耿飛，徐鈺鵬，劉建石，蘭小磊，張延龍，韓天宇

（1.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.南京安居保障房建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 南京 211199；3.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022）

透水場道是一種新型場道形式，可有效緩解道面積水并提高道面的抗滑性，但由于其承載力等多方面原因限制，目前對其研究多停留在面層透水[1-2]。隨著近幾年來承載力要求較低的通用機(jī)場的大力建設(shè)，透水場道級配碎石基層表現(xiàn)出了較大的發(fā)展?jié)摿3]。級配碎石基層屬于粒料基層或無結(jié)合料基層，目前國內(nèi)外學(xué)者對其物理力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及設(shè)計(jì)方法做了較多研究，也取得了相關(guān)成果[4-8]。由于級配碎石的強(qiáng)度較低，在級配設(shè)計(jì)上基本都采用強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、空隙率較小的骨架密實(shí)型級配[9-10]，但其滲透能力已無法滿足部分特殊降雨重現(xiàn)期對場道透水能力的要求，為進(jìn)一步提高其滲透能力，提高空隙率是一種有效措施，但目前針對大空隙級配碎石的研究較少。

本文對大空隙級配碎石的緊密堆積密度、松散堆積密度和表觀密度進(jìn)行了測試，基于試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算了其松鋪系數(shù)和空隙率，分析了級配對大空隙碎石壓實(shí)效果和空隙率的影響，分析其物理性能與級配的關(guān)系，為透水場道大空隙級配碎石基層的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)級配

試驗(yàn)選用石灰?guī)r碎石，基于CJJ/T 188—2012《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》，級配碎石基層的最大粒徑選用26.5 mm。為滿足滲透要求，級配碎石空隙率不得低于13%[11]，本文設(shè)計(jì)6種級配，編號(hào)分別為SU-25%、SU-30%、SU-35%、SH-25%、SH-30%和SH-35%，編號(hào)中SU為碎石組、SH為砂石組，數(shù)字為空隙率，SH組中摻加了一定量1.18～2.36 mm的Ⅰ類天然河砂，用以模擬基層空隙堵塞的工況。同時(shí)設(shè)計(jì)2.36～9.5 mm、9.5～26.5 mm、26.5～37.5 mm三種單粒級級配的DA組作為對比。本文具有目標(biāo)空隙率的級配設(shè)計(jì)采用體積法進(jìn)行[11-13]，具體級配見表1。

表1 不同級配碎石的篩分通過率

1.2 試驗(yàn)方法

大空隙級配碎石的緊密堆積密度、松散堆積密度、表觀密度和空隙率按照J(rèn)TG/E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，松鋪系數(shù)α按式（1）計(jì)算。

式中：ρj——緊密堆積密度，g/cm3；

ρs——松散堆積密度，g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堆積密度

表2 碎石的緊密與松散堆積密度對比

由表2可見，SU組、SH組和DA組的堆積密度都隨空隙率的增大而減小，但緊密堆積密度與松散堆積密度的差值與空隙率無明顯關(guān)系。SU組、SH組和DA組中壓實(shí)后堆積密度增加最多的級配分別為SU-25%、SH-25%和DA-Ⅰ，這是因?yàn)椋海?）SU-25%、SH-25%和DA-Ⅰ中9.5 mm以下的集料較多，細(xì)集料具有更好的滾珠效果，且其自身空隙也相對較?。唬?）SU-25%、SH-25%和DA-Ⅰ的空隙率小，因此松散堆積密度較大，即使壓實(shí)效果一般、密度增加率較小，其密度增加值仍可以較大。在傳統(tǒng)的骨架密實(shí)型級配中，密度增加值與松鋪系數(shù)都可用來衡量級配的壓實(shí)效果，而在大空隙級配碎石中，不同空隙率級配碎石的松散堆積密度可以相差很大，前者不再適用。

2.2 松鋪系數(shù)

9.5 mm以下集料對壓實(shí)效果有較好的促進(jìn)作用，故對SU組進(jìn)行9.5 mm以下顆粒含量與松鋪系數(shù)的回歸分析，最佳擬合曲線如圖1所示。

圖1 SU組9.5 mm以下顆粒含量與松鋪系數(shù)擬合曲線

由圖1可見，對于SU組，隨9.5 mm以下顆粒含量的增加，松鋪系數(shù)先增大后減小。這是因?yàn)椋海?）9.5 mm以下顆粒含量較少時(shí)，級配效果隨粒徑含量的增加而改善，更多的細(xì)顆粒通過壓實(shí)作用逐漸填充大骨架空隙；（2）當(dāng)9.5 mm以下顆粒含量達(dá)到35%左右時(shí)，大量的細(xì)顆粒形成了新的骨架結(jié)構(gòu)，原有的大顆粒彼此分離處于“懸浮”狀態(tài)。在大空隙碎石級配設(shè)計(jì)時(shí)，將9.5 mm以下顆粒含量控制在35%左右可形成粘聚力和內(nèi)摩擦角較大的嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)，小粒徑碎石含量過大和過小時(shí)形成的密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)和骨架空隙結(jié)構(gòu)都不利于結(jié)構(gòu)受力[13]。

SH組不符合上述規(guī)律，考慮到：（1）SH組9.5 mm以下顆粒含量較為接近（40.4%、38.4%、38.7%）；（2）砂具有更好的滾珠軸承作用，故對其砂含量（1.18～2.36 mm顆粒含量）與松鋪系數(shù)進(jìn)行回歸分析，最佳擬合曲線如圖2所示。

圖2 SH組1.18～2.36 mm顆粒含量與松鋪系數(shù)擬合曲線

由圖2擬合方程可知，對于SH組，松鋪系數(shù)同樣隨1.18～2.36 mm顆粒含量的增加先增大后減小。這是因?yàn)椋海?）砂含量較小時(shí)，其“滾珠”效果隨含量的增加而加強(qiáng)，改善碎石的“滑動(dòng)”效果；（2）當(dāng)砂含量達(dá)到約18%時(shí)，大量的砂或開始聚集，造成局部堵塞，導(dǎo)致碎石無法移動(dòng)，或開始沉降，降低了具有壓實(shí)潛力的碎石厚度。在大空隙碎石級配設(shè)計(jì)時(shí)，可添加不超過18%的砂，以備在控制最佳含水率出現(xiàn)意外偏差時(shí)，防止級配基層在使用時(shí)由于找平層的砂下沉到基層或其他原因給基層帶來細(xì)顆粒，導(dǎo)致其壓實(shí)效果改善從而產(chǎn)生沉降，造成道面面層開裂或凹陷影響場道的正常使用。

由表2可知，DA組的松鋪系數(shù)隨著級配碎石平均粒徑的增加而減小，但總體較為接近。為分析其規(guī)律，將DA組的緊密堆積密度與不同粒徑碎石的緊密堆積密度進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 DA組與單一粒徑碎石緊密堆積密度的對比

由表3可見，DA-Ⅲ的緊密堆積密度比相同粒徑范圍的單一粒徑碎石的緊密堆積密度均值略?。浑S著粒徑的減小，緊密堆積密度的差距逐漸減小，最終DA-Ⅰ的緊密堆積密度超過了相同粒徑范圍的單一粒徑碎石的緊密堆積密度均值。由此可得出，級配碎石平均粒徑越小，級配作用越好，壓實(shí)潛力越大，松鋪系數(shù)也越大。

（1）鋰電池隔膜工程冷負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)需統(tǒng)一考慮用冷單元，供回水溫度及溫差相差不大情況下，將二者統(tǒng)一設(shè)計(jì)較為經(jīng)濟(jì)，工藝和空調(diào)冷源既互為備用，又減少了機(jī)器備用臺(tái)數(shù)；

2.3 表觀密度

不同粒徑碎石與砂的表觀密度測試結(jié)果如表4所示。

表4 砂與碎石的表觀密度

由表4可見，碎石的表觀密度隨粒徑增大而減小，與文獻(xiàn)[14]所述一致，這是因?yàn)榇罅剿槭瘍?nèi)部含有更多的封閉孔隙。

級配碎石的表觀密度可按式（2）進(jìn)行計(jì)算，以選擇較佳的級配。

式中：ρa(bǔ)——級配碎石的表觀密度，g/cm3；

ρn——第n檔集料的表觀密度，g/cm3；

xn——第n檔集料的含量，%。

各組碎石的表觀密度計(jì)算值與試驗(yàn)值對比如表5所示。

表5 各組碎石的表觀密度計(jì)算值與試驗(yàn)值

由表5可以看出：（1）不同級配碎石的表觀密度十分接近；（2）表觀密度計(jì)算值具有一定的準(zhǔn)確度。級配基層的穩(wěn)定性與碎石的表觀密度呈正相關(guān)，在低平均主應(yīng)力作用下，基層回彈模量隨著碎石密度的增大而提高[15]，采用單一種類碎石的級配可不考慮表觀密度的變化。

2.4 空隙率

不同級配與粒徑的碎石空隙率計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 不同級配與粒徑的碎石空隙率

由表6可見，不同粒徑的單粒級碎石與DA組的空隙率非常接近，與文獻(xiàn)[11]所述一致，空隙率均值在40.1%，高于SU組與SH組。

圖3為級配碎石的粒徑-通過率曲線。

由圖3可見，SU組中，SU-25%的曲線較為平滑，SU-30%在粒徑4.75～9.5 mm處存在“臺(tái)階”，SU-35%在粒徑13.2～16 mm處存在“臺(tái)階”；SH組中，SH-25%的曲線較為平滑，SH-30%在粒徑19～26.5 mm處存在“臺(tái)階”，SH-35%在粒徑1.18～4.75 mm和13.2～16 mm處都存在“臺(tái)階”；DA組的曲線則非?！岸盖汀?。具有平滑、平緩?fù)ㄟ^率曲線的級配具有更小的空隙率。

圖3 不同級配碎石的通過率

對于連續(xù)密實(shí)級配設(shè)計(jì)，目前多采用泰波公式[見式（3）]。根據(jù)泰波的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，n值在0.3～0.5的級配碎石

具有較好的密實(shí)度[9，13]。

式中：y——粒徑d的通過率，%；

D——集料的最大粒徑，mm；

n——泰波指數(shù)。

對不同級配進(jìn)行粒徑-通過率的冪函數(shù)回歸擬合。當(dāng)因變量包含非正數(shù)值時(shí)，無法進(jìn)行對數(shù)變換，無法建立冪函數(shù)模型，因此SU組暫不考慮2.36mm粒徑的通過率，SH組暫不考慮1.18 mm粒徑的通過率?；貧w曲線與擬合方程如圖4所示。

圖4 SU組和SH組的粒徑-通過率冪函數(shù)回歸曲線

將SU-25%、SU-30%、SU-35%的粒徑-通過率曲線按泰波公式進(jìn)行擬合的冪函數(shù)回歸方程分別為：

將SH-25%、SH-30%和SH-35%的粒徑-通過率曲線按泰波公式進(jìn)行擬合的冪函數(shù)回歸方程分別為：

可以看出，6種級配碎石的粒徑-通過率按泰波公式擬合的冪函數(shù)回歸方程存在修正系數(shù)，分別為1.093、1.067、1.309、1.075、1.152、1.451，其中級配SU-25%、SU-30%、SH-25%、SH-30%的修正系數(shù)接近1，其回歸曲線更接近泰波曲線，泰波指數(shù)分別為1.021、1.286、0.997、1.155?？梢缘贸觯罂障都壟渌槭牧?通過率曲線越接近泰波曲線、泰波指數(shù)越小越密實(shí)。對SU組與SH組相同空隙率級配的泰波指數(shù)取均值，使用泰波公式進(jìn)行空隙率為25%、30%的大空隙級配設(shè)計(jì)時(shí)，建議泰波指數(shù)分別取1.009、1.221。

3 結(jié)論

（1）大空隙級配碎石的松散、緊密堆積密度都隨空隙率的增加而減小，但其差值與空隙率無明顯關(guān)系，建議以松鋪系數(shù)來衡量壓實(shí)效果。

（2）大空隙級配碎石的松鋪系數(shù)隨9.5 mm以下顆粒含量及砂含量的增加而先增大后減小，小粒徑碎石間的級配效果優(yōu)于大粒徑。建議將9.5 mm以下顆粒含量控制在35%左右，以形成良好的級配，同時(shí)添加不超過18%的砂以進(jìn)一步提高其壓實(shí)效果。

（3）碎石表觀密度隨粒徑的增大而略有減小，采用單一種類碎石的級配可不考慮表觀密度的變化，含有多種類碎石的不同級配可通過表觀密度計(jì)算以選擇較佳的級配。

（4）碎石的空隙率主要取決于級配，大空隙級配碎石的粒徑-通過率曲線越平滑平緩、越接近泰波曲線、泰波指數(shù)越小越密實(shí)。設(shè)計(jì)空隙率為25%、30%的級配時(shí)，建議泰波指數(shù)分別取1.009、1.221。