路面基層級(jí)配碎石填料永久變形特性試驗(yàn)研究

蔣 旭

(中交第三公路工程局有限公司第四工程分公司，重慶 404100)

1 研究背景

當(dāng)前國內(nèi)廣泛采用的瀝青路面基層結(jié)構(gòu)型式仍以半剛性基層為主，然而半剛性基層瀝青路面服役期間易出現(xiàn)各類病害，主要包括基層的收縮開裂導(dǎo)致的瀝青路面滲水，水的入滲可加劇路面各類病害的嚴(yán)重程度；排水性能不佳的半剛性基層容易在行車荷載重復(fù)作用下引發(fā)翻漿冒泥等病害，造成路面破壞并危及行車安全；半剛性基層在高周頻次重復(fù)車輛荷載作用下還容易發(fā)生疲勞破壞，而半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了這類基層的維修難度大、成本高。

為克服半剛性基層路面病害問題，同時(shí)也為了拓寬國內(nèi)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇，越來越多的國內(nèi)研究者[1-2]開始重視在國外道路路面基層與底基層中普遍采用的級(jí)配碎石柔性基層。作為散粒體材料，級(jí)配碎石擁有良好的排水能力，能夠避免由動(dòng)水壓力引起的路面病害。此外，級(jí)配碎石基層具有良好的耐久性、溫濕度引起的體積變化穩(wěn)定性和養(yǎng)護(hù)維修的便易性等優(yōu)勢(shì)。

級(jí)配碎石基層和底基層在行車荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的累積塑性變形是制約其在道路工程中應(yīng)用的主要因素，也是柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用的結(jié)構(gòu)性破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前國內(nèi)對(duì)級(jí)配碎石材料的動(dòng)力特性研究還十分匱乏，基層設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)之間往往存在較大的偏差，因此，有必要針對(duì)級(jí)配碎石在高周頻次重復(fù)荷載作用下的累積塑性變形特性展開深入研究。

本文首先針對(duì)用于基層和底基層的級(jí)配碎石填料開展了靜三軸剪切試驗(yàn)，從而獲取材料的抗剪強(qiáng)度和靜力破壞強(qiáng)度包絡(luò)線。隨后以最小平均主應(yīng)力pmin和偏應(yīng)力幅值qmax作為試驗(yàn)變量，開展了一系列重復(fù)加載動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究試樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下的軸向累積塑性應(yīng)變規(guī)律。

2 三軸剪切試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的材料來自柔性路面常用的級(jí)配碎石，其中基層材料為機(jī)制石灰?guī)r礫石，底基層材料為人工篩選碎石。兩種級(jí)配碎石材料的基本物理指標(biāo)值如表1所示。

表1 基層和底基層級(jí)配碎石基本物理指標(biāo)值

2.2 試樣制作與試驗(yàn)儀器

靜態(tài)三軸試驗(yàn)采用直徑和高度分別為150 mm和300 mm的圓柱體試件，重復(fù)加載動(dòng)三軸試驗(yàn)采用直徑和高度均為150 mm的試件。試樣制作過程參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[3]中相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行。

試驗(yàn)采用自主研制的重復(fù)加載動(dòng)三軸儀，該儀器具備進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力路徑下重復(fù)加載三軸試驗(yàn)的功能。

3 靜三軸剪切試驗(yàn)

由于級(jí)配碎石的抗剪強(qiáng)度特性幾乎不受加載路徑和加載速率等的影響，因此可以通過靜力加載破壞性試驗(yàn)獲取級(jí)配碎石的破壞強(qiáng)度包絡(luò)線。為此，分別在34.5、69.0、103.5 kPa圍壓下對(duì)相同條件的試樣進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)，根據(jù)試樣破壞時(shí)的峰值偏應(yīng)力值繪制抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。聯(lián)立解算得到級(jí)配碎石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，基層與底基層的似粘聚力分別為132.3、182.0 kPa，兩者內(nèi)摩擦角分別為61.7°、43.9°。

4 動(dòng)三軸剪切試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理與方案

對(duì)于級(jí)配碎石基層或底基層中的任意單元體而言，除了承受自重應(yīng)力等短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化的應(yīng)力，還會(huì)由于行車移動(dòng)荷載的作用而承受周期變化的附加應(yīng)力，即單元體各項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)的量值與方向發(fā)生周期變化。這意味著級(jí)配碎石基層或底基層單元體所受應(yīng)力分量包含了靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力的成分。

動(dòng)三軸試驗(yàn)的試樣應(yīng)力狀態(tài)參量中，最小偏應(yīng)力qmin和最小平均主應(yīng)力pmin反映了由重力引起的土單元靜應(yīng)力成分；偏應(yīng)力幅值Δq和平均主應(yīng)力幅值Δp反映了由移動(dòng)行車荷載引起的土單元?jiǎng)討?yīng)力成分。

為探究試樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下的軸向累積塑性應(yīng)變規(guī)律，本文以最小平均主應(yīng)力pmin和偏應(yīng)力幅值qmax作為試驗(yàn)變量，開展了一系列重復(fù)加載動(dòng)三軸試驗(yàn)。其中，偏應(yīng)力施加方式為半正弦波形的軸向循環(huán)荷載，波形周期為0.1 s，相鄰波之間的間隔休止期為0.9 s。試驗(yàn)計(jì)劃如表2所示，其中應(yīng)力路徑長度L由式(1)給出：

(1)

表2 常圍壓動(dòng)三軸試驗(yàn)加載方案

應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)中，應(yīng)力路徑坡度m和應(yīng)力路徑長度L反映了動(dòng)態(tài)加載過程中的加載應(yīng)力路徑。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)三軸試驗(yàn)條件下基層和底基層級(jí)配碎石填料試樣的軸向累積塑性應(yīng)變隨循環(huán)加載次數(shù)變化曲線分別如圖1～2所示。其中，圖1～2右上角圖例的數(shù)值分別代表了圍壓σ3(kPa)和軸向動(dòng)偏應(yīng)力幅值σ1d(kPa)。動(dòng)三軸試驗(yàn)的循環(huán)加載次數(shù)均為10 000次。試驗(yàn)過程中由于部分試樣意外破壞，因此，表2～3中所列出的試驗(yàn)計(jì)劃中有部分未能獲取有效數(shù)據(jù)。

圖1 基層級(jí)配碎石軸向累積塑性應(yīng)變

圖2 底基層級(jí)配碎石軸向累積塑性應(yīng)變

由圖1～2可見，隨著圍壓σ3的減少、軸向偏應(yīng)力Δq的增加，軸向累積塑性應(yīng)變值及其累積速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

4.3 安定狀態(tài)分析

以級(jí)配碎石為代表的散粒體材料永久變形發(fā)展趨勢(shì)可劃分為塑性安定(A區(qū))、塑性蠕變(B區(qū))和增量破壞(C區(qū))這三類動(dòng)力行為類型。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的安定狀態(tài)判定準(zhǔn)則以第3 000次和第5 000次循環(huán)加載時(shí)的軸向累積塑性應(yīng)變值之差Δεapw作為動(dòng)力行為類型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如下所示：

A區(qū)：Δεapw<4.5×10-5

B區(qū)：4.5×10-5<Δεapw<4.0×10-4

C區(qū)：Δεapw>4.0×10-4

Δεapw=Δεap,5000-Δεap,3000，其中，Δεap,3000和Δεap,5000分別表示第3 000次和第5 000次循環(huán)加載時(shí)的軸向累積塑性應(yīng)變值。

根據(jù)這一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到本次循環(huán)加載試驗(yàn)中各試樣第3 000次和第5 000次循環(huán)加載時(shí)的軸向累積塑性應(yīng)變值之差，并據(jù)此判定其安定狀態(tài)分區(qū)情況，如表3所示。

表3 動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果的安定狀態(tài)分區(qū)

如前所述，常圍壓循環(huán)加載試驗(yàn)中以最小平均主應(yīng)力pmin和動(dòng)偏應(yīng)力幅值qmax作為試驗(yàn)變量，因此，在建立散體材料安定狀態(tài)判定參數(shù)值的預(yù)測(cè)模型時(shí)，除了需充分考慮變圍壓循環(huán)加載條件下試樣的應(yīng)力狀態(tài)，仍需包括常圍壓條件下的相應(yīng)變量。

基于上述考慮提出預(yù)測(cè)模型如式(2)所示：

Δεapw=A×(Pmin)B×(qmin)C

(2)

式中，pmin和qmax分別為最小平均主應(yīng)力、偏應(yīng)力幅值；A、B和C均為回歸系數(shù)。

利用式(2)擬合所求Δεapw值及其相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)，得到基層和底基層級(jí)配碎石材料的回歸系數(shù)如表4所示。

表4 基層和底基層級(jí)配碎石材料擬合回歸系數(shù)

表4中擬合確定系數(shù)R2值反映了式(2)擬合效果良好?；貧w系數(shù)值反映了最小平均主應(yīng)力pmin與Δεapw值呈負(fù)相關(guān)；偏應(yīng)力幅值qmax與1/as值呈正相關(guān)。這表明pmin的增加使得輪載重復(fù)作用下級(jí)配碎石永久變形行為在一定程度上趨于安定，而qmax的增加則導(dǎo)致相應(yīng)的永久變形行為趨于加速增長。

5 結(jié)束語

在以最小平均主應(yīng)力和pmin偏應(yīng)力幅值qmax作為試驗(yàn)變量開展的一系列基層和底基層級(jí)配碎石動(dòng)三軸試驗(yàn)中，驗(yàn)證了pmin的增加使得輪載重復(fù)作用下級(jí)配碎石永久變形行為在一定程度上趨于安定，而qmax的增加則導(dǎo)致相應(yīng)的永久變形行為趨于加速增長。研究成果可為國內(nèi)級(jí)配碎石基層和底基層在行車荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的累積塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立提供有益的參考。

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