級配碎石瀝青路面倒裝結構的評價與應用研究

羅群星，繆樹民，楊 康

(1.貴州省凱里公路管理局，貴州 凱里 556000; 2.重慶交通大學，重慶 400074)

1 概述

近些年來，隨著國家公路網建設不斷完善，我國干線公路的里程數明顯增加，這些公路中，半剛性基層瀝青路面占比最大，相比于其他瀝青路面結構，半剛性基層瀝青路面具有較高的強度、剛度及承載能力，更能適應重交通的發展需求。然而，隨著建設年限及應用的增加，半剛性基層瀝青路面自身的缺陷逐漸暴露。半剛性基層透水性差容易產生路面唧漿等關聯性損壞；材料收縮開裂引起面層反射裂縫出現；基層與面層的結合薄弱造成流動性車轍；維修養護的性價比低等。其中，反射裂縫的問題更為困擾[1-2]。如何避免由于半剛性材料收縮開裂引起瀝青路面反射裂縫至今是研究的熱點。

直至價格較低、施工便利的級配碎石引起大眾的注意，提出了級配碎石層放置在瀝青面層與半剛性基層之間的方法，證明能夠有效的減少反射裂縫的產生，這種夾層式結構被稱作級配碎石瀝青路面倒裝結構。級配碎石材料屬于粒料類，在較高壓實度下抗壓能力較大且無法承受拉應力，能夠消散應力，因此從根本上阻礙了反射裂縫產生的途徑[3]。

何兆益[4]對四種典型級配進行兩種成型方式的研究，結果表明振動成型的最大干密度和最佳含水率分別比擊實成型的增大3%～5%，5%～10%，CBR、彈性模量均較高，高密實度是材料高強度的必要措施；徐鷗明[5]通過大量的試驗，明確了風化石的室內振動壓實試驗方法；王龍[6]研究得到振動成型比擊實成型的最佳含水率平均高出1.0%，以16%作為臨界孔隙率判斷擊實成型是否產生大范圍的破碎作用，振動成型能夠生成良好的結構，塑性變形減少2倍；張永升、黃曉明等[7]研究了由變k法設計的混合料在不同成型方式下對比成型前后的混合料組成變化，結果表明振動成型幾乎不會擾動原始級配，擊實成型由于大顆粒集料的破碎導致細集料比例增多。

在國外，級配碎石基層或下基層的設計通常采用ASTM，AASHO等標準。A. Dawson和F.Lekarp[8]從最大剪應力比和應力路徑著手，提出了一種模擬粒料類材料永久變形的模型，得到一個極限應力比值，如果累計永久變形超過此極限，則無法保持平衡漸變失效；Sabine Werkmeister[9]進行的變形研究的對象是未處治粒料類材料。分析了影響道路永久變形行為的主要因素，基于三軸試驗，得到材料的本構模型，并借助有限元手段，建立了一個解析路面設計模型。

由于目前倒裝結構在我國的應用主要是鋪筑試驗路，且多應用于高速公路，目前尚未覆蓋二級及二級以下公路，且尚未大面積的建設投入使用，本文針對二級公路，提出三種級配碎石的級配設計，分別對其基本性能進行室內試驗研究。考慮到級配的變異性，本文通過級配細化的手段研究級配的變異性規律，基于室內試驗性能與路面性能相匹配的思路，為級配設計提供一個新的角度。并進行試驗段鋪筑，為二級公路重、中等、輕交通下的級配碎石瀝青路面典型倒裝結構和相關質量控制方法提供參考。

2 級配類型及類型分析

依據現有研究結果，混合料的密度是級配設計的首要考慮要素之一，會對混合料的性能產生重大影響，而級配設計是希望獲得碎石的組合密度最大。其中，目前常用的級配設計方法主要有泰勒法、多級嵌擠法、規范中值法[10]，本文分別依據三種方法進行級配設計，并用G1，G2，G3表示，其級配組成見表1，圖1。

表1 基于G1，G2，G3的級配擬合后通過率

基于泰勒法設計的級配G1中，31.5 mm～19.0 mm，4.75 mm～1.18 mm通過率接近規范推薦級配上限，說明此粒徑范圍內含量較少，G1屬于懸浮密實結構；基于多級嵌擠法設計的級配，4.75 mm～0.075 mm粒徑通過率接近推薦級配下限，4.75 mm～9.5 mm的集料含量偏多，粗集料含量達到了74.5%，G2屬于骨架空隙結構；基于推薦級配中值擬合的級配，粗集料含量達到62.3%，G3屬于骨架密實結構[11-14]。

3 室內試驗

3.1 最大干密度及最佳含水率

本文采用重型擊實試驗確定三種級配混合料的最佳含水率和最大干密度，繪制擊實曲線，確定建筑垃圾混合料的最優含水率w0和最大干密度ρd，試驗過程參考JTG E40—2007公路土工試驗規程T 0131—2007。結果如圖2所示。

由試驗曲線可以得知，三組級配的擊實曲線均呈現出：隨著含水率的增加干密度先增大后減小的趨勢，提取每條擬合曲線對應的最大值點的橫縱坐標，對應的橫坐標為該級配的最佳含水率，對應的縱坐標為該級配的最大干密度，見表2。表2中結果顯示，基于泰勒法設計的級配G1密實度最大，基于多級嵌擠法設計的級配G2的密實度較低。

表2 G1，G2，G3擊實試驗結果

3.2 CBR試驗

加州承載比CBR(California Bearing Ratio)是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法，可用于表征集料的強度，CBR試驗使用主機是北京生產的路面材料強度試驗儀，采用浙江省瑞安市東方測力設備廠生產的ES-60kN標準測力儀，以及量程為0 mm～10 mm的百分表。CBR值按式(1)計算:

CBR=p/ρs×100

(1)

其中，p為對應于某一貫入度的土基單位壓力,kPa;ρs為相應貫入度的標準壓力,kPa，實驗結果如表3所示。

表3 CBR試驗數據表

由實驗結果可知：試驗結束后，繪制橫坐標為單位壓力(p)，縱坐標為貫入量(l)的關系曲線，三組級配的試驗曲線圖見圖3，本試驗三種級配測得的CBR平均值見表3。JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術細則規定，級配碎石用作二級公路時CBR應大于120%，級配G1和級配G3滿足規范要求；基于泰勒法設計的級配G1比骨架型級配G2和G3的CBR值大。

3.3 動態三軸壓縮試驗

回彈模量是表示級配碎石層力學特性的重要指標，有關研究表明，回彈模量具有較強的應力依賴性，所以其取值應考慮其應力相關性[15]。本文以不同級配的三軸壓縮試驗結果為例，進行應力狀態與回彈模量的相關性研究。分析過程見圖4，圖5。

由圖4，圖5中顯示的規律可以看出：在圍壓和偏應力相同的情況下，不同級配的回彈模量值存在較大差異。級配G1的回彈模量值最大，骨架型級配的回彈模量較小，這是因為根據不同級配形成的試樣骨架特性和密實度不同，在相同的應力情況下，試樣的回彈變形量不同導致的；三組級配隨偏應力和體應力的變化規律相似。

回彈模量差距隨著圍壓的增加而變化，當圍壓達到140 kPa時，三組級配的回彈模量非常接近。因此，倒裝結構在應用時可以增加底基層的強度，增強級配碎石基層受到的偏應力約束，提高倒裝結構的回彈模量。

3.4 級配變異性試驗

集料在承受外力作用情況下會破碎，影響到集料的嵌擠效果，使得混合料的強度下降，且隨著擊實功作用變異程度會發生變化，故本文通過級配細化的手段研究級配的變異性規律，基于室內試驗性能與路面性能相匹配的思路，為級配設計提供一個新的角度。

由于材料擊實后粗集料可能發生破碎，此時測得的CBR值不能反映設計級配的承載能力，而是在原級配基礎上變化成為級配細化后的承載能力。因此，本文通過對不同級配進行持續的擊實做工，分析其在擊實前后相同粒徑的通過率變化情況，用于分析級配的變異性。不同擊實遍數下的級配變化曲線見圖6。

圖6中G(i)表示原始級配擊實i遍后的篩孔通過率，由圖可知：三組級配均會發生變異，但變異程度和變異的趨勢不同，G1級配的變化程度較為穩定；各級配隨著成型遍數的增加，級配間的細化程度逐漸減弱。細化速率降低可能有以下兩個原因：1)隨著級配細化的不斷發展，試件內可發生破碎的粗集料不斷減少，而細集料難以破碎，因此級配趨于穩定；2)試件內細集料含量的上升，緩沖了粗集料間的點接觸及點傳荷方式，削弱了應力集中現象，因此降低了級配細化速率。

通過相關室內試驗表明：級配G1，G2，G3的CBR值分別為230%，105%，121%，平均回彈模量分別為259 MPa，208 MPa，233 MPa；懸浮密實型級配G1的CBR和回彈模量比骨架型級配G2和G3大，級配優良使得混合料性能較優異，并且對不同級配進行持續的擊實做工發現G1的級配變異程度較為穩定。因此選取G1級配進行相關試驗段鋪筑研究。

4 試驗段工程

4.1 倒裝結構設計

G242錦屏大同至黎平高屯公路改擴建工程位于黔東南州錦屏縣與黎平縣境內，路線全長60.313 km，其中新建路基13.055 km，利用敖市街道1.06 km，利用老路拓寬改建46.198 km，老路利用率為78.3%，為了研究倒裝結構與半剛性基層瀝青路面結構的力學響應以及路用性能，提出兩種倒裝結構，共設計三種路面結構方案。分別為半剛性基層瀝青路面結構和級配碎石瀝青路面倒裝結構1，2，如表4所示。

表 4 試驗路瀝青路面結構

4.2 松鋪系數

施工過程中要結合試驗路集料的特性預設松鋪系數，不能隨意預設。預設的松鋪系數如果太大，會使得攤鋪的厚度超高，可能無法滿足設計要求且造成資源的浪費；預設的松鋪系數如果太小，則會使得攤鋪厚度偏小，影響施工質量，本試驗路初步確定按照松鋪系數1.20鋪設試驗段。按照規定布置測點的斷面和高程檢測點，本試驗路段施工前經過反復試驗，最終確定的松鋪系數為1.22。

4.3 壓實度控制

為了確定試驗路的最優碾壓工藝，在不同碾壓工藝組合的行車道上取點，本試驗路使用單鋼輪壓路機和膠輪壓路機型號分別為XG260和IXP301。

綜合各種因素分析共設置了三種不同的碾壓工藝，三種碾壓工藝主要在樁號K50+700～K51+000附近試驗，試驗段碾壓組合與壓實度關系及最終確定的碾壓組合如表5所示。

根據表5確定的最終碾壓工藝進行后續試驗路鋪設，施工過程中對試驗路其他路段按照規范要求進行壓實度檢測，檢測結果見表6。

表5 碾壓組合表

表6 壓實度檢測結果

經以上數據綜合分析，經試驗段鋪筑后，壓實度檢測結果均滿足基層施工規范要求，證明了試驗路所確定碾壓工藝的合理性。但是，由表6中數據可以發現，樁號K50+100，K50+250和K50+450比樁號為K50+650，K50+850的壓實度低，原因是因為試驗段設置倒裝結構1和倒裝結構2的結構層不同，級配碎石基層的厚度存在差異。

4.4 彎沉檢測

表7 彎沉檢測結果

傳統半剛性基層路面結構的彎沉平均值和代表值均比兩類倒裝結構彎沉要小，倒裝結構瀝青路面2的彎沉最大。因為倒裝結構在水穩層和面層之間設置了模量較低的級配碎石柔性基層作為防止反射裂縫的緩沖層。

5 結論

1)本文通過對G1，G2，G3三種不同級配的級配碎石進行室內試驗測得CBR值分別為230%，105%，121%，平均回彈模量分別為259 MPa，208 MPa，233 MPa，并且在相同的重復擊實做功下，級配G1變異程度較為穩定，綜合分析表明懸浮密實結構G1可以作為級配碎石倒裝結構中的碎石級配。

2)本文提出兩種級配碎石瀝青路面倒裝結構，并進行試驗段鋪筑，對施工中的碾壓過程提出參考，并對碎石層壓實度以及路面彎沉進行檢測，為二級公路重、中等、輕交通下的級配碎石瀝青路面典型倒裝結構和相關質量控制方法提供參考。