公路路面基层 长安大学 沙 爱 民 湖北省公路学会，技术讲座 2010.06.11

一、立项背景 大背景:公路建设快速发展。 减少路面早期损坏，延长路面使用寿命。 基层是公路路面的主要承重层, 供车辆安全、平稳行驶 面层 主要起承重作用 基层 路基 本项目是在我国公路建设快速发展的背景下，围绕减少路面早期损坏、提高路面质量、延长路面使用寿命等方面提出问题并开展研究的。 公路路面一般是由沥青或水泥面层，和位于面层下的基层构成。面层主要提供车辆安全、平稳的行驶条件，而基层主要起承重作用。 路面面层损坏后，修复只在表面进行，相对容易；然而基层一旦损坏，无论面层完好与否，整个路面都需要挖除重建。 因此，基层质量决定着整个路面质量，基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。 基层是公路路面的主要承重层, 基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。

+ 半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。 立项背景 拌合、摊铺 水泥 或 石灰 砂石材料 或 工业废渣 半刚性 基层 + 压实、养生 图1 各级公路基层类型 图2 高速公路基层类型 半刚性基层是用水泥或石灰作为结合料，来稳定砂石材料或工业废渣，经过拌合、摊铺、碾压和养生等工序形成的一种路面结构层。 由于半刚性基层性价比高，在我国应用极广，成为我国路面基层最主要的类型。 据统计，我国各级公路基层的85%以上，高速公路基层的95%以上都采用的是半刚性基层。 半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。

沥青路面早期损坏成因的“内忧外患” 超载问题? 施工质量问题? 路面结构设计方法问题? 路面结构类型（半刚性基层沥青路面） 设计理论体系（指标与方法）

半刚性基层的“问题” 强度高且容易开裂 半刚性基层容易发生水损坏 半刚性基层的耐久性需要考证 半刚性基层何去何从?

半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。 立项背景 半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。 抗裂性不足 导致面层 反射裂缝 冲刷能力 不足导致面层 唧浆、松散 半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，也存在着特有的缺陷，即： 1）容易产生收缩开裂，并将裂缝反射到路面面层； 2）当水分进入路面后，在车辆荷载作用下，容易产生冲刷，造成路面冒浆、唧泥； 3）基层强度过高，容易发脆开裂，强度过低，在行车荷载作用下容易发生路面疲劳破坏。 半刚性基层抗裂、抗冲刷以及强度不足会引起的路面结构损坏是导致我国公路路面早期损坏的主要原因。 每年造成巨额经济损失，成为公路行业亟待解决的焦点问题。 强度不足 导致面层 疲劳破坏

强度问题 半刚性基层的可设计强度值域很宽:0.5~12MPa 半刚性基层材料的强度不仅靠结合料的剂量,更应要靠良好的集料级配. 在一定条件下可以做到高强又不开裂. 高强度半刚性材料应该是结构设计的要求的结果,而且应该是有界限的.

水泥稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量 土 类 级配良好的砾石-砂-粘土，砂或砾石 粉质砂，砂质粘土 粉质-砂质粘土，级配差的砂 土 类 级配良好的砾石-砂-粘土，砂或砾石 粉质砂，砂质粘土 粉质-砂质粘土，级配差的砂 粉土，粉质粘土，级配很差的砂 重粘土 7d无侧限抗压强度（MPa） ＞2.8～10.5 1.7～3.5 0.7～1.7 0.35～1.05 ≤0.7 弯拉模量（×103MPa） 7～21 7 3.5～7 ＜3.5 1.4 水泥剂量（干土重%） ≤5 9 10 ≥13

收缩开裂问题 温度或干燥收缩是材料的“天性”。 及时的保湿养生可以避免干燥收缩裂缝。 控制细料含量可以显著减小温度收缩开裂可能。

水泥石和集料的收缩系数 成分 收缩系数（×10-6） 水泥石 10～20 集料 花岗岩 7～9 玄武岩 6～8 石灰石 6 白云石 7～10 砂 岩 11～12

冲刷问题 半刚性基层表面的非紧密联结的细料在动水压力泵吸作用下的脱离是形成冲刷的主要原因。 不产生或减小冲刷途径： 减少细料含量 增加结合强度 消减动水压力

疲劳问题 半刚性基层材料是一应力敏感性材料： 疲劳曲线较为平缓 超载对半刚性基层的寿命影响要更大于沥青面层 半刚性基层材料是一应力敏感性材料： 疲劳曲线较为平缓 超载对半刚性基层的寿命影响要更大于沥青面层 同样应力比条件下，半刚性基层比普通沥青面层具有更长的疲劳寿命。 半刚性基层的长寿命

路面基层一般要求 应具有足够的强度和稳定性； 在冰冻地区应具有一定的抗冻性； 应具有较小的收缩(温缩及干缩)变形； 较强的抗冲刷能力。

材料组成设计目标 材料组成设计目标——多指标： 适宜强度 较小收缩 较小冲刷

振动压实 振动压路机原理及现有室内振动压实成型设备状况 室内振动压实成型设备的研制 室内振动压实设备振动压实规律研究 振动法确定压实标准试验方法 振动法成型试件试验方法

振动压路机结构 振动压路机结构示意图

室内振动压实机结构 1—手动葫芦 2—机架 3—导向柱 4—上车系统 5—偏心块 1—手动葫芦 2—机架 3—导向柱 4—上车系统 5—偏心块 6—减振块 7—下车系统 8—压头 9—钢模套环 10—钢模 11—钢模底盘 12—传动轴 13—电动机 14—变频器 室内振动压实成型设备示意图

室内振动压实机

振动参数之间关系 式中：m1——活动偏心块的重量(kg)； m2——固定偏心块的重量(kg)； h1——活动偏心块的厚度(m)； h2——固定偏心块的厚度(m)； r1——活动偏心块的半径(m)； r2——固定偏心块的半径(m)； R——偏心距(mm)； ρ——钢的密度； f——振动频率（Hz） w——角速度(r/min)； F——振动器的激振力(N)； α——偏心块的夹角(°)； A——名义振幅（mm）； a——振动加速度（g）； me——下车系统的重量（下车重量+压头重量+下车配重）。

振动法、静压法含水量变化情况对比 反映了振动压实功与静力压实功的一致性。

振动法、静压法集料破碎情况对比 振动压实的优点：级配的保持、变异性的减小，与现场压实状态的一致性

振动法、静压法集料破碎情况对比 静压法 振动法

振动法确定压实标准试验方法 一、目的和适用范围 本试验方法适用于在室内对水泥、石灰、石灰粉煤灰稳定粒料土基层材料进行振动压实试验，以确定这些材料的含水量—干密度关系曲线，确定其最佳含水量和最大干密度。试验集料的最大粒径应控制在31.5mm以内，最大不得超过37.5mm。 二、仪器设备 三、试料准备 四、试验步骤 五、计算及制图

振动法成型试件试验方法 一、目的和适用范围 本试验方法适用于采用振动压实方法成型无机结合料稳定粒料的各种试件，其中包括用于测试无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量的圆柱体试件和用于温缩系数、干缩系数、抗折强度以及抗折回弹模量测试的梁式试件。 二、仪器设备 三、试料准备 四、试件制作步骤 五、注意事项及相关说明

半刚性基层材料收缩系数 测定方法 机测法和利用振弦传感器法 应变片电测法及测试系统的组成 半刚性基层材料温缩系数测定方法研究 半刚性基层材料收缩系数 测定方法 机测法和利用振弦传感器法 应变片电测法及测试系统的组成 半刚性基层材料温缩系数测定方法研究 半刚性基层材料干缩系数测定方法研究 半刚性基层材料温缩系数测定方法 半刚性基层材料干缩系数测定方法

应变片电测法——收缩系数测定系统 1—计算机 2—接口线 3—接线柱 4—应变仪 5—屏蔽线 6—环境箱 7—试件 8—应变片 1—计算机 2—接口线 3—接线柱 4—应变仪 5—屏蔽线 6—环境箱 7—试件 8—应变片 收缩系数测试系统

应变片电测法——收缩系数测定系统 1—温度补偿片 2—温度补偿应变片 3—屏蔽线 4—接线柱 5—应变仪 6—测试应变片 7—试件 1—温度补偿片 2—温度补偿应变片 3—屏蔽线 4—接线柱 5—应变仪 6—测试应变片 7—试件 收缩系数测试接线示意

温缩系数测定试验

温缩系数测定方法 一、目的和适用范围 二、仪器设备 三、试料准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的温度收缩性能通常用温度收缩系数表征。材料的温度收缩系数是指下降单位温度条件下，材料产生的收缩应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚性基层材料的温度收缩系数。 二、仪器设备 三、试料准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 八、计算各具体温度区间的温度收缩系数

干缩系数测定方法 一、目的和适用范围 二、仪器设备 三、试料准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的干燥收缩性能通常用干燥收缩系数表征。材料的干燥收缩系数是指减少单位含水量条件下，材料产生的干燥应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚性基层材料的干燥收缩系数。 二、仪器设备 三、试料准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 八、计算某一具体含水量区间的干燥收缩系数：

半刚性基层材料 冲刷试验方法 现有试验方法的分析与评价 利用MTS试验机研究抗冲刷试验方法 抗冲刷试验设备的研制 半刚性基层材料抗冲刷性能试验方法

现有设备状况 1—钢桶 2—试件 3—水 4—配重 5—振动台顶面 6—振动台 1—钢桶 2—水 3—混凝土垫块 4—试件 1—钢桶 2—试件 3—水 4—配重 5—振动台顶面 6—振动台 1—钢桶 2—水 3—混凝土垫块 4—试件 5—振动台顶面 6—振动台 1—旋转刷 2—试件 法国旋转刷试验装置 法国振动台试验装置 澳大利亚振动台试验装置

利用MTS进行冲刷试验 压头向下运动 压头向上运动

图4-18 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同时间不同频率下冲刷曲线 利用MTS进行的冲刷试验结果 图4-18 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同时间不同频率下冲刷曲线 图4-20 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用频率、相同作用时间不同作用力下冲刷曲线

室内冲刷试验机 1—活动偏心块 2—销孔 3—固定偏心块 激振力调节原理示意图 1—活动偏心块 2—销孔 3—固定偏心块 激振力调节原理示意图 1—机架 2—皮带 3—固定偏心块 4—活动偏心块 5— 配重箱 6—冲刷头 7—冲刷桶 8—导向柱 9—电机 10—框架 11—分动齿轮 12—配重块 13—水 14—试件 15—钢夹 道路冲刷试验机示意图

抗冲刷性能试验方法 一、 目的和使用范围 本试验方法适用于水泥稳定类、石灰稳定类、二灰稳定类等基层材料进行抗冲刷试验。本试验方法包括：按照室内击实试验所确定的最大干密度和最佳含水量，采用静力压实或振动成型法制备试件，试件为圆柱体，高度与直径之比为1∶1。 二、仪器设备 三、试件形状、尺寸 四、试料准备 五、压实标准的确定 六、试件制备 七、试件养生 八、试验步骤 九、试验结果处理 材料种类 养生龄期 水泥稳定类 28天 二灰稳定类 90天

抗冲刷性能试验

半刚性基层材料 结构类型与组成计算 半刚性基层材料结构类型划分 半刚性基层材料粗集料骨架结构性能 骨架密实结构半刚性基层材料混合料组成计算 骨架孔隙结构半刚性基层材料混合料组成计算

路面基层类型 材料组成—水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定类、 水泥混凝土类、沥青稳定类、 无结合料粒料类； 力学行为—半刚性、柔性、刚性； 结构组成—骨架密实结构、骨架孔隙结构、 悬浮密实结构、均匀密实结构。

水泥稳定碎石基层材料体积参数测定结果 试验项目 单位 以9.5mm划分 以4.75划分 以2.36划分 粗集料空隙体积 cm3 409.05 724.31 760.36 细集料部分(含水泥、水)体积 1981.85 1345.68 990.00 混合料结构类型 悬浮

粗集料骨架试验——级配 粗集料试验级配表 筛孔孔径 （ mm） 31.5 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 连续级配 a 100 88 67 58 47 30 b 87 64 52 43 26 c 85 59 48 37 22 多级嵌挤 d 35 20 15 10 e 95 78 27 13 7 f 72 55 5 单级级配 g h i

压实后的粗集料 压实后不同级配的粗集料

通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 水泥稳定类集料级配 （JTJ 014-1997） 层位 通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 37.5 31.5 19.0 9.50 4.75 2.36 0.6 0.075 基层 100 88～99 57～77 29～49 17～35 8～22 0～7 底基层 93～98 74～89 49～69 29～52 18～38

通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 骨架密实型水泥稳定类集料级配 （JTG D50-2006） 层位 通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 31.5 19.0 9.50 4.75 2.36 0.6 0.075 基层 100 68～86 38～58 22～32 16～28 8～15 0～3

通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 悬浮密实型水泥稳定类集料级配 （JTG D50-2006） 层位 通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 37.5 31.5 19.0 9.50 4.75 2.36 0.6 0.075 基层 100 90～100 60～80 29～49 15～32 6～20 0～5 底基层 93～100 75～90 50～70 29～50 15～35

骨架密实水泥稳定碎石组成计算 x—— 混合料中水泥的用量（g） y—— 混合料中细料的用量（g） W粗料——装满标准容器后粗料的质量（g） ρ水泥、细集料—— 水泥、细集料的最大干密度（g/ cm3） A ——混合料中预定水泥计量（%） B ——通过试验确定出的粗集料空隙体积（cm3）

骨架密实二灰稳定碎石组成计算 a—— 混合料中石灰的用量（g） b—— 混合料中粉煤灰的用量（g） c—— 混合料中细料的用量（g） W粗料——粗集料的质量（g） ρ石灰、粉煤灰、细集料—— 石灰、粉煤灰、细集料的最大干密度（g/cm3） A ——混合料中预定的石灰与粉煤灰之比（%） B ——混合料中预定的石灰、粉煤灰与粗、细集料之比（%） C ——通过试验确定出的粗集料空隙体积（cm3）

不同结构类型半刚性基层 路用性能试验 试验级配 强度试验 模量试验 收缩试验 冲刷试验

温缩系数

干缩系数

冲刷试验

设计方法 结构类型选择 控制指标、标准 选择法 试验法

结构类型的选择 选择结构类型 骨架孔隙结构 骨架密实结构 悬浮密实结构 车辆组成 道路等级、面层类型 气候 条件 路用性能检验 确定混合料配比 是否满足要求 推荐使用 否 是 交通量

混合料设计方法 半刚性基层材料混合料组成设计方法分两种，即选择法和试验法。 选择法 选择法适用于常见的水泥稳定碎石、二灰稳定碎石材料。对于这些材料，当其集料级配得到改善，或混合料结构类型由悬浮密实型向骨架密实型改变后，其路用性能也会随之改善，当其强度满足规范要求后其他性能也能满足相应要求。 试验法 实践中会因材料和施工设备等条件的变化提出超出常规的新的材料级配组成；并且，随着半刚性基层材料的发展，在各地的实践中采用了许多外加成分和新材料，如在混合料中加入各种填加剂、纤维、早强剂以及当地的工业废渣等。这些材料使用经验很少，仅从7天的抗压强度指标难以评判这些新材料的其他路用性能，对于它们需要进行充分的室内试验论证其可用性。

试验路施工现场

试验路水泥碎石基层 钥匙

贫混凝土基层

提出背景 针对目前我国公路超载现象严重，新规范中列入了贫混凝土刚性基层。 相对于水泥混凝土：低水泥剂量（100－200kg水泥/立方混凝土）的经济混凝土，或低强度等级的水泥混凝土。 相对于稳定土基层：提高了混合料中水泥的用量，因而具有更高的强度、模量和板体性，能够承担更大的行车荷载。

类型划分 从成型方式分： 插入振捣式塑性贫混凝土基层 碾压式贫混凝土基层 表面振动式无砂或少砂透水塑性贫混凝土基层 。 从结构特征上分： 密实贫混凝土（塑性贫混凝土）：有湿贫和干贫之分。密实干贫混凝土采用振动碾压工艺成型，即碾压式贫混凝土； 多孔贫混凝土：无砂或少砂透水贫混凝土。

材料设计方法 贫混凝土基层属刚性基层，在原材料选择、配合比设计和施工技术要求等方面，均与半刚性基层的差异较大，而更接近于水泥混凝土，可沿用水泥混凝土现有的原材料检验、配合比设计、施工设备、铺筑技术及所有的试验检测方法和手段。

结构设计方法 贫混凝土基层沥青混凝土路面设计方法 贫混凝土基层沥青混凝土路面（LC-AC）设计方法可借鉴RCC-AC复合式路面的设计方法。 贫混凝土基层水泥混凝土路面设计方法 贫混凝土基层水泥混凝土路面结构设计是将其视为弹性地基上双层板。临界荷位为板纵缝边缘中部，与现行水泥混凝土路面设计规范中对混凝土面板临界荷位的取法相同。

水泥粉煤灰稳定碎石基层

提出背景 从稳定土原理上讲，粉煤灰与石灰并用能起到较好的稳定效果。往往有些地区有粉煤灰资源而缺乏石灰，或有石灰，但质量不合格或不稳定。国内实际工程中已有采用水泥粉煤灰稳定基层的工程实例，并取得了较好的应用效果。本次规范列入水泥粉煤灰稳定基层类型，允许采用该种稳定类基层，以积累相应的应用经验。

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