無黏結(jié)級配碎石基層回彈變形行為研究

張迎超

摘 要：使用UTM試驗(yàn)儀對采用不同粗細(xì)骨料含量與含水率的級配碎石進(jìn)行加載，研究級配碎石的回彈變形影響因素，并通過CBR試驗(yàn)進(jìn)行類比分析，為級配碎石作為道路基層實(shí)際施工應(yīng)用中的設(shè)計(jì)提供合理參數(shù)，并對比得出最佳級配參數(shù)與含水率配比。試驗(yàn)結(jié)果表明：級配碎石的回彈模量總體低于半剛性基層材料，并顯示為較為顯著的非線性;但級配碎石在荷載作用下的抗變形能力較大;級配碎石彈性模量隨著含水率的增加而減小，隨著粗骨料含量的增加而增加。級配碎石的CBR值受集料級配的影響較大，受含水率的影響較小。所以，如果在道路設(shè)計(jì)中使用級配碎石作為基層能夠緩解半剛性基層瀝青路面的裂縫反射情況，還可以利用其抗疲勞的特性在道路使用中延長道路使用壽命以及增加其透水率，防止地下水凍融循環(huán)對道路造成影響。

關(guān)鍵詞：級配碎石;動三軸;柔性基層;CBR;回彈模量

中圖分類號：U416.204 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0075-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.017

Study on Rebound Deformation Behavior of Unbonded Graded Crushed Stone Base

ZHANG Yingchao

（School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Conservancy and Electric Power， Zhengzhou 450045，China）

Abstract： The UTM tester is used to load the Graded Macadam with different coarse and fine aggregate content and moisture content， study the influencing factors of rebound deformation of Graded Macadam， and make analogy analysis through CBR test， so as to provide reasonable parameters for the design of Graded Macadam as the actual construction application of road base， and compare the best gradation parameters and moisture content ratio.The test results show that the resilient modulus of graded crushed stone is generally lower than that of semi-rigid base material， and shows significant nonlinearity; However， the deformation resistance of graded crushed stone under load is large; The elastic modulus of graded crushed stone decreases with the increase of moisture content and increases with the increase of coarse aggregate content. The CBR value of graded crushed stone is greatly affected by aggregate gradation and less affected by moisture content. Therefore， if the graded crushed stone is used as the base in the road design， it can alleviate the crack reflection of the semi-rigid base asphalt pavement， and can also use its anti fatigue characteristics to prolong the service life of the road and increase its water permeability， so as to prevent the impact of the freezing and thawing cycle of groundwater on the road.

Keywords： graded crushed stone;modulus of resilience; flexible base; CBR; dynamic triaxial

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著車輛的越來越多，道路的發(fā)展也日漸繁盛，但目前公路類型大多采用半剛性基層瀝青路面，并且隨著規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的完善，施工技術(shù)、施工機(jī)械等也逐漸融入高新技術(shù)，半剛性材料也在道路的建造中越來越受廣大施工設(shè)計(jì)者的青睞。隨著時代的發(fā)展，交通道路的使用頻率及效率也會增加，道路的建造會面臨新的要求，所以在道路設(shè)計(jì)中需要逐漸提升道路的性能，滿足日漸提升的使用要求。因此道路在基層的鋪設(shè)方面需要尋找更具耐久性、多功能且對路面平整度提供更好性能的材料。

瀝青路面中的瀝青起著功能層的作用，不但承受來自車輛的荷載，還需要承受環(huán)境變化帶來的影響，如風(fēng)吹、雨淋、日曬等，其破壞模式通常是彎曲變形、車轍、開裂等;道路面層能夠正常發(fā)揮作用的前提是基層平整性良好、穩(wěn)定性良好等。其中，半剛性基層以優(yōu)良的整體性、剛度大、平整性好等優(yōu)勢能夠承受面層傳遞下來的荷載并具有良好的擴(kuò)散應(yīng)力能力。所以在施工運(yùn)輸中需要保持好半剛性基層的整體性。否則容易導(dǎo)致半剛性基層在道路使用過程中出現(xiàn)基層彎拉裂縫、滲水，甚至在地下水持續(xù)作用下導(dǎo)致面層破壞而失去功能。

本研究針對級配碎石作為柔性基層在道路的使用中的回彈變形進(jìn)行試驗(yàn)研究，對以后涉及柔性基層的研究和使用設(shè)計(jì)提供科學(xué)的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)[1-2]。

1 材料基本性能及配合比

本研究依照最大密實(shí)度理論制出粗集料含量分別為55%和40%的級配碎石，對應(yīng)于骨架空隙、骨架密實(shí)、懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的柔性基層，并用電子秤對其進(jìn)行加濕，使其含水量為0%、1%、3%、5%，使用水為可飲用的自來水;做成試件分析不同結(jié)構(gòu)下柔性基層的動態(tài)回彈模量狀況，其中粗集料性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，細(xì)集料性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，級配曲線如圖1所示。

2 回彈試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

采用100 mm×150 mm的試件。為了防止試件在成型過程中因受到干擾影響到整個試驗(yàn)，所以采用對開圓桶型鋼試模，在底座上以乳膠膜密封，然后對開圓模定型，墊上濾紙和透水石防止水分的增減影響試驗(yàn);將不同級配或濕度并且拌勻的級配碎石按重量均勻分5層裝入試模并分別擊實(shí)到計(jì)算厚度，最后墊一層濾紙和透水石后蓋上頂蓋再卸除對開圓筒試模;使用乳膠膜對試件進(jìn)行密封與抽真空處理，防止試件因氣壓作用導(dǎo)致松散變形以及防止在真空試驗(yàn)過程中漏水漏氣，最后將試件裝置在三軸室內(nèi)對其進(jìn)行回彈模量測試[3]，如圖2、圖3、圖4所示。

2.2 回彈測試

回彈模量是指材料在變形階段，在荷載作用下抵抗變性的能力。回彈模量越大其抵抗外力的能力就越大，對于路基路面材料來說是一種非常重要的材料力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)。由于本試驗(yàn)所采用的材料為無黏結(jié)級配碎石，對于一般粒狀材料其表現(xiàn)特征一般為非線性，即在荷載作用下表現(xiàn)出直接的彈塑性[4]。

采用動三軸試驗(yàn)對現(xiàn)實(shí)道路的使用狀況進(jìn)行模擬，以反映級配碎石作為柔性基層中的受力整體狀態(tài)。此次試驗(yàn)中采取了AASHTO-DESIGNATIO-N-T-307-99（基層與底基層材）方法。對試件的圍壓及偏應(yīng)力進(jìn)行定量變量變換，并保證試件在初始狀態(tài)都進(jìn)行了預(yù)加載，達(dá)到有接觸壓力出現(xiàn)后對其進(jìn)行豎向應(yīng)力加載，并待其達(dá)到穩(wěn)定后，取得最終的平均數(shù)值[5]。

表3和圖5分別是模量的加載序列及加載波形。

2.3 結(jié)果

2.3.1 擬合K值。先建立級配碎石回彈模量后，再通過分析以確定級配碎石柔性基層的回彈模量。確定系數(shù)為R^2，值越接近于1擬合結(jié)果越接近試驗(yàn)值。K1、K2、K3為擬合參數(shù)值，如表4所示。

從表4中可以看到，相同級配條件下，不同加載序列對級配碎石的K值影響不大;但在同一加載序列下，不同粗集料含量對K值影響較大并表現(xiàn)為隨著粗集料的增加，K值逐漸增加;含水率對集料K值的影響不一致，含水率越大其擬合參數(shù)越不穩(wěn)定。

2.3.2 回彈模量變化情況。從圖6可以看出，在相同含水率及加載條件下，粗集料為55%的回彈模量高于粗集料為40%的回彈模量，說明在同等條件下，粗集料含量的增加能夠提高集料內(nèi)部間的骨料相，粗骨料之間摩擦力增大，且細(xì)骨料對骨架孔隙進(jìn)行填充，增加整體的穩(wěn)定性，并且增加級配碎石的回彈模量。

從圖7中可以看出，在相同級配及同一加載序列的級配碎石在不同含水率的條件下所表現(xiàn)出的動態(tài)模量也不同，相同級配與加載應(yīng)力模式下含水率3%的試件始終比含水率5%回彈模量要高。其原因?yàn)樗值脑黾訙p弱骨料間的相互作用，增加孔隙水的有效應(yīng)力，從而減小了級配碎石的回彈模量。

所以選用級配碎石作為柔性基層時要確保柔性基層有恰當(dāng)?shù)暮剩⑶以谠O(shè)計(jì)中保證級配條件良好，以提高道路的性能指標(biāo)并延長道路的使用壽命。

3 CBR試驗(yàn)

CBR試驗(yàn)全稱為加州承載比試驗(yàn)，用來表征粒狀材料抵抗壓力變形的指標(biāo)。具體內(nèi)容指標(biāo)準(zhǔn)試件貫入量2.5～5 mm時試件與標(biāo)準(zhǔn)試件在相同貫入量的荷載比。我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定CBR的測定必須在室內(nèi)進(jìn)行，并且作為碎石級配的指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)成型試件CBR值大于100[6-7]。

3.1 CBR試驗(yàn)步驟

①儀器準(zhǔn)備。內(nèi)徑為150 mm×170 mm的試筒，尺寸為150 mm×50 mm的墊塊及同尺寸套環(huán)，貫入桿、百分表、測力環(huán)等。對于測力環(huán)要注意測力環(huán)量程的選擇，測力環(huán)量程過小易導(dǎo)致測力環(huán)未達(dá)到試驗(yàn)貫入量就發(fā)生破壞;量程如果太大，則讀數(shù)容易產(chǎn)生誤差。本試驗(yàn)選用量程為60 kN并已標(biāo)定好的測力環(huán)進(jìn)行。

②試件的成型。根據(jù)規(guī)范要求，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)法對試件進(jìn)行擊實(shí)成型處理，擊完后對試件進(jìn)行倒置，使表面平整。

③依據(jù)規(guī)范規(guī)定試件飽水時間不小于12 h，取出后靜置大于15 min，使試件中多余水分排盡，如圖8所示。

④試驗(yàn)中，首先要對試件進(jìn)行預(yù)加載，首加預(yù)壓45 N的力，將百分表、測力環(huán)指數(shù)歸零位，將貫入桿以1～1.25 mm/min的速度壓入試件，在貫入深度為1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、4 mm、5 mm時精確讀取測力環(huán)相應(yīng)的數(shù)值。并將結(jié)果換算為相應(yīng)的壓力F（kN）或P（kPa）（如圖9所示）。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

綜合以上數(shù)據(jù)可得知，不同粗集料含量對級配碎石的CBR值有著顯著的影響。級料的配合比對影響CBR值其中最大的因素是4.75 mm級粗集料及粗集料之間形成的骨架孔隙率，級配碎石試件的CBR值隨著4.75 mm粒徑骨料的增加而減小，說明骨料孔隙率越大，CBR值越小。而細(xì)集料如0.075 mm級碎石對CBR的值影響較小。從結(jié)果中還可以看出配置的連續(xù)級配骨架型碎石作為基層其硬度能夠達(dá)到正常的路用標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)見表5、表6。

4 結(jié)論

本研究用級配碎石作為柔性基層制成成型試件，并對試件進(jìn)行了動三軸試驗(yàn)，研究不同參數(shù)條件對回彈模量及CBR值的影響，結(jié)果如下。

①級配碎石的回彈模量在不同應(yīng)力狀態(tài)下呈現(xiàn)出較為明顯的非線性，并對級配碎石的彈性模量提出了研究的方法。

②表明級配碎石作為柔性基層的可行性，并且級配碎石作為柔性基層有著不同于半剛性基層不同方面的優(yōu)點(diǎn)。

③在粗集料摻量相同的情況下，隨含水量的變化，K值的變化呈較為明顯的非線性特征。

④數(shù)據(jù)表明在同一應(yīng)力狀態(tài)下，隨含水量的增加，級配碎石層的回彈模量會隨之減小，原因?yàn)楹康脑黾又率构橇祥g的相互作用減弱、孔隙水壓力的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致級配碎石的回彈模量逐漸減小，并且不同偏應(yīng)力的加載對級配碎石的回彈模量也有較為較大影響。

⑤通過室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，得到本研究中級配碎石的非線性特性參數(shù)K1、K2、K3的取值范圍與大致規(guī)律，分析了含水量、密實(shí)度、級配以及不同應(yīng)力對K1、K2、K3的影響，得出了柔性基層瀝青路面級配碎石回彈模量的取值范圍。

參考文獻(xiàn)：

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