護14d后的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度在0.14～0.29MPa之間，表5中 25組試驗中前5組層底最大拉應力均超過了劈裂強度要求，其余20組均可在控制軸載的條件下保證路面結(jié)構(gòu)的安全性。當軸載在160kN時，底基層層底拉應力為0.316MPa，不滿足劈裂強度要求，故軸載需控制在140kN以內(nèi)。

(3)溫度為20℃

表6 養(yǎng)護溫度為20℃時養(yǎng)護7d(14d)后的正交試驗因素水平表

根據(jù)表6進行正交試驗設計，正交設計結(jié)果和利用KENPAVE軟件計算的底基層層底拉應力見表7。

表7 養(yǎng)護溫度為20℃時養(yǎng)生7d(14d)正交試驗結(jié)果表

養(yǎng)護溫度20℃，養(yǎng)護7d后的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度在0.21～0.43MPa之間，表7中 25組試驗均可在控制軸載的條件下保證路面結(jié)構(gòu)的安全性。其中試驗1底基層層底拉應力最大，對其施工軸載進行調(diào)整，經(jīng)計算，當軸載在160kN時，底基層層底拉應力為0.411MPa，滿足劈裂強度要求。因為試驗1已是正交試驗中最不理想的組合，故施工車輛只要不嚴重超載可滿足路面結(jié)構(gòu)的強度要求。

養(yǎng)護溫度為20℃，養(yǎng)護14d，水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度在0.44～0.61MPa之間。由表7可知，水泥穩(wěn)定碎石層層底最大拉應力均小于材料的劈裂強度，可見當養(yǎng)護溫度為20℃時，基層發(fā)生彎拉破壞的可能性很小。

2.3 試驗結(jié)果

(1)溫度為5℃

在養(yǎng)護溫度為5℃時，在不同軸載作用下，養(yǎng)護7d、14d的層底最大拉應力和軸載之間的關(guān)系如圖3。

圖3 5℃時軸載和層底拉應力的關(guān)系

由圖3可知，底基層層底最大拉應力隨軸載的增大而增大，呈一次線性關(guān)系。養(yǎng)護溫度5℃，養(yǎng)護 7d后的水泥穩(wěn)定碎石層層底最大拉應力均超過了材料的劈裂強度，可見該層發(fā)生彎拉破壞的可能性很大，為保證各層結(jié)構(gòu)的安全，考慮延長養(yǎng)護齡期至 14d。養(yǎng)護14d后的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度在0.11～0.26MPa之間，當軸載為140kN時，底基層層底拉應力為0.261MPa，已經(jīng)不滿足劈裂強度要求，所以應盡量控制軸載在140kN以內(nèi)，或者適量摻加早強劑。

(2)溫度為10℃

在養(yǎng)護溫度為10℃時，在不同軸載作用下，養(yǎng)護7d、14d的層底最大拉應力和軸載之間的關(guān)系如圖4。

圖4 10℃時軸載和層底拉應力的關(guān)系

由圖4可知，在同一軸載作用下，養(yǎng)護7d后施工所產(chǎn)生的層底拉應力小于養(yǎng)護14d后進行施工產(chǎn)生的層底拉應力。養(yǎng)護溫度10℃，養(yǎng)護 7d后的水泥穩(wěn)定碎石基層層底最大拉應力只有在軸載為100kN時沒有超過相應的劈裂強度，超過100kN發(fā)生彎拉破壞的可能性很大，為保證各層結(jié)構(gòu)的安全，考慮延長養(yǎng)護齡期至 14d。養(yǎng)護14d后的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度在0.14～0.29MPa之間，當軸載在160kN時，底基層層底拉應力為0.308MPa，不滿足劈裂強度要求，故軸載需控制在160kN。

(3)溫度為20℃

在養(yǎng)護溫度為20℃時，在不同軸載作用下，養(yǎng)護7d、14d的層底最大拉應力和軸載之間的關(guān)系如圖5。

圖5 20℃時軸載和層底拉應力的關(guān)系

由圖5可知，底基層層底最大拉應力隨軸載的增大而增大，呈一次線性關(guān)系。養(yǎng)護溫度20℃時，養(yǎng)護7d和養(yǎng)護14d后進行施工，水泥穩(wěn)定碎石底基層層底拉應力均小于材料的劈裂強度，基層發(fā)生彎拉破壞的可能性很小，只要不嚴重超載可滿足路面結(jié)構(gòu)的強度要求。

3 結(jié)語

運用KENPAVE軟件，用正交試驗的方法分析了路面各結(jié)構(gòu)層厚度和抗壓回彈模量的最佳組合，并研究了各溫度下車輛荷載對底基層層底最大拉應力的影響。主要研究結(jié)論如下:水泥穩(wěn)定碎石基層在早期容易發(fā)生破壞，在施工過程中，選擇合適的施工方案、提出可行的措施，避免在施工期間發(fā)生基層結(jié)構(gòu)破壞是保證路基路面整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要一環(huán)。在相同齡期時，溫度越高彈性模量及強度越高。在低溫條件下，底基層能承受的軸重較小，在施工時要控制施工車輛的荷載。