級配碎石力學特性試驗研究

余 鑫

0 引言

級配碎石材料由于其廉價、施工方便等優點一直在公路建設中發揮著重要作用。我國廣泛采用半剛性基層瀝青路面結構為我國公路事業的發展做出了巨大貢獻。但是多年來許多瀝青路面發生的嚴重早期破壞,促使人們對該結構進行重新認識。經過多年的經驗總結,人們發現半剛性基層在其優點的背后,也有不少缺點,而在半剛性基層與瀝青面層之間鋪設級配碎石過渡層,這種“上柔下剛”的結構組合既發揮了半剛性基層瀝青路面高強度的優點,又在很大程度上克服了半剛性路面的缺點。美國、澳大利亞以及南非等國將優質的級配碎石用于半剛性基層與瀝青面層之間,作為減少瀝青路面反射裂縫的措施,取得了良好的效果[1]。本文進行級配碎石的CBR試驗、重復動態回彈模量試驗,研究了級配碎石的力學特性,通過對試驗結果及影響因素的分析,力求為級配碎石組成設計提供相關依據。

1 最佳含水量、最大干密度試驗及結果分析

1.1 試驗方法

根據JTJ-93公路土工試驗規程粗粒土和巨粒土最大干密度試驗的振動臺法,選用9組級配,其中n為級配指數。將9組級配每組準備5份配料,按含水量依次增加0.5%振動成型,最后得出的各級配的最佳含水量和最大干密度見表1。

表1 連續密級配最佳含水量和最大干密度試驗結果

1.2 試驗結果分析

根據表1中有關數據,繪制最大干密度與級配指數n值、級配最大粒徑Dmax的關系圖,見圖1,圖 2。

1)在 n值相同的情況下,級配碎石最大干密度隨最大粒徑的增大呈拋物線趨勢變化,存在最佳最大粒徑,即為31.5mm。

2)n值的變化對級配碎石最大干密度的影響程度要大于級配最大粒徑Dmax變化對最大干密度的影響。

2 連續級配碎石CBR試驗與結果分析

加州承載比(California Bearing Ratio縮寫為CBR)是最早由美國加利福利亞州公路局提出的評價土基和路面材料承載能力的指標,CBR是表征級配碎石承載力及抗變形能力的重要指標,級配碎石本身的級配是決定其CBR值的最主要因素。

2.1 試樣準備

根據JTJ-93公路土工試驗規程承載比(CBR)試驗方法,依然選用9種級配分別進行CBR試驗,每個級配平行試驗5次,分別在最佳含水量下振動成型,浸泡96 h后測試各自的CBR值,試驗結果見表2,繪制 CBR與n值、Dmax的關系圖,見圖3,圖4。

表2 級配碎石CBR試驗結果 %

2.2 試驗結果分析

1)n值變化對CBR值影響規律分析。由圖3可知,當級配最大粒徑Dmax較小時,CBR值受n值的變化影響較小;而Dmax較大時,CBR值受n值影響明顯,尤其是n值大于0.50后,CBR值衰減非常明顯。因此,就CBR值而言,級配碎石的n值應控制在0.50以下,且 Dmax越大,控制應越嚴格。

2)級配最大粒徑Dmax變化對CBR值影響規律分析。由圖4可知,級配最大粒徑對級配碎石CBR值有明顯影響,且n值小于0.50和最大粒徑小于31.5mm時,這種影響較顯著。因此,級配碎石n值應控制在0.50以下,級配最大粒徑Dmax宜選擇 31.5mm,進一步增大顆粒對提高CBR值的效果不太明顯,且不利于施工。

3 級配碎石重復動態回彈模量試驗研究

3.1 試驗原理與方法

1)試驗原理。

重復動三軸試驗(Repeated Load Tri-axial Tests)是利用動態三軸儀測定級配碎石在側壓力和豎向重復動應力作用下的彈性模量,其原理見圖5。

級配碎石試樣在壓力室中承受側向應力σ3和豎向重復動應力σ1,側向應力σ3可通過對充滿在壓力室的硅油施加壓力而取得,重復動應力σ1可通過重復加載傳動器施加,加載波形可以為半正弦波、三角形波、矩形波等。通過儀器測得試驗在側向應力σ3和豎向重復動應力σ1作用下的穩定瞬時回彈應變 εr,則在此應力狀態下的動態回彈模量為[4]:

其中,σd為反復作用的動偏應力,σd=σ1-σ3;εr為穩定瞬時回彈應變;Mr為回彈模量。

2)試驗方法。

試驗將進行兩組級配的回彈模量試驗,一組級配是L31.5b,在其最佳含水量、最佳含水量±2%下分別成型一個試件,要求擊實到最大密實度;一組級配為通過本次試驗的推薦級配,即試驗級配3,要求在其最佳含水量下擊實至最大密實度。通過對推薦級配的三軸試驗,可以驗證級配的合理性;將推薦級配和級配L31.5b的三軸試驗結果分析,可以得到級配碎石非線性特性的有關參數,以及含水量、密實度對級配碎石動態回彈模量的影響規律。

3.2 試驗結果分析

根據前面所介紹的試驗方法和MTS采集的數據,計算出每個試件在不同的應力下的應變εr,得出每個應力狀態下的回彈模量 Mr。把4個試件各自的Mr按表征級配碎石非線性公式Mr=K1θk2進行數據回歸,結果如表3所示。

表3 級配碎石動三軸試驗結果

1)從試驗結果可知,隨著含水量的增加,K1,K2分別呈減小和增加的趨勢,從回彈模量具體大小來看,當含水量小于最佳含水量時,試件成型不能達到最密實狀態,回彈模量值不如最佳含水量時的大,此時的K1較大、K2較小;隨著含水量的增大至最佳含水量,顆粒之間相互擠密嵌擠,試件成型達到最佳效果,試件的動彈回彈模量最大,就此時K1與K2的值來說,K1減小的效果被K2的增大彌補,表現為整體回彈模量的值在增大;含水量達到最佳含水量后繼續增大時,這時試件中多余的水將起到一個潤滑劑的作用,并形成一層水膜,使集料顆粒在外力的作用下容易滑動,最終引起回彈模量值的下降。

2)級配碎石上基層回彈模量的取值。由于級配碎石回彈模量具有非常明顯的非線性特性,因此對于處于不同應力狀態下的級配碎石層的回彈模量是不一樣的[4]。當級配碎石作半剛性瀝青路面的上基層時,級配碎石處于三向受壓的應力狀態,回彈模量值將較高。根據彈性層狀理論分析,級配碎石作上基層時,側壓力在 20 kPa～120 kPa,豎向壓應力在 120 kPa～600 kPa,由本試驗得出的級配碎石回彈模量計算模型可計算出回彈模量大致在284MPa～527MPa之間,比規范中級配碎石作上基層所推薦的模量要高。

3)表征級配碎石非線性特性的K1,K2存在著較好的線性關系,據此可以將表達式 Mr=K1θk2修正為只含一個變量的表達式,Mr=(51180-73908K2)θk2。

4 結語

1)通過級配碎石的最佳含水量、最大干密度試驗,n值的變化對級配碎石最大干密度的影響程度要大于級配最大粒徑Dmax變化對最大干密度的影響。級配碎石形成密實結構不僅與粗細顆粒的相對含量有關,還存在最大尺寸效應,級配中最大粒徑偏大與偏小都不易形成密實結構,在n值相同的情況下,存在最佳最大粒徑,即為31.5mm。

2)通過連續密級配碎石CBR試驗,影響連續級配碎石CBR值的因素主要包括兩個方面:a.n值的大小,其值應不大于0.50;b.最大粒徑 Dmax,試驗表明 Dmax以 31.5mm為最佳。當 n處于0.45～0.50之間,Dmax為31.5mm時,連續級配具有較大干密度。

3)通過級配碎石重復動態回彈模量試驗,對于具有合理級配的花崗巖級配碎石,當含水量在5.2%～5.6%之間變化,密實度大于98%,試件直徑為 100mm,采用 Mr=K1θk2進行數據回歸時,一般取 K1=15934,K2=0.5312。

[1]袁 峻.級配碎石基層性能與設計方法的研究[D].南京:東南大學,2005.

[2]王 龍,解曉光,馮德成.級配碎石材料強度及塑性變形特性[J].哈爾濱工業大學學報,2007,39(6):944-947.

[4]魯華征.級配碎石設計方法研究[D].西安:長安大學,2006.