羅群星，繆樹(shù)民，楊 康

(1.貴州省凱里公路管理局，貴州 凱里 556000; 2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

1 概述

近些年來(lái)，隨著國(guó)家公路網(wǎng)建設(shè)不斷完善，我國(guó)干線公路的里程數(shù)明顯增加，這些公路中，半剛性基層瀝青路面占比最大，相比于其他瀝青路面結(jié)構(gòu)，半剛性基層瀝青路面具有較高的強(qiáng)度、剛度及承載能力，更能適應(yīng)重交通的發(fā)展需求。然而，隨著建設(shè)年限及應(yīng)用的增加，半剛性基層瀝青路面自身的缺陷逐漸暴露。半剛性基層透水性差容易產(chǎn)生路面唧漿等關(guān)聯(lián)性損壞；材料收縮開(kāi)裂引起面層反射裂縫出現(xiàn)；基層與面層的結(jié)合薄弱造成流動(dòng)性車(chē)轍；維修養(yǎng)護(hù)的性價(jià)比低等。其中，反射裂縫的問(wèn)題更為困擾[1-2]。如何避免由于半剛性材料收縮開(kāi)裂引起瀝青路面反射裂縫至今是研究的熱點(diǎn)。

直至價(jià)格較低、施工便利的級(jí)配碎石引起大眾的注意，提出了級(jí)配碎石層放置在瀝青面層與半剛性基層之間的方法，證明能夠有效的減少反射裂縫的產(chǎn)生，這種夾層式結(jié)構(gòu)被稱作級(jí)配碎石瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)。級(jí)配碎石材料屬于粒料類(lèi)，在較高壓實(shí)度下抗壓能力較大且無(wú)法承受拉應(yīng)力，能夠消散應(yīng)力，因此從根本上阻礙了反射裂縫產(chǎn)生的途徑[3]。

何兆益[4]對(duì)四種典型級(jí)配進(jìn)行兩種成型方式的研究，結(jié)果表明振動(dòng)成型的最大干密度和最佳含水率分別比擊實(shí)成型的增大3%～5%，5%～10%，CBR、彈性模量均較高，高密實(shí)度是材料高強(qiáng)度的必要措施；徐鷗明[5]通過(guò)大量的試驗(yàn)，明確了風(fēng)化石的室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)方法；王龍[6]研究得到振動(dòng)成型比擊實(shí)成型的最佳含水率平均高出1.0%，以16%作為臨界孔隙率判斷擊實(shí)成型是否產(chǎn)生大范圍的破碎作用，振動(dòng)成型能夠生成良好的結(jié)構(gòu)，塑性變形減少2倍；張永升、黃曉明等[7]研究了由變k法設(shè)計(jì)的混合料在不同成型方式下對(duì)比成型前后的混合料組成變化，結(jié)果表明振動(dòng)成型幾乎不會(huì)擾動(dòng)原始級(jí)配，擊實(shí)成型由于大顆粒集料的破碎導(dǎo)致細(xì)集料比例增多。

在國(guó)外，級(jí)配碎石基層或下基層的設(shè)計(jì)通常采用ASTM，AASHO等標(biāo)準(zhǔn)。A. Dawson和F.Lekarp[8]從最大剪應(yīng)力比和應(yīng)力路徑著手，提出了一種模擬粒料類(lèi)材料永久變形的模型，得到一個(gè)極限應(yīng)力比值，如果累計(jì)永久變形超過(guò)此極限，則無(wú)法保持平衡漸變失效；Sabine Werkmeister[9]進(jìn)行的變形研究的對(duì)象是未處治粒料類(lèi)材料。分析了影響道路永久變形行為的主要因素，基于三軸試驗(yàn)，得到材料的本構(gòu)模型，并借助有限元手段，建立了一個(gè)解析路面設(shè)計(jì)模型。

由于目前倒裝結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用主要是鋪筑試驗(yàn)路，且多應(yīng)用于高速公路，目前尚未覆蓋二級(jí)及二級(jí)以下公路，且尚未大面積的建設(shè)投入使用，本文針對(duì)二級(jí)公路，提出三種級(jí)配碎石的級(jí)配設(shè)計(jì)，分別對(duì)其基本性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。考慮到級(jí)配的變異性，本文通過(guò)級(jí)配細(xì)化的手段研究級(jí)配的變異性規(guī)律，基于室內(nèi)試驗(yàn)性能與路面性能相匹配的思路，為級(jí)配設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的角度。并進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，為二級(jí)公路重、中等、輕交通下的級(jí)配碎石瀝青路面典型倒裝結(jié)構(gòu)和相關(guān)質(zhì)量控制方法提供參考。

2 級(jí)配類(lèi)型及類(lèi)型分析

依據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，混合料的密度是級(jí)配設(shè)計(jì)的首要考慮要素之一，會(huì)對(duì)混合料的性能產(chǎn)生重大影響，而級(jí)配設(shè)計(jì)是希望獲得碎石的組合密度最大。其中，目前常用的級(jí)配設(shè)計(jì)方法主要有泰勒法、多級(jí)嵌擠法、規(guī)范中值法[10]，本文分別依據(jù)三種方法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，并用G1，G2，G3表示，其級(jí)配組成見(jiàn)表1，圖1。

表1 基于G1，G2，G3的級(jí)配擬合后通過(guò)率

基于泰勒法設(shè)計(jì)的級(jí)配G1中，31.5 mm～19.0 mm，4.75 mm～1.18 mm通過(guò)率接近規(guī)范推薦級(jí)配上限，說(shuō)明此粒徑范圍內(nèi)含量較少，G1屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)；基于多級(jí)嵌擠法設(shè)計(jì)的級(jí)配，4.75 mm～0.075 mm粒徑通過(guò)率接近推薦級(jí)配下限，4.75 mm～9.5 mm的集料含量偏多，粗集料含量達(dá)到了74.5%，G2屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)；基于推薦級(jí)配中值擬合的級(jí)配，粗集料含量達(dá)到62.3%，G3屬于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)[11-14]。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 最大干密度及最佳含水率

本文采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定三種級(jí)配混合料的最佳含水率和最大干密度，繪制擊實(shí)曲線，確定建筑垃圾混合料的最優(yōu)含水率w0和最大干密度ρd，試驗(yàn)過(guò)程參考JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程T 0131—2007。結(jié)果如圖2所示。

由試驗(yàn)曲線可以得知，三組級(jí)配的擊實(shí)曲線均呈現(xiàn)出：隨著含水率的增加干密度先增大后減小的趨勢(shì)，提取每條擬合曲線對(duì)應(yīng)的最大值點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為該級(jí)配的最佳含水率，對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為該級(jí)配的最大干密度，見(jiàn)表2。表2中結(jié)果顯示，基于泰勒法設(shè)計(jì)的級(jí)配G1密實(shí)度最大，基于多級(jí)嵌擠法設(shè)計(jì)的級(jí)配G2的密實(shí)度較低。

表2 G1，G2，G3擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 CBR試驗(yàn)

加州承載比CBR(California Bearing Ratio)是美國(guó)加利福尼亞州提出的一種評(píng)定基層材料承載能力的試驗(yàn)方法，可用于表征集料的強(qiáng)度，CBR試驗(yàn)使用主機(jī)是北京生產(chǎn)的路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀，采用浙江省瑞安市東方測(cè)力設(shè)備廠生產(chǎn)的ES-60kN標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀，以及量程為0 mm～10 mm的百分表。CBR值按式(1)計(jì)算:

CBR=p/ρs×100

(1)

其中，p為對(duì)應(yīng)于某一貫入度的土基單位壓力,kPa;ρs為相應(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)壓力,kPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 CBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：試驗(yàn)結(jié)束后，繪制橫坐標(biāo)為單位壓力(p)，縱坐標(biāo)為貫入量(l)的關(guān)系曲線，三組級(jí)配的試驗(yàn)曲線圖見(jiàn)圖3，本試驗(yàn)三種級(jí)配測(cè)得的CBR平均值見(jiàn)表3。JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則規(guī)定，級(jí)配碎石用作二級(jí)公路時(shí)CBR應(yīng)大于120%，級(jí)配G1和級(jí)配G3滿足規(guī)范要求；基于泰勒法設(shè)計(jì)的級(jí)配G1比骨架型級(jí)配G2和G3的CBR值大。

3.3 動(dòng)態(tài)三軸壓縮試驗(yàn)

回彈模量是表示級(jí)配碎石層力學(xué)特性的重要指標(biāo)，有關(guān)研究表明，回彈模量具有較強(qiáng)的應(yīng)力依賴性，所以其取值應(yīng)考慮其應(yīng)力相關(guān)性[15]。本文以不同級(jí)配的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果為例，進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)與回彈模量的相關(guān)性研究。分析過(guò)程見(jiàn)圖4，圖5。

由圖4，圖5中顯示的規(guī)律可以看出：在圍壓和偏應(yīng)力相同的情況下，不同級(jí)配的回彈模量值存在較大差異。級(jí)配G1的回彈模量值最大，骨架型級(jí)配的回彈模量較小，這是因?yàn)楦鶕?jù)不同級(jí)配形成的試樣骨架特性和密實(shí)度不同，在相同的應(yīng)力情況下，試樣的回彈變形量不同導(dǎo)致的；三組級(jí)配隨偏應(yīng)力和體應(yīng)力的變化規(guī)律相似。

回彈模量差距隨著圍壓的增加而變化，當(dāng)圍壓達(dá)到140 kPa時(shí)，三組級(jí)配的回彈模量非常接近。因此，倒裝結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時(shí)可以增加底基層的強(qiáng)度，增強(qiáng)級(jí)配碎石基層受到的偏應(yīng)力約束，提高倒裝結(jié)構(gòu)的回彈模量。

3.4 級(jí)配變異性試驗(yàn)

集料在承受外力作用情況下會(huì)破碎，影響到集料的嵌擠效果，使得混合料的強(qiáng)度下降，且隨著擊實(shí)功作用變異程度會(huì)發(fā)生變化，故本文通過(guò)級(jí)配細(xì)化的手段研究級(jí)配的變異性規(guī)律，基于室內(nèi)試驗(yàn)性能與路面性能相匹配的思路，為級(jí)配設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的角度。

由于材料擊實(shí)后粗集料可能發(fā)生破碎，此時(shí)測(cè)得的CBR值不能反映設(shè)計(jì)級(jí)配的承載能力，而是在原級(jí)配基礎(chǔ)上變化成為級(jí)配細(xì)化后的承載能力。因此，本文通過(guò)對(duì)不同級(jí)配進(jìn)行持續(xù)的擊實(shí)做工，分析其在擊實(shí)前后相同粒徑的通過(guò)率變化情況，用于分析級(jí)配的變異性。不同擊實(shí)遍數(shù)下的級(jí)配變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6中G(i)表示原始級(jí)配擊實(shí)i遍后的篩孔通過(guò)率，由圖可知：三組級(jí)配均會(huì)發(fā)生變異，但變異程度和變異的趨勢(shì)不同，G1級(jí)配的變化程度較為穩(wěn)定；各級(jí)配隨著成型遍數(shù)的增加，級(jí)配間的細(xì)化程度逐漸減弱。細(xì)化速率降低可能有以下兩個(gè)原因：1)隨著級(jí)配細(xì)化的不斷發(fā)展，試件內(nèi)可發(fā)生破碎的粗集料不斷減少，而細(xì)集料難以破碎，因此級(jí)配趨于穩(wěn)定；2)試件內(nèi)細(xì)集料含量的上升，緩沖了粗集料間的點(diǎn)接觸及點(diǎn)傳荷方式，削弱了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此降低了級(jí)配細(xì)化速率。

通過(guò)相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)表明：級(jí)配G1，G2，G3的CBR值分別為230%，105%，121%，平均回彈模量分別為259 MPa，208 MPa，233 MPa；懸浮密實(shí)型級(jí)配G1的CBR和回彈模量比骨架型級(jí)配G2和G3大，級(jí)配優(yōu)良使得混合料性能較優(yōu)異，并且對(duì)不同級(jí)配進(jìn)行持續(xù)的擊實(shí)做工發(fā)現(xiàn)G1的級(jí)配變異程度較為穩(wěn)定。因此選取G1級(jí)配進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)段鋪筑研究。

4 試驗(yàn)段工程

4.1 倒裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

G242錦屏大同至黎平高屯公路改擴(kuò)建工程位于黔東南州錦屏縣與黎平縣境內(nèi)，路線全長(zhǎng)60.313 km，其中新建路基13.055 km，利用敖市街道1.06 km，利用老路拓寬改建46.198 km，老路利用率為78.3%，為了研究倒裝結(jié)構(gòu)與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)以及路用性能，提出兩種倒裝結(jié)構(gòu)，共設(shè)計(jì)三種路面結(jié)構(gòu)方案。分別為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)和級(jí)配碎石瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)1，2，如表4所示。

表 4 試驗(yàn)路瀝青路面結(jié)構(gòu)

4.2 松鋪系數(shù)

施工過(guò)程中要結(jié)合試驗(yàn)路集料的特性預(yù)設(shè)松鋪系數(shù)，不能隨意預(yù)設(shè)。預(yù)設(shè)的松鋪系數(shù)如果太大，會(huì)使得攤鋪的厚度超高，可能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求且造成資源的浪費(fèi)；預(yù)設(shè)的松鋪系數(shù)如果太小，則會(huì)使得攤鋪厚度偏小，影響施工質(zhì)量，本試驗(yàn)路初步確定按照松鋪系數(shù)1.20鋪設(shè)試驗(yàn)段。按照規(guī)定布置測(cè)點(diǎn)的斷面和高程檢測(cè)點(diǎn)，本試驗(yàn)路段施工前經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定的松鋪系數(shù)為1.22。

4.3 壓實(shí)度控制

為了確定試驗(yàn)路的最優(yōu)碾壓工藝，在不同碾壓工藝組合的行車(chē)道上取點(diǎn)，本試驗(yàn)路使用單鋼輪壓路機(jī)和膠輪壓路機(jī)型號(hào)分別為XG260和IXP301。

綜合各種因素分析共設(shè)置了三種不同的碾壓工藝，三種碾壓工藝主要在樁號(hào)K50+700～K51+000附近試驗(yàn)，試驗(yàn)段碾壓組合與壓實(shí)度關(guān)系及最終確定的碾壓組合如表5所示。

根據(jù)表5確定的最終碾壓工藝進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)路鋪設(shè)，施工過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)路其他路段按照規(guī)范要求進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 碾壓組合表

表6 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)以上數(shù)據(jù)綜合分析，經(jīng)試驗(yàn)段鋪筑后，壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果均滿足基層施工規(guī)范要求，證明了試驗(yàn)路所確定碾壓工藝的合理性。但是，由表6中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，樁號(hào)K50+100，K50+250和K50+450比樁號(hào)為K50+650，K50+850的壓實(shí)度低，原因是因?yàn)樵囼?yàn)段設(shè)置倒裝結(jié)構(gòu)1和倒裝結(jié)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)層不同，級(jí)配碎石基層的厚度存在差異。

4.4 彎沉檢測(cè)

表7 彎沉檢測(cè)結(jié)果

傳統(tǒng)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉平均值和代表值均比兩類(lèi)倒裝結(jié)構(gòu)彎沉要小，倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面2的彎沉最大。因?yàn)榈寡b結(jié)構(gòu)在水穩(wěn)層和面層之間設(shè)置了模量較低的級(jí)配碎石柔性基層作為防止反射裂縫的緩沖層。

5 結(jié)論

1)本文通過(guò)對(duì)G1，G2，G3三種不同級(jí)配的級(jí)配碎石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得CBR值分別為230%，105%，121%，平均回彈模量分別為259 MPa，208 MPa，233 MPa，并且在相同的重復(fù)擊實(shí)做功下，級(jí)配G1變異程度較為穩(wěn)定，綜合分析表明懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)G1可以作為級(jí)配碎石倒裝結(jié)構(gòu)中的碎石級(jí)配。

2)本文提出兩種級(jí)配碎石瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，對(duì)施工中的碾壓過(guò)程提出參考，并對(duì)碎石層壓實(shí)度以及路面彎沉進(jìn)行檢測(cè)，為二級(jí)公路重、中等、輕交通下的級(jí)配碎石瀝青路面典型倒裝結(jié)構(gòu)和相關(guān)質(zhì)量控制方法提供參考。