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陈三平1,张家雨1,张向东2,白伟才2,李 宁1 (1.阜新市公路管理处 阜新市 123000；2.辽宁工程技术大学土木与交通学院 阜新市 123000) 摘要： 为解决在干旱缺水的彰武地区修建通村油路时基层配比和路面结构选定的问题。通过室内土工试验,初步选定了基层混合料的最佳配合比；通过分析试件破坏机理,利用MIDAS /GTS软件对路基路面结构进行模拟分析,求出了路面在标准荷载作用下最深处竖向位移达3.14×10-4m,满足弯沉值的规范要求,进一步验证了基层结构的合理性。最终确定基层混合料的最佳配合比为水泥∶风积砂∶粗粒径(20～40mm)碎石∶细粒径(5～10mm)碎石=5.5%∶38.5%∶32.0%∶24.0%,提出水泥稳定风积砂碎石可作为路面的基层,同时判定基层试件的破坏形式为脆性破坏且具有弹性特质,并得到适合彰武地区较理想的路面基层的结构型式。 关键词： 水泥稳定风积砂碎石基层；试验研究；MIDAS数值模拟；最佳配合比；破坏机理 0 引言彰武地区广泛分布的风积砂,在四季分明、冻融循环显著的气候条件下,形成了覆盖整个地区的季节性冻土。重载作用下造成的翻浆冒泥、冻胀融沉等现象在各等级公路中均非常严重。道路结构的翻浆冒泥和拥包等现象,与路面基层的关系极为密切,因此因地制宜,研究合理的基层结构,对解决彰武地区的路基路面病害和风积砂资源的充分利用,具有重要的意义。 针对此问题,学者从不同角度进行了研究。从配比关系上,张向东等[1]对水泥稳定风积砂石灰碎石基层最佳配比作了仿真分析,指出基层稳定土各因素之间存在着不确定的非线性关系,但未给出弯沉值模拟情况。孙立霞[2]以填隙碎石和风积砂为基层材料利用SPSS软件作出回归分析从而得到最佳配比,但未分析试件破坏机理。从风积砂性质角度,张生辉等[3]通过研究风积砂作为路基填料的静力特性,得到不同压实标准情况下的砂基“变形—应力”曲线；刘大鹏[4]通过研究车载作用下风积砂和砾类土低路堤工程特性,推导出车辆长期动荷载作用下低路堤动应力计算公式,不过均未涉及水泥稳定类基层结构。宋焱勋[5]借助毛乌素沙漠风积砂复合地基承载力研究,建立了动荷载作用下的本构关系,却对道路危害的研究不够细致而深入。 因此,基层以碎石为骨料,配以水泥稳定风积砂,通过室内试验确定最佳配比,结合MIDAS /GTS软件计算弯沉值,最终确定合理的路面结构,为彰武通村油路的修建提供技术支持。 1 室内土工试验1.1 试验材料试验所用材料风积砂和碎石均取自阜新彰武地区施工现场,通过直剪仪和液塑限联合测定仪等仪器测定出风积砂的C、Φ值和液塑限等物理力学参数如表1所示；通过比重瓶和压碎值试验试模等设备测定出粗、细碎石的比重及压碎值等物理力学参数分别如表2和表3所示；425号矿渣硅酸盐水泥即为现场和试验共用水泥。 表1 风积砂物理力学性质参数  天然含水率ω/%干密度ρd/(kg·cm-3)湿度ρ/(kg·cm-3)液限/%塑限/%粘聚力C/kPa内摩擦角ϕ/(°)4.281.892.0222.3419.864.9335.22 1.2 试验方案本试验以均匀设计[6]思想为依据,设计均匀试验的目的在于揭示所确定变量与各影响因素之间的关系,并找出最佳配合比。故采用均匀设计方法结合工程实际,确定以水泥A、风积砂B、粗碎石C和细碎石D为四个影响因素,以无侧限抗压强度和抗压回弹模量这双重指标为试验目的,安排了12组不同水平制成了本次试验的U12(124)均匀设计表。混合料的最大干密度和最佳含水量一方面采用击实试验测定,不过其人为误差较大,精度不高,因此辅以拉格朗日插值法进行最佳含水量的测算和误差估计,以期提高精度,密切贴合实际。 表2 粗粒径碎石物理力学性质参数  比重G/%湿密度ρd/(kg·cm-3)含水量ω/%最大粒度d/mm孔隙比e/%压碎值a/MPa单轴抗压强度/MPa2.332.323.15401.2518.254.72 表3 细粒径碎石物理力学性质参数  比重G/%湿密度ρd/(kg·cm-3)含水量ω/%最大粒度d/mm孔隙比e/%压碎值a/MPa单轴抗压强度/MPa2.012.413.249.51.3016.359.23 一切必要的基础性试验指标测定完毕后,按照《试验规程》[7]正式做件、养生和测定其强度。由于是细粒土,故制成了150mm×150mm的圆柱形试件；并严格按照《试验规程》[7]在标准条件下养护6d,接着在温度20℃±2℃的环境中浸水1d；最后使用万能试验机测定试件7d的无侧限抗压强度。 2 试验结果及分析依据均匀设计表编制试验方案表[6]。由于是细粒土,且试件的偏差系数Cv=9.7%<> 2.1 最佳配比的初选依据表4绘制成不同配比与无侧限抗压强度的柱状图如图1所示,工程实例彰武县大后线为三级公路,查阅规范可知,水泥稳定类碎石基层7d的无侧限抗压强度须介于2.5～3.5MPa。 观察图1发现,12组配比中有7组配比的强度值都高于2.5MPa,而试验的过程错综复杂,制件时搅拌的手法、捣实的点位、养生环境的不稳定和每组配比不同试件本身的差异性等因素都会在不同程度上影响最终无侧限抗压强度的结果,于是从安全储备和减小误差的角度考量将配比序号按照强度大小降序排列依次为9>3>8>10>12。 表4 路面基层材料配比及力学参数汇总表  序号材料配比(%)水泥风积砂粗碎石细碎石无侧限抗压强度(MPa)抗压回弹模量(MPa)15.7744.2326.4423.561.7120425.1445.2128.8220.831.2107935.5038.5031.8424.163.1159244.7042.2037.0017.001.2102354.6042.4031.0022.000.899565.5246.7727.6020.112.5134874.7845.9327.2722.022.7117685.0542.5331.6520.773.1125895.4044.7627.4722.373.31612105.4841.1428.4024.962.81374115.3445.6329.6119.422.11485125.3039.7230.5524.432.81509  图1 无侧限抗压强度柱状图 同理依据表4绘制成不同配比与抗压回弹模量的柱状图如图2所示,查阅规范可知,三级公路中水泥稳定类碎石基层材料90d的抗压回弹模量须介于1300～1700MPa。本试验采用顶面法测定试件的抗压回弹模量。观察图2发现,有6组不同配比的抗压回弹模量平均值均在1300～1700MPa的范围,按照回弹模量的大小将其试验序号进行降序排列依次为9>3>12>11>10>6。  图2 回弹模量柱状图  图3 抗压回弹试验 通过上述无侧限抗压强度和抗压回弹模量的数据分析,第3组和第9组配比的试验指标均呈现出良好的性能,其配比分别为水泥∶风积砂∶粗碎石∶细碎石=5.5∶38.5∶31.84∶24.1和5.4∶44.76∶27.47∶22.37,两者强度值分别为3.1MPa和3.3MPa,回弹模量分别为1592MPa和1602MPa。若单从这两项数据度量第9组优势明显,不过基层与面层存在粘结是否良好的问题。第3组配比中风积砂含量过高,且粗、细碎石占比接近,级配连续性较差,当路面承受重型车辆长期荷载及冻融循环作用时,面层与基层相互剥离和路面拥包的现象会时有发生,难以杜绝；而第3组配比中风积砂和粗、细碎石的含量颇显科学性和合理性,同9号相比,更能靠水泥的优良粘结性和水稳性,增加路面结构的整体粘结性,并且采用沥青封层可较好地解决面层与基层的剥离问题。 综上所述,统筹考虑各项指标和因素,初定基层混合料的配比为水泥∶风积砂∶粗碎石∶细碎石=5.5∶38.5∶32.0∶24.0。 2.2 破坏机理分析由不同配比的水泥、风积砂和粗、细碎石制作的基层试样,当使用万能试验机测定强度时发现皆呈现出图4(a)～图4(c)的变形破坏形态。  图4 试件破坏过程  图5 应力应变曲线 试验时,由于在基层试样端面与压板之间插入了刚度和端面尺寸跟试样相匹配的垫块,且端面涂抹熔蜡封层处理,基本可消除二者之间的摩擦效应[8]。随着基层试样轴向应变的增加,竖向裂缝开始在试样表面开展,接着竖向裂缝逐渐贯通而脱落,试样应力应变曲线(如图5所示)出现峰值后突然下降,表明试样具有张裂[9]的破坏机制；应力应变曲线中峰值应力对应的应变量约为4.6%,明显是小于5%的,说明试样的破坏型式为脆性破坏,基层试样表现出了弹性介质的特性。同时,注意到试样完全破坏后,主要是在其外表层范围内产生了明显的张拉破裂,究其原因,笔者认为可根据试样受力特点并结合摩尔库伦强度准则[9]予以解释。试验时,试样由于没有侧向限制,其轴向主要承受竖向的最大主应力σ1作用,而越接近试样的外表面,可认为试样承受的水平方向的最小主应力σ3越小,根据摩尔库伦强度准则 3 MIDAS/GTS软件模拟分析路面结构3.1 模型的假设和建立过程根据路面结构设计的结果,现对整体路基路面结构做数值模拟分析,重点预判弯沉值。路面结构中沥青混凝土面层和级配碎石基层假定成线弹性层,假定土基为弹塑性层[10]；根据规范,荷载采用单轴双轮的双圆荷载,其中心距离3δ保持不变,接触压力采用均布荷载而轮胎接地压强ps=0.5MPa,单轮传压面当量圆直径ds=19.50cm。结合彰武县大后线之K47+640～K56+180路段的实际情况提出典型路面结构(未设置垫层),其参数如表5所示。 表5 典型路面结构参数  层位厚度h/cm弹性模量E/MPa泊松比μ粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)面层410000.23915基层204000.25723土路基300300.351219 模型边界条件的确立：对侧面X、Y方向及底面进行整体约束,路基表面设定为自由面,不做任何限制；路面宽度7m,纵向长取6m,各层位厚度已由表5给出相应数据。最终对模型进行三维网格有限划分、作用标准荷载及添加边界条件后呈现的模型图如图6所示。 图6 模型详图 图7 位移云图 3.2 结果分析工程实例大后线属于三级公路,依据规范,无需检验弯拉应力,仅对路面容许弯沉值同模拟值作出比较即可。利用有限元软件MIDAS/GTS进行模拟分析,获得了路面在施加标准荷载时双轮中心处的弯沉值及道路横断面上的位移云图如图7所示。经gts模拟并观察z向位移云图发现,双轮中心点最深处竖向位移达3.14×10-4m,小于规范规定的三级公路路面容许弯沉值=75.3(0.01mm),因此,可以判定上述设计模拟的路面结构满足彰武地区的不利路况,不失为一种因地制宜的特色性的解决方案。 4 结论(1)通过室内试验,发现含风积砂基层力学性能指标总体达标,从而得到基层最佳配合比为水泥∶风积砂∶粗粒径(20～40mm)碎石∶细粒径(5～10mm)碎石=5.5∶38.5∶32.0∶24.0；表明风积砂作为低等级路面基层的填隙料是可行的。 (2)以室内土工试验和整体路基路面结构设计为依据,通过有限元分析软件MIDAS /GTS模拟路面结构,得到路面在标准荷载作用下最深处竖向位移达3.14×10-4m,小于路面设计弯沉值=75.3(0.01mm),即满足规范要求,证明此路面结构适用于彰武地区。 (3)通过分析基层混合料试件的破坏机理,判定试样的破坏型式为脆性破坏,且试样呈现出弹性介质的特性。 参考文献 [1] 张向东,李殿维,张林. 风积砂地区路面基层材料的试验研究及仿真[J]. 辽宁工程技术大学学报,2007,26(3)：366-368. [2] 孙立霞. 填隙碎石做路面基层结构材料的试验研究[D]. 阜新：辽宁工程技术大学,2007. [3] 张生辉,李志勇,彭帝,等. 风积沙作为路基填料的静力特性研究[J]. 岩土力学,2007,28(12)：2511-2516. [4] 刘大鹏. 车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤工程特性研究[D]. 西安：长安大学,2015. [5] 宋焱勋. 毛乌素沙漠风积砂力学特性及复合地基承载力试验研究[D]. 西安：长安大学,2011. [6] 方开泰,马长兴. 正交与均匀实验设计[M]. 北京：科学出版社,2001：100-149. [7] 中华人民共和国交通运输部. JTG E51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S]. 北京：人民交通出版社,2009. [8] 刘佑荣,唐明辉. 岩体力学[M]. 北京:中国地质大学出版社,1999：82-83. [9] 孙广忠,孙毅. 岩体力学原理[M]. 北京:科学出版社,2012：72-74. [10] 艾长发. 重载沥青路面结构分析与性能评价[D]. 成都：西南交通大学,2002.
Experimental Study and Simulation of Cement Stabilized Aeolian Sand and Gravel BaseCHEN San-ping1,ZHANG Jia-yu1,ZHANG Xiang-dong2,BAI Wei-cai2,LI Ning1 (1.Fuxin Highway Management Office,Fuxin 123000,China；2.College of Civil Engineering and Transportation,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China) Abstract This paper plans to solve the problem of base course ratio and the selection of pavement structure when asphalt road through village is built in Zhangwu Area where climate is dry and water is short.Through indoor geotechnical test,optimum mixture ratio of base course mixture is identified; by analyzing the failure mechanism of specimens damage form of base course mixture is explained;by using the MIDAS /GTS,the structure of roadbed and road surface is simulated and analysed,and the deepest vertical movement of road surface is 3.14×10-4m in the standard load function,which meets the design code of deflection value , and further demonstrate the validity of base structure.Finally,the best optimum mixture ratio of base course mixture,namely, cement:aeolian sand:coarse particle size gravel(20～40mm):fine particle size gravel(5～10mm)is 5.5%∶38.5%∶32.0%∶24.0%,and cement-stabilized aeolian sand and macadam can be used as the base course of the road,and meanwhile damage form of specimens of base course is brittle failure,which have elastic characteristics, and satisfactory structural mode of pavement base that is suitable for Zhangwu Area is obtained. Key words Cement stabilized aeolian sand and gravel base;Experimental study;MIDAS numerical simulation;Optimum mix ratio;Failure mechanism 中图分类号： U416.214 文献标识码： A 文章编号： 1673-6052(2018)01-0039-05 DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2018.01.011 ※基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20112121110004)；辽宁省公路科研项目(201502)
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