半剛性基層雙層連續攤鋪施工變形

王選倉，張 爍，喬 志,，徐子濤，侯仰慕

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2.內蒙古交通建設工程質量監督局，內蒙古 呼和浩特 010020)

半剛性基層雙層連續攤鋪施工變形

王選倉1，張 爍1，喬 志1,2，徐子濤1，侯仰慕2

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2.內蒙古交通建設工程質量監督局，內蒙古 呼和浩特 010020)

為了研究雙層連續攤鋪時施工荷載使半剛性基層產生的變形，通過進行室內模擬試驗和現場實測試驗進行對比分析并建立模型，得到連續攤鋪下半剛性基層的施工位移的基本變化規律和適合半剛性基層的施工位移預估模型。結果表明：在重復荷載作用下，半剛性基層豎向位移的增長規律與室內模擬和現場實測試驗是一致的，都是隨著運輸車輛作用次數的增加而增加，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；雙層連續攤鋪；塑性變形

0 引 言

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

科研工作者對半剛性基層雙層連續攤鋪施工技術進行了研究：如平國超研究了邯鄲大名高速試驗段水穩基層雙層連續攤鋪施工，結果表明，這種攤鋪方法具有良好的整體力學性能以及優良的抗溫縮、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，計算得出雙層連續攤鋪技術在經濟效益上遠超傳統施工[5]；王選倉等依托內蒙古省道203線滿阿段，對半剛性雙層連續攤鋪施工組織及層間結合狀態進行了系統研究[6-7]。

通過以上研究發現，目前國內外對雙層連續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攤鋪的施工工藝及施工變形等方面均沒有明確的規范，使得現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、室內模擬試驗和現場實測試驗結果，對比分析雙層攤鋪下未經養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估模型，確定雙層連續攤鋪模式下半剛性基層施工的變形預估方程，從而對現場施工進行指導。

1 松散粒料變形理論

未經養生的半剛性基層，其結構特點與松散粒料相似，在車輛荷載作用下表現為彈塑性行為。

由于松散粒料沒有黏結料的束縛，當下承層發生不均勻沉降時，在荷載的作用下，破碎粒料會補充因沉降而產生的空隙，故二次松散由此產生。根據散體動力學的相關理論，壓實度越高的散粒體松散系數越大，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力、荷載作用次數、主應力軸旋轉速度、粒料級配及含水量等[10]。對于本文研究的現場施工變形 ，主要影響因素有施工車輛荷載、碾壓下基層的次數、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為研究的關鍵因素。

2 重復荷載下塑性變形的室內試驗

2.1 作用次數的確定

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

為了使室內試驗能更好地模擬現場施工車輛對級配碎石粒料的作用狀態，選擇與現場相匹配的作用次數至關重要。在進行現場上基層施工時，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。依據現場施工方式、車輛運輸方案和一般經驗認為，一定的施工距離范圍內，運輸車輛對下基層的作用一般在10次左右。本文室內試驗重復加載作用次數選定為20次。

2.2 材料參數及試驗過程

2.2.1 材料參數

根據實際施工中基層材料種類及級配情況，室內試驗采用與現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，其應力應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，對于重復加載試驗來說，選擇何種加載應力水平應根據路面結構在車輛荷載作用下的應力狀態確定。根據經驗及實際工況條件，本次試驗選擇加載正力。

圖1 材料試驗系統

在控制軟件中輸入試驗參數，主要包括應力水平、試驗頻率、試驗波形(半正弦波)、加載頻率、數據采集內容及采集密度等。重復加載試驗參數水平如表3所示。

加載程式采用應力模式，各傳感器通過數據采集卡與計算機直接連接，數據采集結果直接存入計算機指定的數據文件夾中。通過對粒料進行重復荷載試驗，在不同荷載作用次數的正矢波荷載作用下，得到粒料的回彈變形以及塑性變形，對數據進行科學的處理，建立塑性變形與荷載作用次數之間的關系。

2.3 室內試驗結果及分析

在固定應力水平下進行塑性變形試驗，所得室內試驗結果如表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果

分析圖2可知：塑性變形量隨著作用次數的增加而增大，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作用8次內完成的，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：未經養生的水泥穩定結構層膠結能力較差，剪切破壞伴隨著顆粒破碎而產生，破碎的粒料在外力作用下產生相對位置的移動，進行粒料重新排列，從而發生粒料體積的變化。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 雙層連續攤鋪施工變形現場實測與分析

由于水泥穩定基層沒有經過一定齡期的養生，強度不能達到傳統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生影響。主要表現在豎向位移增加，進而影響上基層平整度。故需要研究現場施工車輛對下基層位移的影響規律。

3.1 試驗段概況

為了研究現場運料車對未經養生的下基層作用后產生的塑性變形規律，課題組于2015年6、7月在內蒙古省道203滿阿段完成了試驗段的鋪筑工作，并對各結構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底基層雙層連續攤鋪，試驗段施工現場如圖3所示。

圖3 試驗段施工攤鋪現場

3.2 運料車擾動位移現場實測分析

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

圖4 擾動變形量隨車輛作用次數的變化關系

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，現場施工中擾動位移量的增長規律與室內試驗一致，隨著運輸車輛作用次數的增加而增加，并且增加的速度越來越慢，最終逐漸趨向于固定值。

3.3 施工變形現場實測與室內模擬對比分析

將室內試驗變形量與現場實測擾動變形量進行對比分析，結果如圖5所示。

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

圖5 室內試驗段變形量與現場變形量對比

4 雙層攤鋪模式下基層塑性變形預估模型的建立

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估施工變形累積的本構關系模型，以便可以更好地控制施工質量。

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上，通過對上述級配碎石粒料MTS重復加載永久變形曲線分析，認為Wolff和Visser永久變形預估模型與試驗實測的結果比較吻合。本文擬采用該模型，對室內重復加載試驗及現場實測的塑性變形數據建立相應的目標函數，得到雙層攤鋪模式下下基層施工位移預估模型參數。模型基本方程為

ε=(cN+a)(1-ebN)

式中：ε為材料累計變形量；N為重復荷載加載次數；a、b、c分別為材料參數。

4.2 塑性變形預估方程回歸

采用origin數據分析軟件對室內模擬試驗及現場實測數據參數進行非線性回歸擬合，擬合結果如圖6、7所示。確定模型參數a、b、c的值，見表6。

圖6 室內試驗數據擬合

圖7 現場實測數據擬合

從擬合結果可以看出，模型對室內模擬試驗及現場實測數據的擬合程度非常好，說明該預估模型可運用于實踐，為雙層連續攤鋪時的基層質量保證提供指導。

5 結 語

(1)本文通過對室內試驗與現場試驗的對比分析，得到了雙層連續攤鋪模式下半剛性基層下基層豎向位移的變化規律為：在重復荷載作用下，半剛性基層豎向位移隨著運輸車輛作用次數的增加而增加，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作用8次內完成的，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)建立了雙層連續攤鋪模式下半剛性基層下基層豎向位移的預估模型，并通過數據分析得到了室內模型、現場模型的相關材料參數。

(3)結合室內試驗和現場實測數據，建立了符合雙層攤鋪模式下基層施工變形規律的預估模型。該模型能夠在基層施工前對施工方案進行科學指導，為制定施工過程質量控制措施提供理論依據。

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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

內蒙古自治區交通科技項目 (NJ-2014-017)

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

[責任編輯:杜敏浩]