余宗杰，焦芳芳，彭 寧

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046)

0 前 言

回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)有著重要的影響[1]，是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，路表彎沉和路面厚度設(shè)計(jì)都受到靜態(tài)模量非常顯著的影響。因此，研究級(jí)配砂礫的影響因素是十分必要。我國(guó)相關(guān)研究者對(duì)靜態(tài)模量進(jìn)行了研究并取得系列成果，但對(duì)級(jí)配砂礫的研究基本空白，因此，非常有必要對(duì)級(jí)配砂礫靜態(tài)模量的影響因素展開研究。

1 天然砂礫基本物理特性研究

參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[2]，對(duì)取自烏魯木齊的天然砂礫基本物理特性試驗(yàn)。

1.1 顆分試驗(yàn)

天然砂礫顆粒組成不均勻，細(xì)顆粒含量較少，顆粒間結(jié)合力較低，一般屬于粗粒土的范圍。因此，顆粒分析試驗(yàn)選取篩分法。

通過計(jì)算得到級(jí)配參數(shù)表，如表1所示，參照2020版《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)中粗粒土的分類規(guī)定，確定選用天然砂礫為級(jí)配良好的礫類土(GW)。

表1 級(jí)配參數(shù)

1.2 易溶鹽試驗(yàn)

土中可溶性鹽含量是鹽漬土與非鹽漬土分界的主要物理指標(biāo)，是評(píng)價(jià)土鹽漬化程度的重要依據(jù)[3]。本文采用質(zhì)量法測(cè)定易溶鹽總量。通過計(jì)算得到具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 天然砂礫易溶鹽數(shù)據(jù) %

根據(jù)易溶鹽試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的化學(xué)成分可以看出：天然砂礫中含有少量可溶性鹽，其含量為0.166%，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)和文獻(xiàn)[4]中鹽漬土的劃分，當(dāng)可溶性鹽含量小于0.3%時(shí)不屬于鹽漬土，實(shí)際工程中不用考慮鹽的影響。根據(jù)全鹽、氯硫比判斷天然砂礫為亞硫酸鹽非鹽漬土。

1.3 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)的目的是確定級(jí)配砂礫料的最大干密度和最佳含水量，為后續(xù)試驗(yàn)提供試驗(yàn)參數(shù)。

參照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG TF20—2015)[5]中規(guī)定的基層用天然砂礫和礫石土的推薦級(jí)配范圍，探討顆粒級(jí)配對(duì)天然砂礫石壓實(shí)特性的影響。

試驗(yàn)選擇三種級(jí)配類型進(jìn)行試驗(yàn)，三種級(jí)配的顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 顆粒級(jí)配組成

通過對(duì)級(jí)配砂礫采用重型擊實(shí)試驗(yàn)得到級(jí)配砂礫擊實(shí)曲線如圖1所示。

圖1 級(jí)配砂礫擊實(shí)曲線

從圖1可以看出，不同級(jí)配類型對(duì)級(jí)配砂礫的最大干密度和最佳含水量均有影響，S型級(jí)配和級(jí)配下限的最大干密度相差0.02 g/cm3，但最佳含水量相差1.5%，級(jí)配上限最大干密度和另外兩種級(jí)配類型分別相差0.1 g/cm3、0.8 g/cm3，最佳含水量分別相差2.8%、1.7%。由此可知，級(jí)配類型和含水量是影響級(jí)配砂礫最大干密度和最佳含水量的兩個(gè)因素，而級(jí)配類型的不同反映的是級(jí)配顆粒組成的不同。

2 級(jí)配砂礫靜態(tài)模量影響因素分析

2.1 靜態(tài)模量試驗(yàn)

參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)測(cè)定回彈模量選用杠桿壓力儀法測(cè)定級(jí)配砂礫靜態(tài)模量值。

根據(jù)式(1)計(jì)算各級(jí)荷載下的回彈變形L及每級(jí)荷載下的回彈模量：

(1)

式中，Ee為回彈模量，kPa；P為單位壓力，kPa；D為承載板直徑，cm；L為回彈變形，cm；μ為細(xì)粒土的泊松比，粒料類取0.35。

2.2 級(jí)配砂礫靜態(tài)模量影響因素

2.2.1 級(jí)配類型的影響

級(jí)配類型對(duì)級(jí)配砂礫靜態(tài)模量的影響與含水量和密實(shí)度有關(guān)[6]。由圖2可以看出，更加密實(shí)的S型級(jí)配的靜態(tài)模量值高于孔隙較多的級(jí)配下限靜態(tài)模量值?？梢钥闯觯?xì)粒含量最多的級(jí)配上限靜態(tài)模量值最小，說明靜態(tài)模量值還與細(xì)粒含量有關(guān)。一些學(xué)者認(rèn)為：回彈模量隨細(xì)粒含量增加而減小。級(jí)配上限的細(xì)粒含量高達(dá)15%。

圖2 不同級(jí)配下回彈模量、回彈變形與單位壓力關(guān)系

回彈模量隨著細(xì)顆粒含量的增加而降低，過多的細(xì)顆粒材料完全分散了少量粗顆粒。這類混合料的力學(xué)性能主要取決于細(xì)顆粒，靜態(tài)模量值會(huì)降低。由此可知，在粒料中增加細(xì)粒含量可便于密實(shí)，而越密實(shí)靜態(tài)模量值越高，以級(jí)配下限和S型級(jí)配為例。但是，當(dāng)細(xì)粒含量過多時(shí)，力學(xué)性能只能依靠細(xì)粒致使靜態(tài)模量值降低。

2.2.2 干密度的影響

粒料類的回彈模量值隨著干密度的增加而增大[7]。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果完全符合，如圖3所示，靜態(tài)模量隨干密度的增加而增大。可以看出，增加試件的干密度或壓實(shí)度可以提高材料在荷載作用下的剛度和強(qiáng)度。干密度對(duì)靜態(tài)模量影響顯著的主要原因是：試件越密實(shí)，與承載板接觸面積越大，顆粒接觸點(diǎn)數(shù)越多，在荷載作用下各個(gè)顆粒的接觸應(yīng)力會(huì)降低，變形會(huì)變小，回彈模量會(huì)增加。同時(shí)，增加顆粒接觸點(diǎn)可以有效地防止顆粒的滑移和重排。

圖3 不同干密度下回彈模量、回彈變形與單位壓力關(guān)系

2.2.3 含水量的影響

文獻(xiàn)[8]表明，以最佳含水量為界，當(dāng)含水量較低時(shí)，模量隨含水量的增加而增大；含水量高時(shí)模量值隨含水量增加而減小。如圖4所示，當(dāng)含水量低于最佳含水量時(shí)，靜態(tài)模量隨含水量的增加而增大；超過最佳含水量以后，靜態(tài)模量表現(xiàn)為快速減小。含水量對(duì)粒料回彈模量的影響十分復(fù)雜。對(duì)于開級(jí)配粒料，具有較好的排水性能，所以影響很小。但對(duì)于密級(jí)配粒料，當(dāng)含水量較高并靠近水飽和時(shí)，含水量對(duì)回彈模量的影響十分顯著。一般認(rèn)為，當(dāng)含水量低于或接近最佳含水量時(shí)，顆粒表面的薄膜水分子主要起到潤(rùn)滑的作用，制備的試件更加密實(shí)，所以在最佳含水量以前表現(xiàn)為材料強(qiáng)度與剛度的升高；當(dāng)含水量超過最佳含水量后，飽和材料會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力，制備的試件無法壓密實(shí)，所以表現(xiàn)為材料強(qiáng)度與剛度的降低。

圖4 不同含水量下回彈模量、回彈變形與單位壓力關(guān)系

2.3 級(jí)配砂礫靜態(tài)模量影響因素回歸分析

2.3.1 級(jí)配類型回歸分析

通過回歸分析得到靜態(tài)模量與級(jí)配類型的關(guān)系，用式(2)表示：

Ee=-18.65Gramax-7.2Gramin+126.525
(R2=0.995)

(2)

式中，Gramax、Gramin分別表示級(jí)配上限和級(jí)配下限。

式(2)表明，靜態(tài)模量隨著級(jí)配類型的變化關(guān)系為：S型級(jí)配>級(jí)配下限>級(jí)配上限。

2.3.2 含水量回歸分析

通過回歸分析得到靜態(tài)模量與含水量的關(guān)系，用式(3)表示：

Ee=2.21wopt+28.15(wopt-2%)+85.825
(R2=0.998)

(3)

式中，wopt表示最佳含水量，為6.8%。

式(3)表明，靜態(tài)模量隨著含水量的變化關(guān)系為：8%>6.8%>8.8%。

2.3.3 干密度回歸分析

通過回歸分析得到靜態(tài)模量與干密度的關(guān)系，用式(4)表示：

Ee=26.8ρdmax+12.95(ρdmax-0.05)+81.075
(R2=0.998)

(4)

式中，ρdmax表示最大干密度為2.10 g/cm3。

式(4)表明，靜態(tài)模量隨干密度的增大而增大。靜態(tài)模量隨著干密度的變化關(guān)系為：2.10>2.05>2.0 g/cm3。

以上回歸結(jié)果表明靜態(tài)模量與各個(gè)因素間有較好的相關(guān)性。

3 結(jié) 語

1)天然砂礫為級(jí)配良好的礫類土(GW)，不均勻系數(shù)為53.2，曲率系數(shù)為1.2，粉黏粒含量為4.2%，含鹽總量為0.1666%為亞硫酸鹽非鹽漬土。

2)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果為：S型級(jí)配為2.18 g/cm3、5.5%；級(jí)配下限為2.20 g/cm3、4.0%；級(jí)配上限為2.10 g/cm3、6.8%。

3)級(jí)配砂礫靜態(tài)回彈模量對(duì)于含水量與干密度的敏感性要高于級(jí)配類型。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析得到：S型級(jí)配為126.5 MPa、級(jí)配下限為119.3 MPa、級(jí)配上限為107.9 MPa。靜態(tài)模量與各個(gè)因素間有較好的相關(guān)性。

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