余 鑫

0 引言

級(jí)配碎石材料由于其廉價(jià)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)一直在公路建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。我國(guó)廣泛采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為我國(guó)公路事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但是多年來(lái)許多瀝青路面發(fā)生的嚴(yán)重早期破壞,促使人們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),人們發(fā)現(xiàn)半剛性基層在其優(yōu)點(diǎn)的背后,也有不少缺點(diǎn),而在半剛性基層與瀝青面層之間鋪設(shè)級(jí)配碎石過(guò)渡層,這種“上柔下剛”的結(jié)構(gòu)組合既發(fā)揮了半剛性基層瀝青路面高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn),又在很大程度上克服了半剛性路面的缺點(diǎn)。美國(guó)、澳大利亞以及南非等國(guó)將優(yōu)質(zhì)的級(jí)配碎石用于半剛性基層與瀝青面層之間,作為減少瀝青路面反射裂縫的措施,取得了良好的效果[1]。本文進(jìn)行級(jí)配碎石的CBR試驗(yàn)、重復(fù)動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn),研究了級(jí)配碎石的力學(xué)特性,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及影響因素的分析,力求為級(jí)配碎石組成設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)。

1 最佳含水量、最大干密度試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)JTJ-93公路土工試驗(yàn)規(guī)程粗粒土和巨粒土最大干密度試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)法,選用9組級(jí)配,其中n為級(jí)配指數(shù)。將9組級(jí)配每組準(zhǔn)備5份配料,按含水量依次增加0.5%振動(dòng)成型,最后得出的各級(jí)配的最佳含水量和最大干密度見(jiàn)表1。

表1 連續(xù)密級(jí)配最佳含水量和最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1中有關(guān)數(shù)據(jù),繪制最大干密度與級(jí)配指數(shù)n值、級(jí)配最大粒徑Dmax的關(guān)系圖,見(jiàn)圖1,圖 2。

1)在 n值相同的情況下,級(jí)配碎石最大干密度隨最大粒徑的增大呈拋物線趨勢(shì)變化,存在最佳最大粒徑,即為31.5mm。

2)n值的變化對(duì)級(jí)配碎石最大干密度的影響程度要大于級(jí)配最大粒徑Dmax變化對(duì)最大干密度的影響。

2 連續(xù)級(jí)配碎石CBR試驗(yàn)與結(jié)果分析

加州承載比(California Bearing Ratio縮寫(xiě)為CBR)是最早由美國(guó)加利福利亞州公路局提出的評(píng)價(jià)土基和路面材料承載能力的指標(biāo),CBR是表征級(jí)配碎石承載力及抗變形能力的重要指標(biāo),級(jí)配碎石本身的級(jí)配是決定其CBR值的最主要因素。

2.1 試樣準(zhǔn)備

根據(jù)JTJ-93公路土工試驗(yàn)規(guī)程承載比(CBR)試驗(yàn)方法,依然選用9種級(jí)配分別進(jìn)行CBR試驗(yàn),每個(gè)級(jí)配平行試驗(yàn)5次,分別在最佳含水量下振動(dòng)成型,浸泡96 h后測(cè)試各自的CBR值,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,繪制 CBR與n值、Dmax的關(guān)系圖,見(jiàn)圖3,圖4。

表2 級(jí)配碎石CBR試驗(yàn)結(jié)果 %

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)n值變化對(duì)CBR值影響規(guī)律分析。由圖3可知,當(dāng)級(jí)配最大粒徑Dmax較小時(shí),CBR值受n值的變化影響較小;而Dmax較大時(shí),CBR值受n值影響明顯,尤其是n值大于0.50后,CBR值衰減非常明顯。因此,就CBR值而言,級(jí)配碎石的n值應(yīng)控制在0.50以下,且 Dmax越大,控制應(yīng)越嚴(yán)格。

2)級(jí)配最大粒徑Dmax變化對(duì)CBR值影響規(guī)律分析。由圖4可知,級(jí)配最大粒徑對(duì)級(jí)配碎石CBR值有明顯影響,且n值小于0.50和最大粒徑小于31.5mm時(shí),這種影響較顯著。因此,級(jí)配碎石n值應(yīng)控制在0.50以下,級(jí)配最大粒徑Dmax宜選擇 31.5mm,進(jìn)一步增大顆粒對(duì)提高CBR值的效果不太明顯,且不利于施工。

3 級(jí)配碎石重復(fù)動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)原理與方法

1)試驗(yàn)原理。

重復(fù)動(dòng)三軸試驗(yàn)(Repeated Load Tri-axial Tests)是利用動(dòng)態(tài)三軸儀測(cè)定級(jí)配碎石在側(cè)壓力和豎向重復(fù)動(dòng)應(yīng)力作用下的彈性模量,其原理見(jiàn)圖5。

級(jí)配碎石試樣在壓力室中承受側(cè)向應(yīng)力σ3和豎向重復(fù)動(dòng)應(yīng)力σ1,側(cè)向應(yīng)力σ3可通過(guò)對(duì)充滿在壓力室的硅油施加壓力而取得,重復(fù)動(dòng)應(yīng)力σ1可通過(guò)重復(fù)加載傳動(dòng)器施加,加載波形可以為半正弦波、三角形波、矩形波等。通過(guò)儀器測(cè)得試驗(yàn)在側(cè)向應(yīng)力σ3和豎向重復(fù)動(dòng)應(yīng)力σ1作用下的穩(wěn)定瞬時(shí)回彈應(yīng)變 εr,則在此應(yīng)力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)回彈模量為[4]:

其中,σd為反復(fù)作用的動(dòng)偏應(yīng)力,σd=σ1-σ3;εr為穩(wěn)定瞬時(shí)回彈應(yīng)變;Mr為回彈模量。

2)試驗(yàn)方法。

試驗(yàn)將進(jìn)行兩組級(jí)配的回彈模量試驗(yàn),一組級(jí)配是L31.5b,在其最佳含水量、最佳含水量±2%下分別成型一個(gè)試件,要求擊實(shí)到最大密實(shí)度;一組級(jí)配為通過(guò)本次試驗(yàn)的推薦級(jí)配,即試驗(yàn)級(jí)配3,要求在其最佳含水量下?lián)魧?shí)至最大密實(shí)度。通過(guò)對(duì)推薦級(jí)配的三軸試驗(yàn),可以驗(yàn)證級(jí)配的合理性;將推薦級(jí)配和級(jí)配L31.5b的三軸試驗(yàn)結(jié)果分析,可以得到級(jí)配碎石非線性特性的有關(guān)參數(shù),以及含水量、密實(shí)度對(duì)級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量的影響規(guī)律。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前面所介紹的試驗(yàn)方法和MTS采集的數(shù)據(jù),計(jì)算出每個(gè)試件在不同的應(yīng)力下的應(yīng)變?chǔ)舝,得出每個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的回彈模量 Mr。把4個(gè)試件各自的Mr按表征級(jí)配碎石非線性公式Mr=K1θk2進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸,結(jié)果如表3所示。

表3 級(jí)配碎石動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果

1)從試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著含水量的增加,K1,K2分別呈減小和增加的趨勢(shì),從回彈模量具體大小來(lái)看,當(dāng)含水量小于最佳含水量時(shí),試件成型不能達(dá)到最密實(shí)狀態(tài),回彈模量值不如最佳含水量時(shí)的大,此時(shí)的K1較大、K2較小;隨著含水量的增大至最佳含水量,顆粒之間相互擠密嵌擠,試件成型達(dá)到最佳效果,試件的動(dòng)彈回彈模量最大,就此時(shí)K1與K2的值來(lái)說(shuō),K1減小的效果被K2的增大彌補(bǔ),表現(xiàn)為整體回彈模量的值在增大;含水量達(dá)到最佳含水量后繼續(xù)增大時(shí),這時(shí)試件中多余的水將起到一個(gè)潤(rùn)滑劑的作用,并形成一層水膜,使集料顆粒在外力的作用下容易滑動(dòng),最終引起回彈模量值的下降。

2)級(jí)配碎石上基層回彈模量的取值。由于級(jí)配碎石回彈模量具有非常明顯的非線性特性,因此對(duì)于處于不同應(yīng)力狀態(tài)下的級(jí)配碎石層的回彈模量是不一樣的[4]。當(dāng)級(jí)配碎石作半剛性瀝青路面的上基層時(shí),級(jí)配碎石處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài),回彈模量值將較高。根據(jù)彈性層狀理論分析,級(jí)配碎石作上基層時(shí),側(cè)壓力在 20 kPa～120 kPa,豎向壓應(yīng)力在 120 kPa～600 kPa,由本試驗(yàn)得出的級(jí)配碎石回彈模量計(jì)算模型可計(jì)算出回彈模量大致在284MPa～527MPa之間,比規(guī)范中級(jí)配碎石作上基層所推薦的模量要高。

3)表征級(jí)配碎石非線性特性的K1,K2存在著較好的線性關(guān)系,據(jù)此可以將表達(dá)式 Mr=K1θk2修正為只含一個(gè)變量的表達(dá)式,Mr=(51180-73908K2)θk2。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)級(jí)配碎石的最佳含水量、最大干密度試驗(yàn),n值的變化對(duì)級(jí)配碎石最大干密度的影響程度要大于級(jí)配最大粒徑Dmax變化對(duì)最大干密度的影響。級(jí)配碎石形成密實(shí)結(jié)構(gòu)不僅與粗細(xì)顆粒的相對(duì)含量有關(guān),還存在最大尺寸效應(yīng),級(jí)配中最大粒徑偏大與偏小都不易形成密實(shí)結(jié)構(gòu),在n值相同的情況下,存在最佳最大粒徑,即為31.5mm。

2)通過(guò)連續(xù)密級(jí)配碎石CBR試驗(yàn),影響連續(xù)級(jí)配碎石CBR值的因素主要包括兩個(gè)方面:a.n值的大小,其值應(yīng)不大于0.50;b.最大粒徑 Dmax,試驗(yàn)表明 Dmax以 31.5mm為最佳。當(dāng) n處于0.45～0.50之間,Dmax為31.5mm時(shí),連續(xù)級(jí)配具有較大干密度。

3)通過(guò)級(jí)配碎石重復(fù)動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn),對(duì)于具有合理級(jí)配的花崗巖級(jí)配碎石,當(dāng)含水量在5.2%～5.6%之間變化,密實(shí)度大于98%,試件直徑為 100mm,采用 Mr=K1θk2進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸時(shí),一般取 K1=15934,K2=0.5312。

[1]袁 峻.級(jí)配碎石基層性能與設(shè)計(jì)方法的研究[D].南京:東南大學(xué),2005.

[2]王 龍,解曉光,馮德成.級(jí)配碎石材料強(qiáng)度及塑性變形特性[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(6):944-947.

[4]魯華征.級(jí)配碎石設(shè)計(jì)方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2006.