基于稳定碎石土底基层的三级公路典型路面结构研究

孙雅珍,马作鑫,裴宏宇,李凯翔,顾彬诚

(沈阳建筑大学 交通工程学院　沈阳市　110168)

摘　要： 针对辽宁省康平地区砂石短缺的现状,利用当地的天然碎石土,使用水泥与土壤固化剂对其进行综合稳定,并用级配碎石进行改良,经室内试验与实际工程论证,稳定碎石土可作为当地低等级公路的优良底基层材料。基于康平当地试验路段的实际情况,运用稳定碎石土做底基层材料,通过路面结构的设计与计算,确定在不同交通量、不同土基回弹模量范围时,三级公路沥青路面底基层的适宜厚度,并结合实际工况,给出康平地区碎石土底基层沥青路面的推荐结构。

关键词： 稳定碎石土；底基层；土壤固化剂；三级公路；典型路面结构

0　引言

近年来我国城市基础设施的现代化程度显著提高,新工艺、新理念应用广泛,根据国家“十三五”现代综合交通体系发展规划纲要,秉承绿色安全的发展理念,推进资源集约利用,新材料的发展迫在眉睫。

传统三级公路沥青路面采用单基层结构,但随着农村公路[1]实际交通量的日益增大,单基层沥青路面已经难以满足道路承载能力的要求,因此设置底基层来增强道路的承载能力。近年来的研究表明稳定碎石土拥有着良好的路用性能,严伟华[2]通过试验得到水泥稳定碎石土的干缩性与水泥稳定砂砾基本接近；王绱鉷等[3]通过细粒土与碎石掺配复合成人工碎石土,得出采用水泥石灰综合稳定碎石土有着良好的路用性能；高瞻、黄伟、杨兴旺等[4-6]都在实际工程中采用水泥稳定碎石土作为路面基层材料,并分析得出其有良好的应用效果；赵瑜隆、黄勇[7-8]采用 SG-1 型固化剂稳定碎石土充当基层材料,并对其路用性能及施工工艺进行探究,验证稳定碎石土在无砂石地区具备一定经济性及可行性,可缓解碎石短缺筑路成本较高的问题。基于稳定碎石土作为沥青路面底基层的相关研究还很少,因此,结合辽宁省康平县当地材料生产情况,选取当地天然碎石土通过水泥与固化剂进行综合稳定,并用级配碎石进行改良,作为三级公路沥青路面的底基层材料,经论证有着很好的经济性与路用价值,并给出了康平地区碎石土底基层沥青路面的典型结构。

1　底基层材料的确定

1.1　材料的选取及原材料试验

(1)天然碎石土。针对当地材料生产情况,选取当地天然碎石土来进行原材料试验。在天然碎石土中,粒径2.36 mm以上的石料占总量的50%左右。按照《公路土工试验规程》(T0118—2007),取0.5mm以下、有机质含量不大于试样总质量的5%的土,测得液限值为21.74%,塑限值为13.14%,塑性指数IP为8.60。

(2)水泥。使用P.S 32.5矿渣硅酸盐水泥,相关参数符合国家相关技术标准的要求。

(3)土壤固化剂[9]。选用ZL-2A型土壤固化剂,其相关指标如表1所示。经厂家试验及实际工程实践得出其适用于塑性指数7≤Ip≤17,或细粒组土粒含量为10%～30%的碎石土,所应用的碎石土均满足要求[10]。该固化剂规定的混合料配置比例为：在底基层中,结合料水泥含量3%～6%；固化剂剂量为干料质量的0.01%～0.02%。

表1　ZL-2A型土壤固化剂相关指标

pH值溶解性密度，(20℃)g/cm3(固含量)%总酸度NaOHg/100g样品总碱度HClg/100g样品≤1完全溶解1．24±0．03≥34．09．5～12．5—

1.2　配合比设计及材料方案的确定

结合碎石土定义及规范[10]对于三级公路底基层混合料粒径组成范围要求,选择碎石土天然级配及两种改良级配共三种级配,采用水泥稳定、水泥与固化剂综合稳定两种固化方式,并以 7d 无侧限抗压强度[11]为指标,综合考虑经济性与可行性,优选三组稳定碎石土方案。为了便于三种方案稳定碎石土路用性能的比对与经济性分析,每种方案各取试验路段500m进行实际路用检验,三种方案如下：

方案一：水泥稳定碎石土，天然碎石土+5%水泥；

方案二：水泥稳定碎石土，天然碎石土+4.5%水泥+0.02%的2号固化剂；

方案三：水泥稳定碎石土(改良级配)，天然碎石土+掺配碎石+4%水泥。

三种方案中材料的7d无侧限抗压强度和劈裂强度值以及抗压回弹模量设计值如表2所示,规范[12]要求,采用水泥稳定类材料作为底基层材料时其7d无侧限抗压强度在重、中交通条件下应大于或等于2.0MPa,在轻交通的条件下应大于或等于1.5MPa,试验结果均符合要求。

表2　三种底基层材料方案相关指标

底基层材料方案强度(MPa)抗压回弹模量设计值(MPa)劈裂强度(MPa)一2．398030．39二2．6910760．46三2．377600．34

1.3　其它层位的材料选择

结合当地的材料生产使用情况与路面行车要求,试验路的面层材料选用AC-13C；上基层则选用当地生产的水稳碎石(平均水泥含量为5%)；康平县地理位置在季冻区范围内,受冻融及地下水影响较大,故应铺设垫层来满足防冻要求,垫层采用当地的石渣进行铺设。

2　典型路面结构设计

2.1　交通量的拟定

对路面结构进行设计,根据交通量的调查情况与实际交通情况,并综合未来的交通量增长情况,分三种交通量进行讨论,得出底基层厚度的推荐值。规范[12]规定,交通量可根据表3的规定划分为四个等级,结合试验路段的实际情况,选用三种典型交通量如表4所示。

表3　交通等级

交通等级BZZ-100累计标准轴次Ne(次/车道)大客车及中型以上的各种货车交通量[辆/(d·车道)]轻交通<><600中等交通3×106～1．2×107600～1500重交通1．2×107～2．5×1071500～3000特重交通>2．5×107>3000

表4　用于路面结构设计的交通量

交通量大小(次/车道)交通等级Ne13×106轻交通(轻、中分界)Ne27．5×106中交通(中值)Ne31．2×107中交通(中、重分界)

2.2　设计弯沉值的计算

我国规范[12]规定路面ld值(0.01mm)由式(1)计算确定。由于试验路等级为三级,故仅采用ld作为设计指标。

(1)

式中：ld—设计弯沉值(0.01mm)；

Ne—设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数；

Ac—公路等级系数,试验路等级为三级取1.2；

As—面层类型系数,试验路采用AC-13C面层取1.0；

Ab—路面结构类型系数,取1.0。

计算出的三种Ne值对应的设计弯沉值ld1、ld2、ld3如表5所示。

表5　设计弯沉值

交通量设计弯沉值(0．01mm)Ne136．5Ne230．4Ne327．6

2.3　结构设计参数与结构设计

2.3.1　土基回弹模量E0的选取

运用查表法估计E0的参考值,康平县属无砂石区,自然区划为II2a区,路基土以粉质土为主,该地区E0的参考值随稠度变化情况如表6所示,可见在稠度达到1.15时E0值只有31.0MPa,这对于路面结构与交通等级的要求是不够的。规范[12]要求各级公路的E0值都应≥30MPa,重交通等级则要求E0值要≥40MPa。因此必须处理土基,使其E0值尽可能提高。

表6　II2a区土基回弹模量E0参考值(MPa)

区划土组0．800．901．001．051．101．15II2a粉质土19．022．526．027．529．531．0

提高土基回弹模量的方法[13],可以采用如下方法：换填土层、原土翻送,掺低剂量水泥、石灰等稳定加固等。

对土基回弹模量E0值进行划分,每隔5MPa一档,分为35/40/45/50/55/60(单位：MPa)6个档,来分别讨论不同交通量情况下三种材料底基层厚度的适宜值。

2.3.2　各层位材料的设计参数

各层位材料的设计参数及厚度(mm)的取值如表7所示；设计出2种路面结构方案如表8所示。

表7　三级公路沥青路面结构设计参数

结构层厚度(mm)结构层材料计算模量(MPa)泊松比面层50～200细粒式密级配沥青混凝土14000．30基层150/180水泥稳定碎石(5%)15000．25底基层≥150稳定碎石土803/1076/7600．25垫层200石渣2800．35土基-粉质土35/40/45/50/55/600．40

表8　路面结构方案

方案A方案B50mm细粒式沥青混凝土面层50mm细粒式沥青混凝土面层150mm水泥稳定碎石基层180mm水泥稳定碎石基层待定厚度稳定碎石土底基层待定厚度稳定碎石土底基层200mm石渣垫层200mm石渣垫层

2.3.3　路面结构计算与分析

设计与计算原则：由于试验路等级为三级,根据相关规范规定,以设计弯沉值为路面结构设计的设计指标,底基层作为设计层位,并根据设计弯沉值计算底基层的厚度。基于方案A与方案B,在交通量分别为Ne1、Ne2与Ne3时,取不同档的土基回弹模量值(单位：MPa)：35/40/45/50/55/60,并依表2选取三种材料的抗压回弹模量值(MPa)。最后计算相应的底基层厚度,并得出Ne、E0与底基层厚度的关系见图1(a)～图1(e)。

由工程实践经验可知：应保证底基层厚度在150～200mm。经压实度与施工技术要求,适宜厚度应在180～200mm。经分析得出,每种结构的底基层厚度与其结构适宜的土基状况(体现在E0值上)的关系如表9所示。

方案A与方案B的面层厚度均为50mm,满足轻、中交通要求,故取Ne1、Ne2与Ne3作为预计交通量,经计算对应的设计弯沉值大小分别为36.5、30.4和27.6(0.01mm)。

图1　方案A与B在不同交通量条件下三种底基层材料厚度

分析图1(a)可以得出在交通量为Ne1=3×106(次/车道)和E0=35MPa时三种底基层材料厚度的变化范围在150～160mm之间。还有,由于3×106(次/车道)为轻、中交通的分界,故三种稳定碎石土材料可很好地应用在轻交通下三级公路沥青路面中。

分析图1(b)可以得出在交通量为Ne2=7.5×106(次/车道)、E0=35MPa时,三种底基层的最小厚度均大于200mm,但都小于250mm,符合半刚性底基层材料的厚度范围150～250mm的要求,为了保证压实充分,规定底基层厚度不超过220mm,厚度较大,造价较高,提高E0值是降低底基层厚度较好的方法。因此,路面结构A(三种碎石土底基层)均可以满足中交通中值(7.5×106次/车道)的要求。

分析图1(c)可以得出在交通量为Ne3=1.2×107(次/车道)时,对于底基层材料选用天然碎石土+4.5%水泥+固化剂的路面结构满足底基层厚度要求,对E0的取值无要求；对于底基层材料选用天然碎石土+5%水泥的路面结构要满足底基层厚度

要求则要使得E0≥43MPa,采用天然碎石土+4%水泥+掺配碎石则要求E0≥44MPa。

对于结构B,用与结构A相同的分析方法进行分析,最终,得出最后A和B两种路面结构与三种底基层厚度、土基回弹模量的关系,如表9所示。

表9　底基层厚度推荐表

结构材料及厚度交通量(次/车道)底基层适宜厚度推荐值(mm)方案一方案二方案三A50mm细粒式沥青混凝土150mm水泥稳定碎石待定厚度稳定碎石土200mm石渣3×10635≤E0<><><><><><><><><><><><><><>

图2　典型路面结构方案

2.4　推荐结构

最后得出在三种交通量下,稳定碎石土底基层沥青路面的适宜厚度与E0值的关系。进而证明了稳定碎石土可以广泛地应用在不同土基状况下低等级农村公路的底基层设计中,有着很好的推广价值与发展前景,并给出典型路面结构方案如图2所示。

3　结论

(1)水泥与固化剂综合稳定碎石土与水泥稳定碎石土、水泥稳定碎石土(经改良为骨架密实型结构)相比,有着更高的抗压回弹模量值,且路用性能更好。具体表现在,当三者的Ne与E0值均相等时,采用水泥与固化剂综合稳定碎石土作为三级公路沥青路面底基层材料时,其底基层的适宜厚度相对最薄。

(2)通过大量的结构计算得出,在拟定的三种典型交通量情况下,不同土基状况(体现在E0值上)对应的底基层厚度的推荐值,并给出农村三级公路稳定碎石土底基层沥青路面的推荐结构,进而验证水泥稳定碎石土、水泥与固化剂综合稳定碎石土有着良好的路用性能。

(3)推荐的稳定碎石土沥青路面结构A与B在相应的土基回弹模量取值下可满足不同交通等级交通量

的要求。为不同交通量、不同土基状况的低等级农村公路稳定碎石土底基层沥青路面设计提供了参考。

参考文献

[1]　宏虹. 农村公路设计阶段工程造价控制[D]. 西安：长安大学,2010.

[2]　严伟华. 水泥稳定天然碎石土基层力学性能试验研究[J]. 华东公路,2010(6):46-50.

[3]　王绱沣, 王海峰, 李娜. 水泥石灰综合稳定碎石土路用性能试验研究[J]. 路基工程,2010(2):137-138.

[4]　高瞻. 水泥稳定碎石土在路面底基层施工中的应用和施工特点[J]. 现代交通技术,2006,3(2):19-23.

[5]　黄伟. 水泥稳定碎石土底基层应用分析[J]. 中国新技术新产品, 2010(24):85-85.

[6]　杨兴旺. 水泥稳定碎石土路面底基层技术研究[J]. 建设机械技术与管理, 2014(4):99-102.

[7]　赵瑜隆. SG-1型土壤固化剂稳定碎石土配合比设计及路用性能研究[D]. 西安：长安大学, 2014.

[8]　王勇. SG-1型土壤固化剂稳定碎石土施工关键技术研究[D]. 西安：长安大学,2014.

[9]　中华人民共和国交通运输部. JTG/T F20-2015公路路面基层施工技术细则[S]. 北京: 人民交通出版社,2015.

[10]　中华人民共和国交通部. JTG E42-2005公路工程集料试验规程[S]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

[11]　黄晓明. 路基路面工程[M].南京: 东南大学, 2013.

Research on Typical Pavement Structure of Tertiary Highway Based on Subbase Course of Stabilized Gravel Soil

SUN Ya-zhen,MA Zuo-xin,PEI Hong-yu,LI Kai-xiang,GU Bin-cheng

(School of Traffic Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract　Aiming at the current situation of gravel shortage in Kangping Region of Liaoning province, the comprehensive stabilization is realized by utilizing local natural gravel soil and using cement and soil stabilizer, and the modification is made by using graded gravel. Through the demonstration of laboratory test and practical engineering, stabilized gravel soil can be used as good subbase course material of local low grade highway. Based on the practical situation at the local test section of Kangping, stabilized gravel soil can be used as the subbase course material. Through the design and calculation of pavement structure, suitable thickness of subbase course of asphalt pavement of tertiary highway is determined within the range of different traffic volume and rebound modulus of soil matrix. In combination with actual working conditions, the recommended structure of asphalt pavement of subbase course of gravel soil in Kangping region is given.

Key words　Stabilized gravel soil; Subbase course; Soil stabilizer; Tertiary highway; Typical pavement structure

文章编号： 1673-6052(2018)03-0065-05　　　　　　

DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2018.03.017

中图分类号： U416.01　　　　　　

文献标识码：A

※基金项目：国家自然科学基金(51478276)；辽宁省自然科学基金(20170540770)；沈阳市科技计划项目(17-231-1-26)