双层水泥稳定碎石层间作用分析

李丽慧

(许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000)

水泥稳定碎石取材方便、施工工艺简单、前期强度高、板体性强、整体强度高，在我国公路基层中应用最为广泛[1,2]，在高等级路面结构中，水泥稳定碎石基层的设计厚度往往在30 cm以上，超过了一层铺筑厚度，需要分层铺筑[3].目前，水泥稳定碎石双层铺筑有传统的分层铺筑方式和双层连续铺筑两种方式[4].传统的分层铺筑是两层分别铺筑，第一层铺筑压实后需要洒水覆盖养生7天后，再进行第二层的铺筑.由于养生而延长施工时间，而且层间黏合作用差，影响结构的整体性，进而影响基层的整体性和强度；另外一种分层铺筑方式是双层连续铺筑施工，第一层压实结束后，立即进行第二次的铺筑，有利于两层水泥稳定碎石基层的层间接触连续，增加层间作用，提高基层的整体性并缩短工期[5].通过力学性能分析和试验分析，研究两种水泥稳定碎石铺筑方式的层间作用，为双层连铺技术的应用提供支持.

1 力学分析

半刚性基层沥青路面是目前高等级路面应用最为广泛的一种路面结构型式，水泥稳定碎石基层是半刚性基层的典型代表.以沥青路面结构为例，分析两种施工方式的力学性能.首先，设计某公路沥青路面结构，分析水泥稳定碎石基层的受力特点.然后，通过计算分析双层水泥稳定碎石基层连续铺筑与分层铺筑力学性能的差别.

1.1 路面结构设计分析

某一级公路，路面结构为沥青路面，设计年限内一个车道上的累计当量轴次为5 660 000次，属中等交通等级.通过路面结构设计软件HPDS，计算出满足弯沉和层底拉应力的路面结构，设计计算结果见表1.

表1 沥青路面I厚度计算

层底拉应力是沥青路面结构设计的主要控制指标[6].由表1可以看出，水泥稳定碎石基层底部的受力为受拉状态，该结构层设计厚度为40 cm，在设计中该结构层是连续的.但施工时，如果一次完成铺筑，会导致结构层底部难以压实.为保证铺筑和压实的质量，施工中40 cm厚的水泥稳定碎石至少需要分两层施工.把水泥稳定碎石作为两个结构层，通过路面结构设计软件HPDS，重新分析各结构层的层底拉应力，设计计算结果见表2.

由表2可以看出，分层设计的水泥稳定碎石结构层层底拉应力与整体设计的结构层层底拉应力计算结果一致，说明该设计程序并不能反映出二者的差别.其原因在于:路面结构设计软件假设结构层层间接触为连续的[7]，但是其设计假设条件与实际施工状况不符，故分层施工达不到设计的抗拉强度.

表2 沥青路面厚度II 计算

1.2 力学性能分析

1.2.1 层间连续水泥稳定碎石基层力学分析

该水泥稳定碎石基层总厚度为40 cm，若分为两层，每层厚度为20 cm，连续铺筑，层间连续.则在该施工方式下，矩形断面惯性矩Ix1和截面系数Wx1分别为

1.2.2 层间分层水泥稳定碎石基层力学分析

水泥稳定碎石基层总厚度为40 cm，分为两层，每层厚度为20 cm，待第一层压实完成养护7天后铺筑第二层，层间不连续.则在该施工方式下，矩形断面惯性矩Ix2和截面系数Wx2分别为

从以上结果可以计算得到，相同厚度的水泥稳定碎石基层，其截面惯性矩Ix1/Ix2=4，其截面系数Wx连/Wx分=2.这表明，连续铺筑水泥稳定碎石双层在力学性上显著高于层间分层铺筑.而路面结构设计的设计假设条件是按照层间连续计算，与连续施工方法一致，与分层施工方法不符.分层施工方法达不到设计的抗拉强度.虽然双层连续铺筑施工时，层间也可能为不完全连续状态，但要优于完全分离状态.

2 分层铺筑间隔时间对层间作用的影响

分层铺筑间隔时间不同，直接影响水泥稳定碎石层间的作用.铺筑层间界面状况，将影响路面寿命[9].通过试验，分析分层铺筑间隔时间对层间作用的影响.

2.1 原材料试验

2.1.1 水泥

水泥采用P.O 32.5水泥，初凝时间为172 min，终凝时间为256 min.水泥用量为4.0%.

2.1.2 集料

集料采用石灰岩，参照骨架密实型级配，由三种粒径的碎石和石屑配制而成，级配见表3.

表3 集料级配

2.2 试件制作

采用击实成型法，按照最佳含水量，以不同的时间间隔，制作A、B、C三类直径为15 cm的水泥稳定碎石圆柱形试件.A类试件模拟设计状态，连续击实成型；B类试件，上下两层时间间隔为1.5 h(结合施工过程需要)，模拟双层连续铺筑；C类试件模拟传统的分层铺筑，第一层成型后，养生7d后，表面涂一层水泥浆，再击实成型第二层.

2.3 强度试验

分别对三组试件进行7d无侧限抗压强度试验和层间剪切试验，试验结果见图1和图2.

图1 水泥稳定碎石试件7d无侧限抗压强度对比

图2 水泥稳定碎石试件抗剪强度对比

从以上试验结果可看出，双层连续成型和分层成型连续成型相比，试件的7 d无侧限抗压强度和层间剪切强度均有所降低，表明当水泥稳定碎石的设计厚度超过单层铺筑厚度时，实际强度与设计计算强度相比，均有不同程度的降低.水泥稳定碎石双层连续成型和分层成型的7 d无侧限抗压强度与全厚度连续成型相比，分别降低4.5%和21.1%.层间抗剪强度损失分别为10.6%和61.6%，表明双层连续成型与分层成型相比，分层成型的方法强度损失较大，尤其是层间抗剪强度；双层连续成型的层间抗剪强度与分层成型连续成型相比，可以提高2.3倍.

3 结语

为了达到一定的压实标准，超过一层铺筑厚度的水泥稳定碎石基层施工方式有传统分层铺筑方式和双层连续铺筑两种方式。通过对分层铺筑与连续铺筑的力学性能和试验分析，可以得到以下结论：

(1)现行的路面结构设计计算方法有待于进一步改进，以贴近路面施工实际的状态.

(2)试验结果表明，双层连续成型与分层成型均不能完全达到层间连续状态，前者的层间连续状态高于后者.

(3)水泥稳定碎石分层施工方法达不到设计的抗拉强度，且差距较大.双层连续铺筑施工时，层间也可能不完全连续，但明显高于完全分离状态.

(4)双层水泥稳定碎石连续铺筑的方式与分层铺筑的方式相比，强度更高，尤其是层间抗剪强度.

(5)双层连铺水泥稳定碎石基施工过程中，应控制施工时间，使层间尽量接近连续，以达到设计强度.