水泥稳定土和碎石掺拌改良土在公路施工中的应用对比

鲁 凯

(中交一公局集团有限公司，北京 100024)

0 引言

随着“一带一路”的不断推进，越来越多的中国基建企业开始在非洲土寻求合作与发展机遇。“要致富，先修路”，越来越多的非洲国家也意识到想要快速发展，便利的交通是不可或缺的先决条件之一，随着国际社会的帮助和中国政府“一带一路”的推进，给非洲国家的发展注入了强大的精神与活力，以此为契机，乌干达机场、公路、桥梁、隧道等基础设施建设项目如雨后春笋般出现。

乌干达公路施工中，应用于底基层的有水泥稳定土、碎石掺拌改良土和天然砾料三种，其中公路工程中又以水泥稳定土和碎石掺拌改良土为主。本文以乌干达某公路M项目为案例，从设计参数、选材用料、施工方案、经济效益四个方面，对两种材料作为底基层的施工效果进行对比，得出两种不同底基层施工方案的优缺点，为乌干达公路项目底基层施工方案选择提供参考。

1 设计参数对比

以M项目为例，结构层设计验算中分别采纳了南非、肯尼亚和乌干达各自的道路设计规范，最后取最优结果用于最终设计方案。

以参照南非设计规范为例，利用线上验算软件Rubicon Toolbox Software 中LET Standard Axle Design Tool验算工具对水泥稳定土底基层（以下简称：水稳土底基层）和碎石掺拌改良土底基层分别进行了相同设计交通荷载等级下的承载力、有效车轴容量等设计参数的验算和对比。此工具是基于南非道路结构层设计规范的要求，以South African Mechanistic-Empirical Design Method-SAMDM 设计方法进行结构层验算分析，下文对验算过程进行简要介绍。

（1）根据南非道路结构层设计手册中道路分类确定项目所属道路类型，根据项目道路设计等级和交通量等参数确定符合上表中Road Category B 类型的相关要求。

（2）M项目结构层设计所要求采用的交通量根据交通调查和分析预测，确定为548 ESALs per day (4.0 million for 20 years design life)，即满足每日等效标准轴负载548（20年的设计使用年限内能够满足400万等效标准轴负载）。

（3）结构层验算-水稳土底基层和碎石掺拌底基层参数确定：在LET Standard Axle Design Tool验算工具中定义每一层的材料类型和模量，按照规范要求，确定水稳土底基层的参数。

由于乌干达规范中水稳土底基层C1.5-C3.0MPa与南非规范中材料代号为C3 的材料相匹配，因此，水稳土底基层材料参数选择设置为RSA C3 Cement Stabilized，模量为2000MPa。

一天，爱德华多很晚才从街上回家，看到克里斯蒂安的黑马拴在木桩上。老大穿着他那身最体面的衣服在院子里等他。女人捧着马黛茶罐进进出出。克里斯蒂安对爱德华多说：“我要到法里亚斯那儿去玩。胡利安娜就留给你啦；如果你喜欢她，你就派她用场吧。”

根据规范要求，需要定义阶段二：水稳土底基层在达到设计承载力上限发生开裂后的承载情况，代号为EG4的材料其承载能力与开裂后的C3水稳土底基层承载力相当。

水稳土底基层厚度为200mm时整体结构才能满足设计交通荷载要求（20年内承受4百万标准轴负载）。当采用碎石掺拌底基层时，对应的材料选择G5 Wet代号的材料，其模量为200MPa。

（4）验算结果分析：采用水泥稳定土底基层的结构层在达到设计承载力上限的验算结果，轴负载设置为双轮分别为20kN，750kPa，间距350mm，最后得出有效结构承载能力为2.5百万标准轴负载，整体结构预计12.5年后达到承载能力上限，即水稳土底基层会发生开裂，承载力下降至与代号EG4材料相持平，即约300MPa。

水稳土底基层的不大于水平拉应变为101，水稳层最不利位置是在水稳土底基层底部和负载之间。结构层整体最不利层为水稳土底基层，在水稳层开裂的情况下，整体结构层有失效的风险。

此阶段结构层整体在21.75年后达到设计承载力上限，有效承载能力为1.9百万标准轴负载，在此阶段由于水稳土底基层开裂，导致整体结构最不利层为级配碎石基层，当级配碎石基层开裂后整体结构存在失效的风险。水稳土底基层开裂后其最不利位置为层中和负载之间。综上所述，水稳土底基层方案（200mm厚度）对应的最不利情况下结构层设计使用寿命能达到21.75年，整体结构交通承载能力为4.4百万标准轴负载，满足设计交通荷载要求。

从验算结果可以看出，采用碎石掺拌/天然粒料底基层的方案，结构层整体承载能力相较于水稳土底基层要低，以至于底基层厚度增加了50mm的情况下才能满足设计要求，结构层整体承载能力为21.5年内承受4.3百万标准轴负载。采用碎石掺拌/天然粒料底基层时，结构层整体最不利层为路床，这是因为路床上部结构整体刚度较小所导致的（水稳土底基层刚度达到2000MPa）。

2 选材用料

水泥稳定土是指在满足一定性能条件的天然砾料中，加入一定掺量的水泥，经过拌合、压实以及养护等工序后，形成的一种具有良好力学强度和抗雨水冲刷的路面结构。

乌干达公路项目中，通常水泥稳定土应取用等级C1.5，碎石掺拌改良土则应符合G45要求（通常要求天然砾料符合G30要求）。

2.1 基质材料

两种材料的基质材料均为天然砾料土，两种材料对天然砾料选用的指标对比见表1。

表1 两种材料基质天然砾料指标要求

由表1可知，两种材料对基质材料的CBR要求一致，除化学指标外，碎石掺拌改良土多数指标要求高于水泥稳定土，则在实际生产中，水泥稳定土更易于找到合适的天然砾料料场。

2.2 成品材料

针对成品材料，水泥稳定土的关键性控制指标为UCS，即无侧限抗压强度，而碎石掺拌改良土的关键控制指标则为CBR，两者指标对比见表2。

表2 成品材料指标要求对比

从表2可看出，水泥稳定土的CBR要求是大于碎石掺拌改良土的，即水泥稳定土的承载能力通常情况下是大于碎石掺拌改良土的。

2.3 两种材料的配合比设计

2.3.1 水泥稳定土配合比设计

以M项目为例，使用合格的天然砾料作为基质，水泥选用Hima Multipurpose PPC32.5水泥，以不同的外掺水泥量分别制作两组试件，其中一组气密养护14d，另一组在7d气密养护后需浸水养护7d。养护期结束后进行无侧限抗压强度测试，同时也要对成品料进行CBR试验。总结试验结果如表3，通过试验结果确定配比所需的水泥掺量。

表3 无侧限抗压强度试验结果

由于3.0%掺量CBR未达到80%，不予以考虑。将其他数据进行分析，并考虑经济性，4%水泥掺量应被选用，同时当水泥用量为4%时，7d气密、7d浸泡养护与14d气密养护的UCS比也满足规范大于75%的要求。

2.3.2 掺拌碎石底基层配比设计

以M项目某G30料场天然粒料掺拌碎石为例，碎石使用项目的基层级配碎石，配合比设计应使用不同的级配碎石体积掺量进行试验，通常使用30%、40%、50%，从表4汇总结果判断，同时考虑经济性，则30%掺量碎石应被选用。

表4 不同比例碎石掺拌试验结果

3 施工方案

3.1 水稳土底基层施工方案

水稳土底基层施工流程中有三道工序需特别注意：（1）人工摊铺水泥需在初压完的天然砾料上画格子，保证水泥计量的准确；（2）路拌机加水拌合后4h内必须完成碾压成型（乌干达规范规定）；（3）水泥稳定土经过拌合、压实整形成型后立即养护，养护时间不少于7d。采用洒水车通过间歇洒水以保持表面始终处于湿润状态，直到底基层验收通过并达到一定强度。同时，水泥稳定土有易于产生裂缝的风险，在拌合及养护过程中需特殊注意。

3.2 碎石掺拌底基层施工方案

相较水泥稳土底基层施工而言，碎石掺拌底基层施工程序基本与水稳土一致，但过程控制相对要简单，在确定工作面准备完毕后开始上料，先上天然砾料，摊铺拌合后初平，然后在初平的面上摊平计量好的级配碎石料，最后加水使用拌合机将两者材料拌合，之后整平压实成型。完成后无需养护，只需验收后进行下一层施工。

4 对比分析

4.1 经济效益分析

以乌干达M项目为例，若选择使用水泥稳定土做底基层，则水泥掺量为4%；而选择碎石掺拌改良土为底基层，则碎石掺拌量为30%时。如只考虑材料成本，根据乌干达市场材料价格，每公里成本如表5所示（价格以美元计）。

表5 以乌干达M项目标准横断面为例

如两种底基层厚度均为20cm，两种材料成本相差不大。但根据设计验算，水稳土底基层应为20cm，碎石掺拌底基层应为25cm,则水稳土底基层有明显的经济效益。且由于碎石掺拌底基层的工程量明显增加，会进一步增加人工和机械成本。

4.2 综合分析

通过以上对比，水稳土底基层有成本低，材料易取得，承载能力更好等优点，但水稳土底基层试验复杂、周期长，成型路面需要长时间养护，不利于下一层开展。同时由于水泥稳定土易于产生裂缝，对原材料选用，施工过程控制和后期养护也提出了更高的要求。

而碎石掺拌底基层施工成本高于水稳土底基层，但施工工艺简单，施工及试验周期短，有利于下一步施工的开展，同时对施工团队来说，也更容易把控施工质量，减少管理成本。

5 结束语

乌干达在公路施工过程中有水泥稳定土、碎石掺拌改良土及天然砾料三种底基层可以选用，但水泥稳定土及碎石掺拌改良土应用较为广泛。通过以上分析可知，水泥稳定土及碎石掺拌改良土两种材料各有千秋，具体选用需要根据业主要求、项目周边环境、材料供应、项目地质条件等多方位综合考虑来决定。