半剛性-級配碎石復(fù)合基層施工工藝研究

熊 艷 王曼君

(貴州省交通勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550001)

我國高等級公路建設(shè)對路基有較高的強(qiáng)度要求，同時采取了薄面層設(shè)計思路。半剛性基層強(qiáng)度能較好滿足“強(qiáng)基”要求，同時還具備造價低廉的經(jīng)濟(jì)特征，在高等級公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但半剛性基層在建設(shè)應(yīng)用過程中也暴露了諸多缺陷，例如，抗裂性能、抗沖刷能力不足等。因此，尋找一種更為合理的基層設(shè)置及施工方法是目前亟待解決的關(guān)鍵性問題。

在近30年高速公路建設(shè)經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)：設(shè)有半剛性基層的高速公路在服役4～5年內(nèi)常發(fā)生面層開裂、松散及坑槽等病害。半剛性材料有明顯收縮效應(yīng)，表現(xiàn)為溫縮或干縮等，易引發(fā)基層的開裂問題，引起瀝青面層材料的反射裂縫，給行車質(zhì)量帶來諸多不利影響[1]。半剛性路基材料具備較好抗疲勞能力，兼具較高強(qiáng)度和荷載分散特性，但排水性差，積水通過路面裂縫進(jìn)入基層后，無法快速排除，易引起路基和路面水損害[2]。

相較于半剛性基層，級配碎石基層則有著較好抗開裂和水損害能力，國內(nèi)外專家學(xué)者已有探索研究：龍繼偉[3]搭建有限元數(shù)字模型，針對設(shè)置有級配碎石基層的公路結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析各層底及層中拉應(yīng)力及剪應(yīng)力情況，得出級配碎石回彈模量設(shè)置為300 MPa時對應(yīng)的最佳層厚設(shè)置范圍；胡云澤[4]針對設(shè)置有級配碎石基層的公路車轍病害問題展開分析，在室內(nèi)計算模擬的基礎(chǔ)上論證級配碎石基層對路面耐久性的提升作用；楊大田等[5]則主要在有限元分析基礎(chǔ)上，通過瀝青混合料面層層底拉應(yīng)力等指標(biāo)，得到最佳的級配碎石基層層厚。

但需注意的是，應(yīng)用級配碎石基層也需關(guān)注其強(qiáng)度方面的缺陷，一般應(yīng)用公路的軸載數(shù)不能超過500萬次，強(qiáng)度不足問題也限制了級配碎石基層在高等級公路上的大范圍推廣，將半剛性基層和級配碎石基層相結(jié)合形成一種新型的復(fù)合基層形式將能有效解決這一問題。也有研究者提出一種復(fù)合級配碎石基層結(jié)構(gòu)，利用級配碎石取代一定比例的半剛性水穩(wěn)碎石作為基層，進(jìn)行路用性能分析[6]。

綜上所述，可發(fā)現(xiàn)針對半剛性基層或是級配碎石基層的應(yīng)用研究已有較豐富的成果，但單一的半剛性基層抗裂能力不足、級配碎石基層強(qiáng)度不足問題仍未得到根本性解決。其次，已有針對復(fù)合型路基形式的研究主要停留在探索階段，未在實體工程上得到有效驗證。最后，在具體的半剛性-級配碎石復(fù)合基層的施工工藝上還未得到標(biāo)準(zhǔn)化流程。因此本文提出了一種半剛性-級配碎石復(fù)合基層；驗證得出合理的級配碎石配合比；在實體工程上進(jìn)行驗證應(yīng)用并跟蹤檢測其性能表現(xiàn)，闡述施工工藝及現(xiàn)場質(zhì)量把控與檢測關(guān)鍵點，旨在為高等級公路路基的開發(fā)和應(yīng)用推廣提供一定參考。

1 工程簡介

本研究以貴州省某新建高速公路建設(shè)工程為背景，該高速公路設(shè)計為雙向四車道，設(shè)計速度為120 km/h，所選取試驗段長度為3.604 km，建設(shè)樁號為K5+486-K9+090。試驗段及常規(guī)段的路面結(jié)構(gòu)形式示意分別見圖1、圖2。

圖1 試驗段路面結(jié)構(gòu)形式示意

圖2 常規(guī)段路面結(jié)構(gòu)形式示意

相較于常規(guī)段路面結(jié)構(gòu)形式，試驗段將其中16 cm厚的5%水泥穩(wěn)定碎石下基層替換為等厚度的級配碎石層，并在其上、下分別設(shè)置煤油稀釋瀝青透層和改性乳化瀝青稀漿封層。采用該方案能有效減少基層的溫縮及干縮現(xiàn)象，保證試驗段的半剛性-級配碎石復(fù)合基層具備更好的抗開裂能力，從而減少因基層開裂而引起的面層反射裂縫。

2 級配碎石層級配設(shè)計

為了保證級配碎石層具備優(yōu)良的路用性能，需做好級配碎石基層的級配設(shè)計。級配碎石層組成構(gòu)成中并不包含結(jié)合料，無法產(chǎn)生黏結(jié)作用，該層強(qiáng)度主要源于級配碎石塊間的嵌擠作用，因此在原材料集料選擇方面有著嚴(yán)格的要求。

2.1 集料選擇

集料種類選擇石灰?guī)r碎石，其粒徑范圍是0～26.5 mm，在破碎加工時應(yīng)選擇反擊式破碎加工方案。備料采用四級備料法，一級料粒徑范圍為19～26.5 mm，二級料粒徑范圍為9.5～19 mm，三級料粒徑范圍為4.75～9.5 mm，四級料粒徑范圍為0～4.75 mm，各級料間嚴(yán)格劃分界面，并分別堆放。在集料倉儲及轉(zhuǎn)運過程中均應(yīng)杜絕集料離析現(xiàn)象，其中四級料要做好防雨防水保護(hù)。一級到四級料主要物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)情況見表1。

表1 集料物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

2.2 級配組成

對4個級別集料進(jìn)行進(jìn)一步篩分統(tǒng)計，確定了一級料、二級料、三級料、四級料的摻配的質(zhì)量比為21∶9∶24∶46，施工現(xiàn)場取樣的合成級配碎石篩分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。

表2 級配碎石級配情況

對現(xiàn)場取樣的合成級配碎石進(jìn)行室內(nèi)重型擊實檢測，得出級配碎石配合比對應(yīng)的最佳含水率為4.9%，最大干密度為2.304 g/cm3。

3 復(fù)合基層施工工藝

半剛性-級配碎石復(fù)合基層中的級配碎石層，相較于半剛性層，由于缺少黏結(jié)料的黏結(jié)作用，強(qiáng)度要低于水泥穩(wěn)定碎石層。這也導(dǎo)致了級配碎石層的施工工藝難度更高，因此需要把控好各項細(xì)節(jié)工作。

3.1 半剛性下承層施工

由于級配碎石層的強(qiáng)度較低，因此對其下部半剛性下承層的強(qiáng)度有著較高要求，除原材料性能外，還包括施工質(zhì)量，體現(xiàn)于下承層最終強(qiáng)度上，這也是復(fù)合基層整體合格的前提要求。

分別鋪設(shè)好18 cm厚的4%水穩(wěn)碎石底基層和20 cm厚的5%水穩(wěn)碎石下基層，水泥穩(wěn)定碎石下承層鋪筑施工現(xiàn)場見圖3。

圖3 水泥穩(wěn)定碎石下承層鋪筑施工現(xiàn)場

組織清掃下基層上表面后設(shè)置1層稀漿封層，要求原材料選用優(yōu)質(zhì)改性乳化瀝青。在稀漿封層上表面沿道路縱向靠近中分帶一側(cè)澆筑1條寬為160 mm的水泥混凝土路緣石，該路緣石總高度設(shè)置為340 mm，以保證其高度范圍能夠覆蓋級配碎石層和瀝青面層總厚度。完成路緣石澆筑后，在鋪筑級配碎石層前48 h，對水穩(wěn)碎石下承層及稀漿封層進(jìn)行逐一目測，確保無損壞病害發(fā)生。

3.2 攪拌及轉(zhuǎn)運

設(shè)計好的各級集料最優(yōu)比例可保障級配碎石級配組成的合理性，可確保各集料顆粒間形成足夠的嵌擠作用力，以形成級配碎石層強(qiáng)度。常見的級配碎石攪拌方案包括集中廠拌和現(xiàn)場拌制，一般來說，集中廠拌方案能更好地控制各級集料的拌合均勻性，保證施工平整性，同時也有著更高的施工效率，因此選用集中廠拌方案。本工程建設(shè)涉及到的拌和機(jī)械為WCB500拌和站，投料過程中嚴(yán)格遵循四級集料的設(shè)計比例，拌和站進(jìn)行集料拌合現(xiàn)場見圖4。

圖4 拌和站進(jìn)行集料拌合現(xiàn)場

為防止不同級料倉串料，需在料倉上端設(shè)立至少1 m高的隔離木板。車輛轉(zhuǎn)運過程中應(yīng)在集料上覆蓋篷布以減少水分蒸發(fā)，要求駕駛員盡量勻速行駛，避免急加速和急剎車等違規(guī)操作。裝料過程中應(yīng)均勻卸料，避免產(chǎn)生較大振動，以防出現(xiàn)各級集料的離析。此外，在轉(zhuǎn)運、拌和、裝料等多個環(huán)節(jié)中，按時進(jìn)行抽樣檢測，確保集料含水率滿足施工要求范圍。

3.3 攤鋪

該工程的基層攤鋪采用全幅攤鋪方案，選用的機(jī)械為ABG-423，級配碎石攤鋪施工現(xiàn)場圖見圖5。

圖5 級配碎石攤鋪施工現(xiàn)場圖

在攤鋪過程中，為準(zhǔn)確控制高程及攤鋪厚度，在機(jī)械側(cè)邊設(shè)置了2條水平鋼絲。松鋪系數(shù)為1.24，攤鋪行進(jìn)速度設(shè)置為1.2～1.6 m/min，以保證攤鋪速度和拌和速度整體契合，保證施工效率的同時避免停機(jī)待料引起的橫向“停機(jī)帶”，進(jìn)而引起平整度不佳。

對于可能出現(xiàn)的小范圍離析現(xiàn)象，應(yīng)安排專人進(jìn)行處理，對于粗集料團(tuán)帶，應(yīng)人工加入適量細(xì)集料并攪拌均勻抹平；同樣，對于細(xì)集料團(tuán)帶，則加入適量粗集料并攪拌均勻抹平。

3.4 碾壓

碾壓過程是使松散級配碎石形成嵌擠強(qiáng)度的關(guān)鍵性步驟，要嚴(yán)格控制壓實程度，尤其是級配碎石層的豎向碾壓均勻性，決定了其整體抗剪切能力。相較于常規(guī)段基層壓實控制，試驗段中的復(fù)合基層更須嚴(yán)格保證各點位壓實度均嚴(yán)格滿足大于98%的要求，以確保其中的級配碎石層可形成足夠強(qiáng)度。因此試驗段的復(fù)合基層施工碾壓選取了膠輪、振動壓路機(jī)相結(jié)合的方案，其中以振動壓路機(jī)碾壓為主導(dǎo)，膠輪壓路機(jī)碾壓為輔助，實現(xiàn)粗集料碎石的揉搓加固。為確保壓實度達(dá)標(biāo)，選用的壓路機(jī)械噸位均在25 t以上，具體碾壓工藝流程見圖6。

圖6 碾壓工藝流程

攤鋪和碾壓過程中需要對級配碎石的含水率進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。在攤鋪完成后即刻進(jìn)行碾壓，防止出現(xiàn)級配碎石水分蒸發(fā)，含水率下降。如發(fā)現(xiàn)含水率過低問題，應(yīng)以噴霧灑水機(jī)進(jìn)行補水，補水后的含水率應(yīng)以略高于標(biāo)準(zhǔn)含水率為宜，在攤鋪上面層前應(yīng)嚴(yán)禁無關(guān)車輛行駛。

4 現(xiàn)場質(zhì)量把控與檢測

4.1 現(xiàn)場質(zhì)量把控

半剛性-級配碎石復(fù)合基層施工質(zhì)量取決于成型路基的強(qiáng)度及耐久性，其中質(zhì)量把控過程中需要著重關(guān)注多項目標(biāo)值，包括原材料性能、級配碎石級配設(shè)計結(jié)果、級配碎石施工全程含水率、碾壓壓實度等。

為確保攪拌、轉(zhuǎn)運、攤鋪以及碾壓過程中級配碎石層無顯著級配離析問題，沿路段縱向每500 m抽取一橫截面，每個橫截面上選取第一車道、第二車道以及硬路肩處進(jìn)行取樣，對級配碎石樣本進(jìn)行篩分試驗檢測。經(jīng)檢測，試驗段24處級配碎石樣本均滿足級配設(shè)計目標(biāo)范圍要求。

針對半剛性-級配碎石復(fù)合基層的級配碎石層檢測需要重點關(guān)注4項指標(biāo)，包括壓實度指標(biāo)、回彈模量指標(biāo)、回彈彎沉指標(biāo)及排水系數(shù)指標(biāo)。

4.2 現(xiàn)場檢測

為驗證半剛性-級配碎石復(fù)合基層路用性能表現(xiàn)，須把控好多項檢測關(guān)鍵點，包括壓實度、回彈模量、回彈彎沉及滲水系數(shù)指標(biāo)。

4.2.1壓實度

在碾壓過程中，每隔40 m需通過灌砂法試驗對級配碎石層的壓實度進(jìn)行1次檢測。采樣的91處檢測點壓實度最大達(dá)到107.4%，最小為98.4%，平均壓實度為101.9%，91組壓實度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為1.77%，均滿足壓實度合格閾值98%的要求。

4.2.2回彈模量

考慮到室內(nèi)試驗設(shè)計與現(xiàn)場施工間存在的差異性，在完成級配碎石層鋪筑后，需檢測級配碎石層及其下承層上表面的回彈模量。要注意的是，在完成級配碎石層回彈模量檢測后，下承層檢測點應(yīng)選取其級配碎石層檢測點正下方。通過HMCP程序反向計算，可得最佳含水率狀態(tài)的級配碎石層抗壓回彈模量值，20組級配碎石層抗壓回彈模量值分布箱形圖見圖7。

圖7 級配碎石層抗壓回彈模量箱形圖

經(jīng)計算，其均值為713.7 MPa，通過箱形圖分析可以發(fā)現(xiàn)，其Perc 25%值分析結(jié)果為577.5 MPa，且1.5IQR范圍下限達(dá)到420 MPa，從數(shù)據(jù)離散型分析角度可滿足410 MPa規(guī)范要求。

4.2.3回彈彎沉

針對回彈彎沉的檢測點選取分為第一行車道和第二行車道，沿公路試驗段(半剛性-級配碎石復(fù)合基層)和常規(guī)段(半剛性基層段)縱向，每間隔10 m檢測1處，檢測的層位包括級配碎石層及面層。同樣地，級配碎石層檢測點應(yīng)選取對應(yīng)的面層檢測點正下方。回彈彎沉代表值計算方法如下。

lr=l+K·S

式中：l為回彈彎沉均值；K為瀝青面層保證率系數(shù)，針對級配碎石層的K值選取2.0，針對面層的K值選取1.645，S為回彈彎沉標(biāo)準(zhǔn)差，回彈彎沉相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 回彈彎沉相關(guān)數(shù)據(jù)

分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗段的半剛性-級配碎石復(fù)合基層中級配碎石層的回彈彎沉代表值平均值為16.08(0.01 mm)。橫向?qū)Ρ仍摋l高速公路試驗段(半剛性-級配碎石復(fù)合基層)和常規(guī)段(半剛性基層段)的面層回彈彎沉代表值，半剛性-級配碎石復(fù)合基層段面層的上下行四車道回彈彎沉代表值均值為13.98(0.01 mm)，半剛性基層段面層的上下行四車道回彈彎沉代表值均值為1.43(0.01 mm)。這說明相較于半剛性基層常規(guī)路段，半剛性-級配碎石復(fù)合基層的強(qiáng)度和剛度均有所差距，但上下行各車道仍能滿足規(guī)范要求的24.5(0.01 mm)。

4.2.4滲水系數(shù)

在級配碎石層施工完成后，通過滲水儀抽檢了試驗段的54處162點的滲水系數(shù)，檢測得到的平均滲水系數(shù)為289.7 mL/min。

選取一降雨天氣，觀察路肩外側(cè)水穩(wěn)碎石層與級配碎石層交界處，發(fā)現(xiàn)有滲流流出，這說明級配碎石層有著較好的排水性能，可以保證其水穩(wěn)定性，減少高速公路面層水損壞的可能性。

5 結(jié)語

本文在分析單一半剛性基層、級配碎石基層施工及應(yīng)用各自優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了一種半剛性-級配碎石復(fù)合基層并應(yīng)用于實體工程建設(shè)；驗證出合理的級配碎石配合比；重點闡述了其施工環(huán)節(jié)中的施工工藝，強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)場質(zhì)量把控與檢測流程；對試驗段的半剛性-級配碎石復(fù)合基層路用性能表現(xiàn)進(jìn)行檢測。得出了如下主要結(jié)論：

1) 級配碎石層一級料、二級料、三級料、四級料的摻配比例為21∶9∶24∶46，最佳含水率為4.9%，最大干密度為2.304 g/cm3。

2) 91組壓實度數(shù)據(jù)均值為101.9%，均滿足壓實度合格閾值98%的要求。

3) 從數(shù)據(jù)離散型角度分析級配碎石層回彈模量，可滿足410 MPa規(guī)范要求。

4) 相較于半剛性基層常規(guī)路段，半剛性-級配碎石復(fù)合基層的強(qiáng)度和剛度相對較低，但仍能滿足規(guī)范要求。

5) 半剛性-級配碎石復(fù)合基層的平均滲水系數(shù)為289.7 mL/min，排水性能良好，可滿足排水要求。