大厚度半刚性基层沥青路面结构合理的底基层厚度及技术指标研究

(湖南省高速公路集团有限公司， 湖南 长沙 410001)

0 引言

目前，我国高速公路建设过程中，存在一个很普遍的现象，就是缺乏施工便道，导致在进行路面基层和面层施工时，原材料运输车、混合料运料车均在主线上行驶，这些材料运输车一般超载非常严重，轴载也很重[1]。我省高速公路所用常规的半刚性基层沥青路面结构的半刚性底基层往往都是单层18～20 cm，地方公路甚至只有15 cm，常常在运料重载车的作用下，施工中就已发生了结构性损坏。特别是在3～5月雨季期间，底基层的损害更为严重，现场施工发现的比较严重的损坏部位，建设单位一般情况下都会立即进行处治，但没发现的、已产生结构损伤且暂时没表现出来的，就得不到处治(即使是经过处治的，也大大地增加了工程造价，延长了项目工期)，会给路面结构留下永久性的质量隐患，从而大大降低了路面的使用寿命，或产生早期的反射裂缝[2]。因此，对于大厚度半刚性基层沥青路面结构，采用大厚度的底基层，能在一定程度上解决这个问题，设置合理的、足够厚度的大厚度半刚性底基层就显得尤为重要。

1 大厚度半刚性底基层的合理厚度研究

1.1 计算分析模型

为研究合理的半刚性底基层厚度，建立以下3层体系分析结构模型：土基+垫层+底基层[3]。其中水稳底基层厚度为20～35 cm，未筛分碎石垫层为15 cm或20 cm。计算结构见表1。

表1 计算结构模型及计算参数序号结构层厚度/cm模量/MPa泊松比1水泥稳定碎石基层20～351 4000.252级配碎石垫层15或20 2000.303土基40或67.10.35

计算荷载模型采用规范规定的双圆均布荷载模型(见图1)，轴载采用BZZ-100标准轴载与超重轴载2种。超重轴载按下列情况进行考虑:目前，我国路面施工中，运料车绝大部分采用后8轮车，装料后总重约为60 t(可达65 t，自重18 t)，两后轴总重约50 t，一个后轴约25 t。轮胎气压一般为1.3 MPa左右。经计算后轮当量圆半径为12.37cm。

图1 理论分析力学计算图式

1.2 计算参数取值

1.2.1土基模量取值

根据我国现行《公路沥青路面设计规范》[4]，目前我省高速公路路面设计中土基模量一般均采用40 MPa进行结构计算(设计要求按最不利季节考虑)。而实际施工时，路面施工正常情况下在非不利季节，土基模量一般会大于40 MPa，试验证明，当路基较干时，可达到80～100 MPa。为了分析的准确性和实用性，在计算时土基模量的取值同时考虑以下情况:

目前我省重交通高速公路建设中，路床强度的验收标准一般采用弯沉指标，其技术指标要求一般为180(0.01 mm)。根据《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034—2000)[5]附录A公式A.0.2，反算土基模量为67.1 MPa。因此在本次分析中，土基模量取值同时考虑40 MPa与67.1 MPa 2种情况。

1.2.2水泥稳定碎石底基层的模量与强度取值

水泥稳定碎石底基层的模量与劈裂强度采用现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)推荐的中值，即回弹模量取用于弯沉计算的中值与用于拉应力计算中值的平均值2 550 MPa(相当于实际的平均值)，劈裂强度按规范推荐范围取中值0.5 MPa。施工过程中，运料车在底基层上行驶时，一般底基层的龄期在半个月左右，此时的回弹模量值与劈裂强度要低于设计规范规定的90 d标准龄期值。大量相关研究资料表明，半个月左右的回弹模量值约为90 d标准龄期值的55%左右，即2 550 MPa×55%≈1 400 MPa；劈裂强度约为90 d标准龄期值的70%左右，即0.5 MPa×70%=0.35 MPa。另外，劈裂强度规范取值是打了8折的，而且实际的受力模式是弯拉受力模式，水稳碎石的弯拉强度是劈裂强度的1.6～2倍，平均1.8倍。因此，可以考虑采用极限弯拉强度进行分析，其取值为0.35 MPa×1.8/0.8≈0.79 MPa。

1.3 应力计算分析

由于我国现行《公路沥青路面设计规范》中的路面结构设计方法只适用于标准双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系，而本项目要研究的是超重荷载，而非标准轴载，因此，不能使用与现行规范的设计方法相配套的HPDS计算分析软件进行计算分析，课题组采用BISAR3.0软件进行应力分析计算。同时，为比较2个软件计算结果的差异，课题组用2个软件对标准轴载BZZ-100作用下的拟定路面结构进行了对比分析。

经计算，在上文所述运料车的超重轴载与BZZ-100标准轴载作用下，水泥稳定碎石底基层层底所受最大拉应力如表2所示。

由表2可以得到以下结论：

1) 在BZZ-100标准轴载作用下，用HPDS与BISAR3.0 2个软件计算出来的水泥稳定碎石底基层层底最大拉应力基本一致，最大只相差0.01 MPa,不到5%。说明用BISAR3.0计算的本项目水泥稳定碎石底基层层底最大拉应力与我国现行规范是一致的。另外，除水泥稳定碎石底基层厚度为20 cm时，用BISAR3.0计算结果略小于用HPDS计算结果外，其余的BISAR3.0计算结果均略大于HPDS的计算结果。

2)水泥稳定碎石底基层厚度在25 cm以下，在超重运料车作用下，水泥稳定碎石底基层层底最大拉应力一般大于材料的极限弯拉强度0.79 MPa,施工过程中容易被超重运料车压坏。

3)在气候较好的施工季节(即土基模量E0=67.1 MPa)，当水泥稳定碎石底基层厚度在28 cm及其以上时，在超重运料车作用下，水稳底基层层底最大拉应力一般小于材料的极限弯拉强度0.79MPa,施工过程中一般不会被运料车压坏。

表2 水泥稳定碎石底基层层底最大拉应力一览表碎石垫层厚度/cm土基模量/MPa水稳碎石底基层厚度/cmBZZ-100HPDS计算结果/MPaBISAR3.0计算结果/MPa25 t超重轴载BISAR3.0计算结果/MPa200.5080.5011.153250.4020.4090.91340280.3540.3620.817300.3280.3340.760320.3030.3090.707350.2710.2750.63715200.4520.4461.026250.3560.3640.80967.1280.3140.3220.720300.2900.2970.670320.2680.2750.634350.2350.2450.562200.4640.4591.060250.3700.3790.84740280.3280.3370.757300.3040.3120.707320.2820.2890.660350.2530.2590.59620200.4240.4200.969250.3360.3450.76667.1280.2960.3060.681300.2740.2830.635320.2540.2620.593350.2270.2340.535

以15 cm厚碎石垫层、25 cm厚水泥稳定碎石底基层为例，在E0=67.1 MPa时，标准轴载作用下的底基层层底最大拉应力为0.356 MPa(取HPDS计算结果)。在极限拉应力σs=0.79 MPa时，该结构所能承受累计当量轴次为：

1.96×107次。

一辆超重运料车，按2个后轴各25 t，前轴15 t(单轮)考虑，换算为标准轴载当量轴次为：3×2.59+18.5×1.59=12 155次。该结构所能承受超重运料车的作用次数为：1.96×107÷12 155=1 613次。如果水泥稳定碎石底基层厚度增加到28 cm，该结构所能承受超重运料车的作用次数可增加到5 044次，由此证明，当底基层厚度达到28 cm时，施工过程中一般不会被运料车压坏。

综上所述，从受力角度讲，水泥稳定碎石底基层至少要达到28 cm厚，才不容易在施工过程中被超重运料车压坏。综合考虑结构的可靠度、经济性与压实的可靠性，结合实践经验，水泥稳定碎石底基层厚度采用28 cm以上是比较合理的。根据项目路基的具体状况、土基填料及大厚度半刚性底基层的施工条件和强度等级、碎石垫层的厚度和强度、施工过程中的重型运料车的多少、路面结构组合设计的计算结果和各结构层的层厚分配等情况，可在26～36 cm之间进行选择。对于土基填料好、碎石垫层材料质量高、运料车数量少且超载不多等情况，可取低值;对于不利季节施工、土基土质差、碎石垫层较薄、碎石垫层级配差、运料车多且重等情况，宜取高值。

2 大厚度半刚性底基层的技术指标研究

水泥稳定碎石的路用性能技术指标有:7 d无侧限抗压强度、90 d龄期的极限劈裂强度(二灰稳定类、石灰稳定类是采用180 d极限劈裂强度，水泥粉煤灰稳定类是采用120 d极限劈裂强度)、25 ℃抗压回弹模量、15 ℃抗压回弹模量、90 d龄期的极限抗弯拉强度、抗裂性指标(即收缩系数)和抗冲刷性能指标。目前，在我国现行有关技术规范和实际工程建设中，对于水泥稳定类半刚性材料实际用到的只有7 d无侧限抗压强度、90 d龄期的极限劈裂强度2个强度技术指标以及25 ℃和15 ℃抗压回弹模量指标。7 d无侧限抗压强度是用于施工强度与施工质量的主要控制技术指标。劈裂强度和抗压回弹模量是用于路面结构设计计算的强度技术指标。弯拉强度由于测试相对较复杂，而且测试结果变异性大，目前的有关设计、施工规范均未采用。至于收缩系数与抗冲刷性能指标，由于测试较麻烦，影响因素多，试验结果变更性大等方面的原因，现行有关规范暂时没做具体要求，只是定性地有所提及。

一般来说，从路面性能上考虑，优良的水泥稳定碎石路面结构层，必须是在具有足够强度的基础上，具有良好的抗裂性和抗冲刷性。本项目按照现行有关规范的思路，以90 d龄期的劈裂强度作为路面结构设计计算的强度指标，以7 d无侧限抗压强度作为施工强度与施工质量的控制技术指标。至于收缩系数与抗冲刷能力，还是在混合料级配与材料组成设计中加以定性考虑。在混合料级配与材料组成设计时，减少4.75 mm以下细集料与0.75 mm以下粉料含量(特别是要严格控制泥土含量)，严格控制水泥剂量与施工含水量，以尽量减少水泥稳定碎石的收缩系数。同时减少细集料与粉料用量，还可以提高水泥稳定碎石的抗冲刷能力。本项目在水泥稳定碎石的级配研究中已进行了充分考虑。

从大厚度半刚性基层沥青路面的结构受力计算上来说，由于底基层顶面至少还有2层半刚性上基层或下基层，以及3层沥青层，行车荷载传递到水泥稳定碎石底基层的压应力及水平拉应力均不大，因此，从结构的受力分析来看，对大厚度水泥稳定碎石底基层的强度也不必提出太高的要求，按现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)的有关技术要求就足够了(如特重交通，7 d龄期无侧限抗压强度只需≥2.5 MPa就行)。但考虑到施工过程中超重运料车对尚未达到设计龄期(90 d)劈裂强度的水泥稳定碎石底基层极易产生严重早期损坏，加之本项目对路面结构有耐久性方面的要求，因此有必要在现行规范的基础上适当提高其设计强度指标。

2.1 劈裂强度指标

现行《公路沥青路面设计规范》对水泥稳定碎石90 d龄期的劈裂强度取值为0.4～0.6 MPa。课题组在上述合适厚度研究中，取中值0.5 MPa进行计算分析，从分析结果看是比较理想的，其合适厚度在28 cm左右，有利于施工压实与平整度控制。如取低值0.4 MPa进行计算，将导致厚度大为增加，对平整度控制也不利。因此，设计劈裂强度指标取为0.5 MPa是比较理想的。

2.2 7 d无侧限抗压强度指标

大厚度水泥稳定碎石底基层的7 d无侧限抗压强度应在现行规范上适当提高。我国现行有关规范对水稳材料的7 d无侧限抗压强度的要求值都是经验值，国外也是如此。国内外对水泥稳定碎石路面结构层的抗压强度标准值都是依据公路等级、交通量大小及其在路面结构中的层次和所发挥的作用定出的。这些依据虽然正确，但都是宏观的外部条件，都是定性的，而不是定量的，其具体数值的确定是没有充足的理论依据的。要从定量上确定其强度标准还应从受力状态出发，即应深入考虑道路运营和施工期间水泥稳定碎石在车辆荷载作用下所承受的应力状态。这样的分析方法可使材料的力学特性更为明确，更符合实际情况。具体方法和步骤如下：①针对现行沥青路面常用结构组合，按照相关规范提供的设计参数，利用弹性层状体系理论的有关计算程序，计算大厚度水泥稳定碎石结构层的受力状态；②考虑道路所承受的交通量大小，初步确定水泥稳定碎石结构所应具备的抗弯拉强度标准值(因劈裂强度试验方法相对简单，试验结果比较稳定，现行《公路沥青路面设计规范》中，以劈裂强度代替了抗弯拉强度)；③考虑水泥稳定碎石混合料在现场和室内配料、拌合、压实、养生等工序上的变异性；④基于我国公路沥青路面设计规范对水泥稳定碎石基层的抗弯强度指标是以试件90 d龄期的极限劈裂强度代替，而《公路路面基层施工技术规范》是以7 d龄期的抗压强度为指标(在工程实践中抗压强度试验较抗弯强度试验简单、方便、快速)，抗压强度和劈裂强度之间虽然存在着良好的相关关系，但并不能直接作为结构材料的荷载应力破坏标准，这导致了设计指标和施工指标的不一致，故尚需将水泥稳定碎石基层的90 d劈裂强度转换成7 d龄期的极限抗压强度值。

前面的计算分析已确定大厚度水稳碎石底基层的90 d的劈裂强度标准为0.5 MPa。现在要解决的问题是，设计规范中0.5 MPa的90 d极限劈裂强度所对应的7 d龄期的抗压强度值是多少？其实就是要研究同条件下(即相同原材料、相同级配、相同含水量、相同水泥剂量与相同成型密实度)的7 d龄期抗压强度与90 d劈裂强度的比值。对此，以本项目确定的级配进行了室内试验研究，并调研了国内有关单位的研究成果。

2.2.1试验研究所用原材料和级配

水泥采用长沙市坪塘水泥厂的32.5级普通硅酸盐水泥，集料采用石灰石碎石，集料性能符合现行规范要求，混合料级配设计结果见表3。

2.2.2最大干密度与最佳含水量试验

试件成型时，必须通过击实试验确定其最大干密度和最佳含水量。按照现行规范、规程要求，结合实际情况与实践经验，拟定水泥结合料剂量分别为3%、3.5%、4%、4.5%与5%，进行不同水泥剂量下的击实试验。得到不同水泥结合料剂量的水稳碎石混合料的最大干密度和最佳含水量,如表4所示。

表3 混合料级配设计结果%级配不同筛孔(mm)的通过率31.526.519级配范围10090～10068～86范围中值1009577混合料合成级配10094.377.5不同筛孔(mm)的通过率9.54.252.360.60.07538～5824～3616～288～152～548302211.53.549.030.623.212.04.1

2.2.37 d无侧限抗压强度Rc与90 d劈裂强度σsp试验

根据上述试验结果，按照现行规范、规程的要求，采用静压法成型Φ150 mm×150 mm的圆柱体试件。成型按97%的压实度控制，每个水泥剂量成型26个试件，抗压强度试验与劈裂强度试验各13个。并按现行试验规程要求进行标准养护，养护到期后，分别进行7 d的无侧限抗压强度试验与90 d的劈裂强度试验。试验结果及有关计算结果如表5～表7所示。

表4 不同水泥剂量的水稳碎石混合料重型击实试验结果水泥剂量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水量/%32.2814.53.52.294.742.3134.84.52.342552.3515.2

从表7数据可以看出，7 d抗压强度Rc与90 d劈裂强度σsp之间具有很好的相关性。Rc大约是σsp的5.5～5.8倍，平均5.65倍。通过线性回归分析，可得到如下回归方程：

表5 7 d无侧限抗压强度Rc试验结果水泥剂量/%单个试件强度/MPa平均值/MPa标准差S/MPa变异系数Cr/%95%保证率的代表值Rc/MPa3 3.8、3.2、3.5、3.4、3.1、3.5、3.3、3.5、3.3、3.5、3.6、3.3、3.23.40.185.33.13.54.4、4.0、3.6、3.8、4.0、3.8、4.0、3.7、4.2、4.0、4.1、3.8、4.44.00.256.33.64 4.0、4.4、4.5、4.9、5.0、4.4、4.5、4.7、5.2、4.2、5.0、4.5、4.74.70.459.64.04.55.0、5.4、5.8、5.5、6.2、5.9、5.3、5.0、6.0、6.3、5.8、5.3、5.65.60.427.54.95 6.3、6.0、6.1、5.7、6.2、6.7、5.5、6.3、5.5、6.5、6.6、6.9、6.46.20.447.15.5

表6 90 d劈裂强度σsp试验结果水泥剂量/%单个试件强度/MPa平均值/MPa标准差/S/MPa变异系数Cr/%95%保证率的代表值σsp/MPa3 0.68、0.61、0.65、0.63、0.67、0.55、0.69、0.58、0.66、0.62、0.59、0.57、0.590.620.0457.30.553.50.63、0.78、0.65、0.70、0.75、0.69、0.64、0.68、0.77、0.73、0.74、0.72、0.730.710.0486.80.634 0.83、0.72、0.76、0.74、0.74、0.78、0.80、0.85、0.75、0.79、0.82、0.81、0.840.790.0425.30.724.50.86、0.90、0.98、0.95、0.88、0.89、0.89、0.96、0.98、1.00、1.01、0.94、0.950.940.0495.20.865 1.05、0.96、0.98、1.10、0.95、1.00、1.08、1.06、1.14、1.12、1.10、1.07、1.081.050.0625.90.95

表7 7 d无侧限抗压强度Rc与90 d劈裂强度σsp比值水泥剂量/%7 d抗压强度Rc/MPa90 d劈裂强度σsp/MPaRc/σsp3 3.10.555.643.53.60.635.714 4.00.725.564.54.90.865.705 5.50.955.79

σsp=0.167 8Rc+0.033 7

(1)

Rc=5.959 5σsp-0.200 8

(2)

其相关系数为0.998 0。

另外，根据交通运输部科技项目(工技字(90)290号)“沥青路面设计指标与参数的研究”成果——水泥稳定碎石劈裂强度与抗压强度随龄期的增长规律,可推演出7 d的抗压强度Rc是90 d劈裂强度σsp的5.5倍，与课题组的试验研究结果基本相同。

2.2.47 d无侧限抗压强度指标值的确定

如前所述，设计规范中0.5 MPa的劈裂强度对应的实际试验测试强度为:0.5 MPa/0.8=0.625 MPa，按照上述试验研究成果，用平均倍数估算的7 d抗压强度标准为:Rc=5.65×0.625 MPa=3.53 MPa；按式(2)的回归方程推算的7 d抗压强度标准为Rc=3.52 MPa 。

由此看来，在本项目中的大厚度水泥稳定碎石底基层的7 d抗压强度技术指标定为3.5 MPa是比较合适的。

3 结语

通过对大厚度半刚性底基层上直接承载的理论分析，可得出如下结论：

1) 当不考虑超载因素时，考虑大厚度半刚性底基层采用低剂量结合料稳定集料，大厚度水泥稳定碎石底基层厚度采用28 cm以上是比较合理的。根据项目路基的具体状况、土基填料及大厚度半刚性底基层的施工条件和强度等级、碎石垫层的厚度和强度、施工过程中的重型运料车的多少、路面结构组合设计的计算结果和各结构层的层厚分配等情况，可在26～36 cm之间进行选择。对于土基填料好、碎石垫层材料质量高、运料车数量少超载不多等情况，可取低值;对于不利季节施工、土基土质差、碎石垫层较薄、碎石垫层级配差、运料车多且重等情况，宜取高值。

2) 随着大厚度半刚性底基层模量的增加，其最大拉应力也相应增加，但最大拉应力增加的幅度要小于模量增加的幅度，因此，提高大厚度半刚性底基层的强度和回弹模量有利于提高其承载能力，减少运料车荷载对半刚性底基层的损坏。建议提高大厚度半刚性底基层的结合料用量，采用水泥稳定碎石时，水泥剂量不低于4%，7 d抗压强度不低于3.5 MPa。

3) 由于施工运输时常常存在超载超限运输，对超载轴载直接作用在大厚度半刚性底基层上进行了最大拉应力计算，计算结果表明，超载的轴载按25 t计算，需28 cm以上的半刚性底基层才能基本满足要求，而施工现场大量的运料车的轴载是大于25 t的，所以超载运输造成半刚性底基层一次性破坏的可能性相当大。施工现场应严格控制超载运输，保证半刚性底基层不被施工中的运料车损坏。