水泥混凝土公路路基基層結構厚度試驗分析

萬真

摘要：低等級公路改、擴建升級是我國公路交通發展的重要內容之一。水泥混凝土路面憑借良好的抗滑性、耐用性以及低廉的養護費用歷來是高等級公路的主要路面形式之一，而路基結構則直接影響道路壽命。文章以廣西憑祥至平而關二級公路建設工程為實例，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;通過試驗確定級配碎石底基層和水泥穩定碎石基層的最優厚度，均為20cm。

關鍵詞：公路路基;水泥混凝土路面;級配碎石;試驗分析

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.014

文章編號：1673-4874（2019）07-0043-03

0引言

根據交通部最新數據：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，兩項數據均為世界第一。但需要認識到：很多地段公路設計和建設標準低，行車狀況差，嚴重影響了運輸效率。因此我國各級政府每年投入巨資對舊公路進行升級改造，而壽命和行車質量成為評價公路改造項目的重要標準，這對路基結構設計有了更高的要求。

1工程概況

位于廣西崇左市憑祥市境內的憑祥至平而關原有舊路存在彎急坡陡、平縱技術狀況差等情況及路面網裂、龜裂、局部沉陷等病害，為三級公路標準，部分路段經過當地村鎮，嚴重影響行車安全。新路主線及叫隘支線路基設計寬度8.5m，路面寬度7.5m，行車道寬2×3.5m，設計速度40km/h。為兼顧經濟性和實用性，該設計采用水泥混凝土路面結構。本文主要針對路面的基層結構進行試驗分析。

2碎石的最佳級配值確定

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

（1）級配總體設計分析

根據研究經驗必須同時滿足兩個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，形成骨架結構，碎石間有良好內摩擦阻力;（2）細料能夠充分填充孔隙，密實度較大。本文按照這兩個條件去設計級配。

結合國內外相關規范（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

本項目委托某科研機構利用上置式振動試驗儀來確定最佳填充料級配，其振動擊實參數如表1所示。之后根據經驗，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

根據經驗，二級填充料由19mm和16mm組成，應用同樣的試驗方法確定本項目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構最優厚度分析

根據眾多學者研究結果表明：在級配一致的前提下，基層厚度對水泥混凝土路基結構性能影響很大，在此分別就級配碎石底基層和水泥穩定碎石基層的最優厚度進行試驗分析。

3.1最優級配碎石底基層厚度的確定

本文共設計6個級配碎石底基層厚度方案，通過測定和對比底基層拉應變數值來確定最優底基層厚度。在此借助PADS軟件進行計算機模擬分析，各方案的具體結構參數如表2所示。

試驗結果曲線如圖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，其底部拉應變在逐步降低;（3）方案1和方案2的底基層底部拉應變整體趨勢基本一致，方案3～6的底基層底部拉應變整體趨勢基本一致;（4）方案2和方案3區別較為明顯，且隨著垂直載荷逐步增加，兩者的拉應變差距逐步擴大。

綜合分析：級配碎石底基層厚度對路基力學結構構成影響，且當底基層為20cm時，既可以明顯降低基層底部的拉應變程度，也能兼顧路面整體造價，因此可作為本項目的最優厚度。

3.2最優水泥穩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，設計不同的水泥穩定碎石基層厚度方案，通過同樣的方法測定路基頂面壓應變來確定最優基層厚度。各方案的具體結構參數如表3所示。

試驗結果曲線如圖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，路基頂面壓應變在逐步降低;（3）方案1和方案2的路基頂面壓應變整體趨勢基本一致，方案3～5的路基頂面壓應變整體趨勢基本一致;（4）方案2和方案3區別較為明顯，且隨著垂直載荷逐步增加，兩者的拉應變差距逐步擴大。

綜合分析可知：水泥穩定碎石基層厚度對路基力學結構構成影響，且當基層厚度為20cm時，既可以明顯降低路基頂面壓應變程度，而且也能兼顧路面整體造價，因此可作為本項目的最優厚度。

3.3水泥混凝土路面基層結構整體最優厚度驗算

通過以上分析可知基層結構厚度這一參數對路基力學結構性能、承載能力等有著較大影響。為保證上述試驗確定數值的合理性，在此利用相關公式進行驗算。根據其他學者研究成果得出基層厚度h（包括級配碎石底基層+水泥穩定碎石基層）與路基承載能力Wu關系的經驗公式見式（1），據此得出Wu與h之間的變化率關系表（見表4）。

根據表4數據可知：（1）當h逐步增加時，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h范圍在35～40cm時，wu的變化率趨近于穩定，因此也是較為合理的厚度值。因此最終確定本項目的基層最優總厚度值為40cm。

4結語

路基結構厚度設計對道路壽命、行車環境有著直接影響。本項目通過詳細設計分析填充料級配和基層厚度，得出了合理的相關參數。案例工程路段改建工程投入使用6年后，沒有發生明顯病害，由此說明了路基結構設計合理，可以為今后類似工程提供參考。