雙層水泥穩定碎石層間作用分析

李麗慧

(許昌學院 土木工程學院，河南 許昌 461000)

水泥穩定碎石取材方便、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用最為廣泛[1,2]，在高等級路面結構中，水泥穩定碎石基層的設計厚度往往在30 cm以上，超過了一層鋪筑厚度，需要分層鋪筑[3].目前，水泥穩定碎石雙層鋪筑有傳統的分層鋪筑方式和雙層連續鋪筑兩種方式[4].傳統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生7天后，再進行第二層的鋪筑.由于養生而延長施工時間，而且層間黏合作用差，影響結構的整體性，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鋪筑施工，第一層壓實結束后，立即進行第二次的鋪筑，有利于兩層水泥穩定碎石基層的層間接觸連續，增加層間作用，提高基層的整體性并縮短工期[5].通過力學性能分析和試驗分析，研究兩種水泥穩定碎石鋪筑方式的層間作用，為雙層連鋪技術的應用提供支持.

1 力學分析

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

1.1 路面結構設計分析

某一級公路，路面結構為瀝青路面，設計年限內一個車道上的累計當量軸次為5 660 000次，屬中等交通等級.通過路面結構設計軟件HPDS，計算出滿足彎沉和層底拉應力的路面結構，設計計算結果見表1.

表1 瀝青路面I厚度計算

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

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

表2 瀝青路面厚度II 計算

1.2 力學性能分析

1.2.1 層間連續水泥穩定碎石基層力學分析

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

1.2.2 層間分層水泥穩定碎石基層力學分析

水泥穩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護7天后鋪筑第二層，層間不連續.則在該施工方式下，矩形斷面慣性矩Ix2和截面系數Wx2分別為

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

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

集料采用石灰巖，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的水泥穩定碎石圓柱形試件.A類試件模擬設計狀態，連續擊實成型；B類試件，上下兩層時間間隔為1.5 h(結合施工過程需要)，模擬雙層連續鋪筑；C類試件模擬傳統的分層鋪筑，第一層成型后，養生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無側限抗壓強度試驗和層間剪切試驗，試驗結果見圖1和圖2.

圖1 水泥穩定碎石試件7d無側限抗壓強度對比

圖2 水泥穩定碎石試件抗剪強度對比

從以上試驗結果可看出，雙層連續成型和分層成型連續成型相比，試件的7 d無側限抗壓強度和層間剪切強度均有所降低，表明當水泥穩定碎石的設計厚度超過單層鋪筑厚度時，實際強度與設計計算強度相比，均有不同程度的降低.水泥穩定碎石雙層連續成型和分層成型的7 d無側限抗壓強度與全厚度連續成型相比，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；雙層連續成型的層間抗剪強度與分層成型連續成型相比，可以提高2.3倍.

3 結語

為了達到一定的壓實標準，超過一層鋪筑厚度的水泥穩定碎石基層施工方式有傳統分層鋪筑方式和雙層連續鋪筑兩種方式。通過對分層鋪筑與連續鋪筑的力學性能和試驗分析，可以得到以下結論：

(1)現行的路面結構設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.

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

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

(4)雙層水泥穩定碎石連續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)雙層連鋪水泥穩定碎石基施工過程中，應控制施工時間，使層間盡量接近連續，以達到設計強度.