余 鑫

0 引言

级配碎石材料由于其廉价、施工方便等优点一直在公路建设中发挥着重要作用。我国广泛采用半刚性基层沥青路面结构为我国公路事业的发展做出了巨大贡献。但是多年来许多沥青路面发生的严重早期破坏,促使人们对该结构进行重新认识。经过多年的经验总结,人们发现半刚性基层在其优点的背后,也有不少缺点,而在半刚性基层与沥青面层之间铺设级配碎石过渡层,这种“上柔下刚”的结构组合既发挥了半刚性基层沥青路面高强度的优点,又在很大程度上克服了半刚性路面的缺点。美国、澳大利亚以及南非等国将优质的级配碎石用于半刚性基层与沥青面层之间,作为减少沥青路面反射裂缝的措施,取得了良好的效果[1]。本文进行级配碎石的CBR试验、重复动态回弹模量试验,研究了级配碎石的力学特性,通过对试验结果及影响因素的分析,力求为级配碎石组成设计提供相关依据。

1 最佳含水量、最大干密度试验及结果分析

1.1 试验方法

根据JTJ-93公路土工试验规程粗粒土和巨粒土最大干密度试验的振动台法,选用9组级配,其中n为级配指数。将9组级配每组准备5份配料,按含水量依次增加0.5%振动成型,最后得出的各级配的最佳含水量和最大干密度见表1。

表1 连续密级配最佳含水量和最大干密度试验结果

1.2 试验结果分析

根据表1中有关数据,绘制最大干密度与级配指数n值、级配最大粒径Dmax的关系图,见图1,图 2。

1)在 n值相同的情况下,级配碎石最大干密度随最大粒径的增大呈抛物线趋势变化,存在最佳最大粒径,即为31.5mm。

2)n值的变化对级配碎石最大干密度的影响程度要大于级配最大粒径Dmax变化对最大干密度的影响。

2 连续级配碎石CBR试验与结果分析

加州承载比(California Bearing Ratio缩写为CBR)是最早由美国加利福利亚州公路局提出的评价土基和路面材料承载能力的指标,CBR是表征级配碎石承载力及抗变形能力的重要指标,级配碎石本身的级配是决定其CBR值的最主要因素。

2.1 试样准备

根据JTJ-93公路土工试验规程承载比(CBR)试验方法,依然选用9种级配分别进行CBR试验,每个级配平行试验5次,分别在最佳含水量下振动成型,浸泡96 h后测试各自的CBR值,试验结果见表2,绘制 CBR与n值、Dmax的关系图,见图3,图4。

表2 级配碎石CBR试验结果 %

2.2 试验结果分析

1)n值变化对CBR值影响规律分析。由图3可知,当级配最大粒径Dmax较小时,CBR值受n值的变化影响较小;而Dmax较大时,CBR值受n值影响明显,尤其是n值大于0.50后,CBR值衰减非常明显。因此,就CBR值而言,级配碎石的n值应控制在0.50以下,且 Dmax越大,控制应越严格。

2)级配最大粒径Dmax变化对CBR值影响规律分析。由图4可知,级配最大粒径对级配碎石CBR值有明显影响,且n值小于0.50和最大粒径小于31.5mm时,这种影响较显著。因此,级配碎石n值应控制在0.50以下,级配最大粒径Dmax宜选择 31.5mm,进一步增大颗粒对提高CBR值的效果不太明显,且不利于施工。

3 级配碎石重复动态回弹模量试验研究

3.1 试验原理与方法

1)试验原理。

重复动三轴试验(Repeated Load Tri-axial Tests)是利用动态三轴仪测定级配碎石在侧压力和竖向重复动应力作用下的弹性模量,其原理见图5。

级配碎石试样在压力室中承受侧向应力σ3和竖向重复动应力σ1,侧向应力σ3可通过对充满在压力室的硅油施加压力而取得,重复动应力σ1可通过重复加载传动器施加,加载波形可以为半正弦波、三角形波、矩形波等。通过仪器测得试验在侧向应力σ3和竖向重复动应力σ1作用下的稳定瞬时回弹应变 εr,则在此应力状态下的动态回弹模量为[4]:

其中,σd为反复作用的动偏应力,σd=σ1-σ3;εr为稳定瞬时回弹应变;Mr为回弹模量。

2)试验方法。

试验将进行两组级配的回弹模量试验,一组级配是L31.5b,在其最佳含水量、最佳含水量±2%下分别成型一个试件,要求击实到最大密实度;一组级配为通过本次试验的推荐级配,即试验级配3,要求在其最佳含水量下击实至最大密实度。通过对推荐级配的三轴试验,可以验证级配的合理性;将推荐级配和级配L31.5b的三轴试验结果分析,可以得到级配碎石非线性特性的有关参数,以及含水量、密实度对级配碎石动态回弹模量的影响规律。

3.2 试验结果分析

根据前面所介绍的试验方法和MTS采集的数据,计算出每个试件在不同的应力下的应变εr,得出每个应力状态下的回弹模量 Mr。把4个试件各自的Mr按表征级配碎石非线性公式Mr=K1θk2进行数据回归,结果如表3所示。

表3 级配碎石动三轴试验结果

1)从试验结果可知,随着含水量的增加,K1,K2分别呈减小和增加的趋势,从回弹模量具体大小来看,当含水量小于最佳含水量时,试件成型不能达到最密实状态,回弹模量值不如最佳含水量时的大,此时的K1较大、K2较小;随着含水量的增大至最佳含水量,颗粒之间相互挤密嵌挤,试件成型达到最佳效果,试件的动弹回弹模量最大,就此时K1与K2的值来说,K1减小的效果被K2的增大弥补,表现为整体回弹模量的值在增大;含水量达到最佳含水量后继续增大时,这时试件中多余的水将起到一个润滑剂的作用,并形成一层水膜,使集料颗粒在外力的作用下容易滑动,最终引起回弹模量值的下降。

2)级配碎石上基层回弹模量的取值。由于级配碎石回弹模量具有非常明显的非线性特性,因此对于处于不同应力状态下的级配碎石层的回弹模量是不一样的[4]。当级配碎石作半刚性沥青路面的上基层时,级配碎石处于三向受压的应力状态,回弹模量值将较高。根据弹性层状理论分析,级配碎石作上基层时,侧压力在 20 kPa～120 kPa,竖向压应力在 120 kPa～600 kPa,由本试验得出的级配碎石回弹模量计算模型可计算出回弹模量大致在284MPa～527MPa之间,比规范中级配碎石作上基层所推荐的模量要高。

3)表征级配碎石非线性特性的K1,K2存在着较好的线性关系,据此可以将表达式 Mr=K1θk2修正为只含一个变量的表达式,Mr=(51180-73908K2)θk2。

4 结语

1)通过级配碎石的最佳含水量、最大干密度试验,n值的变化对级配碎石最大干密度的影响程度要大于级配最大粒径Dmax变化对最大干密度的影响。级配碎石形成密实结构不仅与粗细颗粒的相对含量有关,还存在最大尺寸效应,级配中最大粒径偏大与偏小都不易形成密实结构,在n值相同的情况下,存在最佳最大粒径,即为31.5mm。

2)通过连续密级配碎石CBR试验,影响连续级配碎石CBR值的因素主要包括两个方面:a.n值的大小,其值应不大于0.50;b.最大粒径 Dmax,试验表明 Dmax以 31.5mm为最佳。当 n处于0.45～0.50之间,Dmax为31.5mm时,连续级配具有较大干密度。

3)通过级配碎石重复动态回弹模量试验,对于具有合理级配的花岗岩级配碎石,当含水量在5.2%～5.6%之间变化,密实度大于98%,试件直径为 100mm,采用 Mr=K1θk2进行数据回归时,一般取 K1=15934,K2=0.5312。

[1]袁 峻.级配碎石基层性能与设计方法的研究[D].南京:东南大学,2005.

[2]王 龙,解晓光,冯德成.级配碎石材料强度及塑性变形特性[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(6):944-947.

[4]鲁华征.级配碎石设计方法研究[D].西安:长安大学,2006.