半刚性基层双层连续摊铺施工变形

王选仓，张 烁，乔 志,，徐子涛，侯仰慕

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.内蒙古交通建设工程质量监督局，内蒙古 呼和浩特 010020)

半刚性基层双层连续摊铺施工变形

王选仓1，张 烁1，乔 志1,2，徐子涛1，侯仰慕2

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.内蒙古交通建设工程质量监督局，内蒙古 呼和浩特 010020)

为了研究双层连续摊铺时施工荷载使半刚性基层产生的变形，通过进行室内模拟试验和现场实测试验进行对比分析并建立模型，得到连续摊铺下半刚性基层的施工位移的基本变化规律和适合半刚性基层的施工位移预估模型。结果表明：在重复荷载作用下，半刚性基层竖向位移的增长规律与室内模拟和现场实测试验是一致的，都是随着运输车辆作用次数的增加而增加，并且增加的速度越来越慢，最终逐渐趋向于一固定值。

道路工程；半刚性基层；双层连续摊铺；塑性变形

0 引 言

近年来，半刚性双层连续摊铺施工技术逐步在中国道路施工中崭露头角。相对传统施工技术，双层连续摊铺技术具有施工周期短、施工造价低、层间结合效果好、机械利用率高等优势[1-3]。

科研工作者对半刚性基层双层连续摊铺施工技术进行了研究：如平国超研究了邯郸大名高速试验段水稳基层双层连续摊铺施工，结果表明，这种摊铺方法具有良好的整体力学性能以及优良的抗温缩、抗干缩裂缝特性[4]；任福松等基于沪宁高速上海段试验路的摊铺，计算得出双层连续摊铺技术在经济效益上远超传统施工[5]；王选仓等依托内蒙古省道203线满阿段，对半刚性双层连续摊铺施工组织及层间结合状态进行了系统研究[6-7]。

通过以上研究发现，目前国内外对双层连续摊铺模式下半刚性基层施工的研究相对不足，尤其是半刚性基层双层连续摊铺的施工工艺及施工变形等方面均没有明确的规范，使得现场施工没有可遵照的施工标准。本文主要基于松散粒料塑性变形理论、室内模拟试验和现场实测试验结果，对比分析双层摊铺下未经养生的基层材料的变形特征；并通过对塑性变形模型的研究，提出合理的施工位移预估模型，确定双层连续摊铺模式下半刚性基层施工的变形预估方程，从而对现场施工进行指导。

1 松散粒料变形理论

未经养生的半刚性基层，其结构特点与松散粒料相似，在车辆荷载作用下表现为弹塑性行为。

由于松散粒料没有黏结料的束缚，当下承层发生不均匀沉降时，在荷载的作用下，破碎粒料会补充因沉降而产生的空隙，故二次松散由此产生。根据散体动力学的相关理论，压实度越高的散粒体松散系数越大，二次松散后的松散体积也就越大，能够填充更多的沉降变形[8-9]。

目前的研究表明，影响松散粒料塑性变形的因素主要有作用应力、荷载作用次数、主应力轴旋转速度、粒料级配及含水量等[10]。对于本文研究的现场施工变形 ，主要影响因素有施工车辆荷载、碾压下基层的次数、基层粒料级配及含水量等，其中施工车辆荷载和车辆作用次数为研究的关键因素。

2 重复荷载下塑性变形的室内试验

2.1 作用次数的确定

级配碎石粒料层的永久变形随着荷载作用次数的增加逐渐累积，因此荷载作用次数是研究粒料层长期变形行为的重要因素。很多学者对粒料材料永久变形与荷载作用次数的关系做了系统的研究[11]，如Barksdale对粒料进行了深入的研究，结果表明粒料材料的轴向永久变形与荷载作用次数在对数坐标下成线性关系[12]。

为了使室内试验能更好地模拟现场施工车辆对级配碎石粒料的作用状态，选择与现场相匹配的作用次数至关重要。在进行现场上基层施工时，作用在下基层的运输车辆荷载，在空间限制下必然会作用在未成型的下基层上。依据现场施工方式、车辆运输方案和一般经验认为，一定的施工距离范围内，运输车辆对下基层的作用一般在10次左右。本文室内试验重复加载作用次数选定为20次。

2.2 材料参数及试验过程

2.2.1 材料参数

根据实际施工中基层材料种类及级配情况，室内试验采用与现场施工相同的半刚性基层材料及级配组成进行塑性变形试验。试验相关材料性能指标如表1所示，半刚性基层配合比如表2所示。

表1 集料基本性能指标

表2 水稳基层配合比

2.2.2 试验过程

级配碎石层松散粒料永久变形试验在美国生产的MTS810(Material Test System)材料试验机上进行，如图1所示[13]。对于弹塑性松散粒料来说，其应力应变曲线不是线形变化的，荷载越大，混合料的塑性性能越突出。因此，对于重复加载试验来说，选择何种加载应力水平应根据路面结构在车辆荷载作用下的应力状态确定。根据经验及实际工况条件，本次试验选择加载正力。

图1 材料试验系统

在控制软件中输入试验参数，主要包括应力水平、试验频率、试验波形(半正弦波)、加载频率、数据采集内容及采集密度等。重复加载试验参数水平如表3所示。

加载程式采用应力模式，各传感器通过数据采集卡与计算机直接连接，数据采集结果直接存入计算机指定的数据文件夹中。通过对粒料进行重复荷载试验，在不同荷载作用次数的正矢波荷载作用下，得到粒料的回弹变形以及塑性变形，对数据进行科学的处理，建立塑性变形与荷载作用次数之间的关系。

2.3 室内试验结果及分析

在固定应力水平下进行塑性变形试验，所得室内试验结果如表4所示，塑性变形曲线如图2所示。

表4 松散粒料变形量试验结果

分析图2可知：塑性变形量随着作用次数的增加而增大，变形量的增长速度逐渐变缓，并趋于固定值；大部分的塑性变形量是在重复作用8次内完成的，达到作用20次变形量的86%，而且10次之后变形量的增长速度明显变缓，最大变形量在5.0 mm左右。这是由于：未经养生的水泥稳定结构层胶结能力较差，剪切破坏伴随着颗粒破碎而产生，破碎的粒料在外力作用下产生相对位置的移动，进行粒料重新排列，从而发生粒料体积的变化。随着荷载不断增加，粒料位移不断增大，达到一定程度时，松散粒料的二次松散性在缓冲下承层不均匀沉降方面效果明显，使位移增长缓慢。

图2 松散粒料的塑性变形

3 双层连续摊铺施工变形现场实测与分析

由于水泥稳定基层没有经过一定龄期的养生，强度不能达到传统摊铺对于下承层的要求，在进行上基层施工时(作用在下基层的主要荷载是运料车荷载)，运料车辆难免对下基层产生影响。主要表现在竖向位移增加，进而影响上基层平整度。故需要研究现场施工车辆对下基层位移的影响规律。

3.1 试验段概况

为了研究现场运料车对未经养生的下基层作用后产生的塑性变形规律，课题组于2015年6、7月在内蒙古省道203满阿段完成了试验段的铺筑工作，并对各结构层平整度及压实度进行检测。试验段位于第8标段K130+000～K130+100，摊铺方案为16 cm+16 cm底基层双层连续摊铺，试验段施工现场如图3所示。

图3 试验段施工摊铺现场

3.2 运料车扰动位移现场实测分析

上基层摊铺过程中，每次在运输车辆压过后，采用3 m直尺进行横向连续检测，以确定运输车辆对下基层的平整度扰动情况。现场实测扰动变形量随车辆作用次数的变化关系如图4、表5所示。

图4 扰动变形量随车辆作用次数的变化关系

测量时间累计总变形量/mm分次变形量/mm累计扰动变形量/mm扰动前2.8扰动后车辆作用次数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

由图4可知，现场施工中扰动位移量的增长规律与室内试验一致，随着运输车辆作用次数的增加而增加，并且增加的速度越来越慢，最终逐渐趋向于固定值。

3.3 施工变形现场实测与室内模拟对比分析

将室内试验变形量与现场实测扰动变形量进行对比分析，结果如图5所示。

由图5可知：在施工车辆的重复作用下，半刚性下基层竖向位移的增长规律与室内模拟得到的规律相同，也是随着车辆作用次数的增加而增加，并且增加的速度越来越慢，最终逐渐趋向于固定值；但是，现场位移量增长速度与增长幅度明显快于室内试验模拟，这是由于施工现场影响因素复杂，施工及检测时变异性大，所测量试验数据具有一定的波动性。

图5 室内试验段变形量与现场变形量对比

4 双层摊铺模式下基层塑性变形预估模型的建立

研究双层摊铺模式下松散粒料施工位移的主要目的是建立可以预估施工变形累积的本构关系模型，以便可以更好地控制施工质量。

4.1 塑性变形模型的选择

目前，研究松散粒料塑性变形的预估模型比较多，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础上，通过对上述级配碎石粒料MTS重复加载永久变形曲线分析，认为Wolff和Visser永久变形预估模型与试验实测的结果比较吻合。本文拟采用该模型，对室内重复加载试验及现场实测的塑性变形数据建立相应的目标函数，得到双层摊铺模式下下基层施工位移预估模型参数。模型基本方程为

ε=(cN+a)(1-ebN)

式中：ε为材料累计变形量；N为重复荷载加载次数；a、b、c分别为材料参数。

4.2 塑性变形预估方程回归

采用origin数据分析软件对室内模拟试验及现场实测数据参数进行非线性回归拟合，拟合结果如图6、7所示。确定模型参数a、b、c的值，见表6。

图6 室内试验数据拟合

图7 现场实测数据拟合

从拟合结果可以看出，模型对室内模拟试验及现场实测数据的拟合程度非常好，说明该预估模型可运用于实践，为双层连续摊铺时的基层质量保证提供指导。

5 结 语

(1)本文通过对室内试验与现场试验的对比分析，得到了双层连续摊铺模式下半刚性基层下基层竖向位移的变化规律为：在重复荷载作用下，半刚性基层竖向位移随着运输车辆作用次数的增加而增加，并且增加的速度越来越慢，最终逐渐趋向于固定值；大部分的塑性变形量是在重复作用8次内完成的，达到了作用20次后变形量的86%，且10次之后变形量的增长速度明显变缓，最大变形量在5.0 mm左右。

(2)建立了双层连续摊铺模式下半刚性基层下基层竖向位移的预估模型，并通过数据分析得到了室内模型、现场模型的相关材料参数。

(3)结合室内试验和现场实测数据，建立了符合双层摊铺模式下基层施工变形规律的预估模型。该模型能够在基层施工前对施工方案进行科学指导，为制定施工过程质量控制措施提供理论依据。

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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

内蒙古自治区交通科技项目 (NJ-2014-017)

王选仓(1956-)，男，陕西西安人，教授，博士，研究方向为路面结构与材料、公路路基工程和道路经济与工程管理等。

[责任编辑:杜敏浩]