級配對大粒徑級配碎石力學性能的影響分析

摘要：為提升道路工程中大粒徑級配碎石基層混合料質量，文章從級配角度對大粒徑碎石混合料力學性能進行研究，基于“變I法”進行級配設計，并通過室內試驗測定不同級配碎石CBR值，探究了篩孔通過率、貝雷參數、壓實密度等參數對混合料CBR值的影響。研究表明：9.5 mm篩孔通過率控制在35%～45%、4.75 mm篩孔通過率控制在30%～40%時，大粒徑級配碎石的力學性能最佳；貝雷參數FAc在0.5～0.6、FAf在0.55～0.65時，CBR值較好；壓實密度與CBR呈線性正相關，可通過控制關鍵篩孔通過率、細集料含量以及壓實工藝提升壓實密度，從而實現大粒徑級配碎石力學性能的提升；控制“變I法”I1在0.65～0.70、I2在0.7～0.75時，可得到良好的骨架密實型級配。

關鍵詞：大粒徑級配碎石；篩孔通過率；貝雷參數；壓實密度；CBR試驗

0引言

級配碎石層作為一種柔性的路面結構層，能夠有效分散行車荷載對路面造成的應力作用，在公路建設中得到廣泛的應用，常用做底基層和墊層。大粒徑級配碎石通常指最大公稱粒徑在25～63 mm的碎石混合料，因其具有良好的力學性能，在工程中逐漸得到推廣。

大粒徑級配碎石基層與普通級配碎石相比，擁有更好的抗剪強度和承載力［1］。目前，大粒徑級配碎石的研究成果較少，更多的是在普通級配碎石方面［2-8］。現有的關于大粒徑級配碎石方面的研究主要分為施工質量控制和力學特性研究兩方面，施工質量方面主要研究含水率、壓實機械、壓實厚度和碾壓變速等因素對大粒徑級配碎石的壓實效果的影響［9］，以及大粒徑級配碎石在工程應用中的質量控制問題［10-13］；力學性能方面研究成果主要有大粒徑級配碎石的永久變形規律分析［14-15］、大粒徑級配碎石的振動壓實原理分析以及不同成型方式下的混合料試件力學性能研究［16-18］，鮮有關于大粒徑級配碎石力學性能影響因素方面的研究成果。

此外，級配碎石相關研究表明“變I法”適用于碎石基層的級配設計，可得到良好的骨架密實結構，并通過實際工程驗證其優良的穩定性與耐久性［19-20］。故本文將采用“變I法”進行大粒徑碎石級配設計，研究級配對大粒徑級配碎石的力學性能影響，推薦合理的I值范圍，以期為大粒徑級配碎石基層的工程應用提供借鑒。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用石灰巖碎石作為大粒徑級配碎石基層材料，對試驗用集料進行性能測試，試驗結果如表1所示。

1.2 級配設計

本文采用“變I法”進行級配設計，該級配設計法基于最大密度曲線理論而來，同時結合了粒子最大干涉理論，可以得到良好的骨架密實型結構。該級配設計方法以4.75 mm為級配關鍵篩孔，將4.75 mm篩孔以上的I值設定為I1，分別是0.6 mm、0.62 mm、0.65 mm、0.7 mm和0.75 mm；將4.75 mm及以下篩孔I值設定為I2，分別是0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm、0.75 mm和0.78 mm，分別命名為I-1、I-2、I-3和I-4。此外，結合已有工程進行級配設計，分別命名為GC-1（欽州國省干線）、GC-2（興業國省干線）和GC-3（百色國省干線）。設計級配如圖1所示。

1.3 試驗方法

1.3.1 最佳含水率測試

相關研究表明，碎石基層的含水率對壓實度、抗剪性能以及長期穩定性有著重要影響［21］。為此，通過室內試驗測定不同大粒徑級配碎石最佳含水率，試驗過程如下：

（1）將不同大粒徑級配碎石混合料放入105 ℃烘箱中5 h，烘干至恒重并取出后，冷卻至室溫。

（2）在冷卻至室溫的大粒徑級配碎石中加入自來水，自來水的摻量分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%，并攪拌均勻。

（3）將攪拌好的大粒徑級配碎石分兩層壓實，每層壓實時間為4 min，壓實設備為振動壓實成型儀。

（4）計算壓實后的大粒徑級配碎石混合料的密度，并繪制含水率-密度曲線圖，得到級配碎石的最佳含水率。

1.3.2 CBR試驗

本研究采用路面材料強度實驗儀測試大粒徑級配碎石混合料試樣的CBR值，具體試驗步驟如下：

（1）將通過振動壓實制樣方式成型的大粒徑級配碎石混合料放置于路面材料強度實驗儀操作臺上。

（2）在試樣頂面和加載裝置之間放置一根直徑為50 mm的金屬壓桿，壓桿上端有一橫桿，橫桿兩端各有一小孔用于放置百分表，將百分表固定并歸零。

（3）啟動儀器，當壓桿快要接觸試樣表面時調整加載速率至1 mm·min-1。

（4）時刻觀察百分表的位移變化，當有百分表位移變化達到2.5 mm時記錄下此時壓力傳感器上顯示的壓力數值（F1），當左右兩側百分表變形位移都達到2.5 mm時再記錄下此時壓力傳感器上顯示的壓力數值（F2）。

（5）計算大粒徑級配碎石混合料試樣左右兩側貫入2.5 mm時的平均壓力值，將平均壓力值換算為壓強值，并將壓強值轉換為CBR值。具體轉換公式為：

2 試驗結果分析

對不同的大粒徑級配碎石混合料進行CBR試驗測試，試驗結果如表2所示。

由表2可知，當I1控制在0.65～0.75，I2控制在0.7～0.78時，CBR值較大，大粒徑級配碎石混合料抗剪、抗壓效果好。其中當I1為0.7、I2為0.75時，CBR值最大，可能該情況下的級配碎石骨架嵌擠效果較好，且集料間空隙填充得較為密實。此外，實際工程中的級配則更加接近I1為0.65、I2為0.70情況下的I級配曲線，該情況下的粗集料骨架結構更好，故推薦I1為0.65～0.70、I2為0.7～0.75的“變I法”級配設計。

由圖2可知，9.5 mm篩孔通過率控制在35%～45%、4.75篩孔通過率控制在30%～40%時，大粒徑級配碎石的力學性能最佳。隨著9.5 mm、4.75 mm的篩孔的增加，大粒徑級配碎石混合料的CBR值先增加后減小，且受9.5 mm的篩孔通過率的影響較大，相關系數R2達到了0.953 8。隨著9.5 mm和4.75 mm的篩孔通過率的增加，大粒徑碎石之間的空隙得到填充，級配碎石混合料的密度增大，試件整體的抗剪、抗壓能力增強，CBR值增大。此外通過9.5 mm和4.75 mm篩孔通過率對CBR值的影響曲線，可知，粒徑為4.75～9.5 mm的集料對大粒徑級配碎石混合料抗剪性能有著重要影響，當這檔集料的含量過多時，會對級配碎石的骨架形成干涉，影響大粒徑集料間的嵌擠效果，從而導致CBR值減小。

由圖3可知，細集料含量對大粒徑級配碎石混合料的CBR值有顯著影響。隨著貝雷參數的FAc、FAf值的增大，CBR值先增大后減小，兩者與CBR值的相關性良好，當R2＞0.7，其中FAc在0.5～0.6、FAf在0.55～0.65時，CBR值較好。細集料在大粒徑級配碎石混合料中主要起填充作用，隨著細集料含量的增加，碎石混合料更加密實，能夠使其抗剪、抗壓能力得到進一步加強，而過多的細集料含量則會形成干涉效果。故控制好細集料的含量對大粒徑級配碎石的抗剪、抗壓性能有著重要影響。

由圖4可知，壓實密度與CBR值密切相關，提高大粒徑級配碎石的壓實密度，能夠有效地增加CBR值。由壓實密度和CBR值兩者的相關性可知，級配碎石的壓實密度亦受篩孔通過率和細集料含量的影響，合理的篩孔通過率和細集料含量能夠有效地減小集料之間的空隙。此外、壓實密度與工程中的壓實工藝也密切相關，故提升壓實工藝，對大粒徑級配碎石混合料抗剪、抗壓和長期穩定性有著重要影響。

3 結語

（1）推薦I1為0.65～0.70、I2為0.7～0.75的“變I法”級配設計，在該范圍下，能得到骨架嵌擠效果好、集料空隙密實度高的級配。

（2）當9.5 mm篩孔通過率控制在35%～45%、4.75篩孔通過率控制在30%～40%時，大粒徑級配碎石的力學性能最佳。通過對比9.5 mm和4.75 mm篩孔通過率對CBR的影響，發現粒徑為4.75～9.5 mm的集料含量對大粒徑級配碎石力學性能有著顯著影響。

（3）當貝雷參數FAc在0.5～0.6、FAf在0.55～0.65時，CBR值較好。

（4）壓實密度與CBR呈線性正相關，通過控制關鍵篩孔通過率、細集料含量以及壓實工藝提升壓實密度，從而提升大粒徑級配碎石的力學性能。

參考文獻：

［1］張 俊.級配碎石基層原材料與路面結構設計［J］.公路，2013，58（12）：53-55.

［2］王豐勝.影響級配碎石模量的結構因素敏感性分析［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2009，32（9）：1 414-1 417.

［3］康興祥，馬 骉，李 寧，等.級配碎石變形特性的試驗［J］.江蘇大學學報（自然科學版），2022，43（1）：101-106.

［4］高世君，韓微微，韓 森.不同成型方法對級配碎石物理性能影響研究［J］.路基工程，2009（4）：42-44.

［5］常艷婷，陳忠達，張 震，等.不同成型方法級配碎石的抗變形性能［J］.武漢大學學報（工學版），2017，50（2）：251-256.

［6］Monismith C L，Ogawa N，Freeme C R.Permanent deformation characteristics of subgrade soils due to repeated loading［C］.54th Annual Meeting of the Transportation Research Board，Washington District of Columbia，1975.

［7］Wichtmann T，Rondón H A，Niemunis A，et al.Prediction of permanent deformations in pavements using a high-cycle accumulation model［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2010，136（5）：728-740.

［8］Xiao J H，Zhang D，Wei K，et al.Shakedown behaviors of railway ballast under cyclic loading［J］.Construction and Building Materials，2017（155）：1 206-1 214.

［9］史新杰.大粒徑碎石路基施工技術及檢測方法研究［D］.天津：河北工業大學，2014.

［10］師暉軍.大粒徑級配碎石在舊水泥路面改建中的應用技術研究［J］.中外公路，2009，29（5）：243-245.

［11］趙 薦，王江平，祝建華.大粒徑級配碎石柔性基層之應用研究［C］.中國公路學會2007年學術年會，2007.

［12］索 智，查 偉，聶 磊，等.超大粒徑級配碎石在瀝青路面基層中的應用研究［J］.公路，2022，67（4）：35-40.

［13］王 靜.大粒徑級配碎石混合料離析控制［J］.唐山學院學報，2009，22（3）：39-41.

［14］譚 波，楊 濤.大粒徑級配碎石在循環旋轉軸壓下的變形規律分析［J］.公路交通科技，2021，38（11）：19-27.

［15］江羽習，張瑞富，梁松林，等.大粒徑級配碎石在旋轉軸壓下永久變形規律分析［J/OL］.桂林理工大學學報，2022：1-9.

［16］丁明強.大粒徑碎石路基填料室內振動壓實原理及試驗結果分析［J］.北方交通，2017（8）：72-74.[HJ1.6mm]

［17］譚 波，郭志國，倪秋奕.花崗巖大粒徑級配碎石力學性能研究［J］.中外公路，2020，40（1）：229-234.

［18］譚 波，楊 濤.基于振動旋轉壓實制樣方式骨架密實型大粒徑級配碎石性能研究［J］.中外公路，2022，42（5）：161-167.

［19］彭 波.基于變i法理論的級配組成設計方法［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2005（5）：751-754.

［20］劉艷飛.“變I法”在開級配大粒徑瀝青碎石級配設計中的應用［J］.公路交通技術，2010（3）：21-24.

［21］劉 寶，蘇 謙，PHAM Duc Phong，等.不同含水狀態級配碎石臨界動應力及變形規律研究［J］.鐵道學報，2016，38（6）：100-107.

作者簡介：黃紹祥（1978—），工程師，主要從事公路工程工作。