道路級配碎石正交異性及壓實特性研究

摘 要：為了研究級配碎石的正交特性及其壓實效果，采用不同的擊實方法和擊實功對道路用級配碎石進行擊實成型，研究擊實方法和擊實功對級配碎石正交異性的影響，并進行了壓實仿真分析。結(jié)果表明，沖擊擊實成型的試件干密度略低于旋轉(zhuǎn)壓實；增加擊實功會同時增大級配碎石的干密度和正交異性；擊實方式和擊實功共同影響級配碎石的正交異性程度：旋轉(zhuǎn)壓實在低擊實功下成型的試件正交異性更顯著，而沖擊擊實在高擊實功下成型的試件正交異性更顯著；確定了級配碎石層的最佳壓實參數(shù)。成果可為級配碎石的材料性能研究及工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：道路工程 級配碎石 正交異性 擊實功

1 工程背景

在公路工程中，優(yōu)質(zhì)且級配合理的碎石或礫石機械攤鋪、碾壓后，級配碎石將從初始的松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軤顟B(tài)。級配碎石不僅能夠分散荷載、提高路基承載能力、改善差異沉降，還具有保溫隔熱、減振耗能以及防凍排水等功能，適用于道路基層、底基層及路基的剛度補償和模量過渡[1-2]；在寒冷季節(jié)性冰凍地區(qū)和濕熱多雨地區(qū)的特殊環(huán)境中，級配碎石對于道路路結(jié)構(gòu)設(shè)施的穩(wěn)定性尤為重要。研究表明，級配碎石的力學性能表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力依賴性和正交異性[2-5]，與瀝青或水泥穩(wěn)定類材料相比，級配碎石的動態(tài)回彈模量及泊松比在不同的應(yīng)力狀態(tài)、不同應(yīng)力方向上都存在差異。級配碎石經(jīng)過外力的擊實作用，能夠形成強度高、抗變形性好的級配碎石層，這種擊實過程的本質(zhì)，就是顆粒在外力作用下移位、旋轉(zhuǎn)形成顆粒間的接觸和嵌鎖 [2， 6]。級配碎石的顆粒分布排列與荷載大小及荷載模式都有關(guān)系，擊實方法的選取和擊實功的大小都會影響顆粒排列。而級配碎石的正交異性與其結(jié)構(gòu)層的剪脹行為和殘余應(yīng)力有密切關(guān)系，并會對其結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)產(chǎn)生較大影響[7-8]。因此，需要深入研究級配碎石在不同擊實方法和擊實功條件下的正交異性。

本文采用兩種擊實方法以及兩種擊實功，對兩種路用級配碎石進行擊實試驗，研究級配碎石在不同擊實方法和擊實功下的正交異性，成果可為道路級配碎石的材料性能研究和級配碎石層結(jié)構(gòu)力學分析提供參考。

2 原材料

選用道路工程常用的石灰?guī)r碎石，級配如圖1所示。分別采用沖擊擊實法和旋轉(zhuǎn)壓實法成型試件，以考察擊實方法的影響；針對每一種擊實方法，使用2個擊實等級，以考察擊實功的影響。

3 擊實參數(shù)及試件成型

采用高度為300mm、直徑為150mm的圓柱形試樣進行旋轉(zhuǎn)壓實；擊實參數(shù)為接觸壓力275 kPa，傾角3o，轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/分鐘，擊實時間60秒[9]。沖擊擊實參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020，T0131）[10]進行試驗，將4.5kg的落錘從45cm的高度自由下落進行沖擊擊實，擊實次數(shù)為50次/50mm。為了研究不同擊實功對級配碎石各向異性的影響，兩種方法都設(shè)置了低擊實功對照組，具體參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)壓實使用137kPa的接觸壓力、3o的傾角和45s的擊實時間；沖擊擊實的擊實次數(shù)降至25次/50mm。不同擊實方法和不同擊實功條件下測得成型試件的含水率和干密度如表1所示。從表1可知，由于旋轉(zhuǎn)壓實的搓揉效果，旋轉(zhuǎn)壓實成型的試件干密度略大于沖擊擊實成型的試件。試件的干密度與擊實功呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著擊實功的增加而增加。

4 級配碎石正交異性分析

對成型試件進行改進的動態(tài)回彈模量試驗[1]。由于級配碎石具有應(yīng)力依賴性，因此提取了三種不同應(yīng)力水平下碎石的垂直和水平向模量值，并計算正交異性系數(shù)α2：α2 =Ehh/Evh ，α=μhh/μvh[1]。如圖2所示。三個應(yīng)力水平分別為：低應(yīng)力水平：40kPa圍壓+30kPa偏應(yīng)力；中等應(yīng)力水平：100kPa圍壓+70kPa偏應(yīng)力；高應(yīng)力水平：120kPa圍壓+130kPa偏應(yīng)力。

總體而言，兩種擊實方法成型的碎石和礫石的垂直回彈模量Evh值均大于水平回彈模量Ehh值，即通過兩種擊實方法成型的級配碎石均表現(xiàn)出顯著的正交異性。本文使用的級配碎石正交異性系數(shù)范圍大致在0.4～0.73。級配碎石的正交異性程度隨著擊實功的增大而逐漸增大（正交異性系數(shù)α2逐漸減小）。與低壓擊實相比，高壓擊實成型試件的正交異性程度在旋轉(zhuǎn)壓實成型時增加了約15%-64%，而沖擊擊實成型試件的正交異性程度增加了約35%-110%。這是因為，增加擊實功，盡管顆粒的動態(tài)回彈模量在垂直和水平方向上都有所增加，但回彈模量在豎直方向上的增幅更大。不同擊實方法下，級配碎石正交異性也不同：在低擊實力下，旋轉(zhuǎn)壓實成型的α2值小于沖擊擊實成型，但在高擊實力時，沖擊擊實成型的α2值更小。因此，擊實方法和擊實功的綜合作用影響了級配碎石的正交異性程度，其中“沖擊擊實+高擊實功”的級配碎石正交異性最大。

5 級配碎石的壓實數(shù)值仿真

振動壓實法是普遍采用并能保證填石路堤質(zhì)量的施工方法。采用數(shù)值方法對填石路堤的振動壓實過程進行數(shù)值模擬：所建立的填石路基數(shù)值模型長為20m、高為10m；振動輪直徑為1.6m，將振動輪與路基的接觸面視作矩形，沿行駛方向的長度為0.2m。填石路基模型采用CPS4R單元模擬，共4664個單元。路基填料和振動輪采用彈性本構(gòu)模型模擬，其物理力學參數(shù)如表2所示。振動輪與路基表面之間采用摩擦型接觸，摩擦系數(shù)為0.1，且接觸面只可傳遞壓力而不能傳遞拉力。

為了定量分析激振力、振動頻率和行駛速度等對填石路堤壓實效果的影響，將以上3種參數(shù)各取2種常用水平，按不同參數(shù)與水平組合設(shè)計8種壓實工況（見表3）進行數(shù)值模擬。

圖3為振動壓實時路基的豎向應(yīng)力云圖和豎向位移云圖示意圖。可以看出，路基表面一定深度范圍內(nèi)的填料受到振動輪的明顯沖擊作用，豎向應(yīng)力明顯增加，導致振動輪周圍土體發(fā)生顯著沉降，表明路基填料被有效壓實。以路基最大壓應(yīng)力、有效壓實深度以及路表沉降為指標對填石路堤的單次壓實效果進行評價，結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。分析可知，增大振動輪激振力可以有效增大路基填料的最大壓應(yīng)力和路表沉降，但對有效壓實深度的影響較小；當振動頻率由26Hz增大至32Hz，路基填料的最大壓應(yīng)力、有效壓實深度和路表沉降均顯著下降；當壓路機行駛速度由2km/h增大至4km/h，路基填料的最大壓應(yīng)力和有效壓實深度略有減小，這是因為行駛速度越快，振動輪的作用次數(shù)越少，路基填料的壓實不夠充分。通過以上對比分析，發(fā)現(xiàn)工況5、工況6壓實效果良好，它們的共同特點是激振力為420kN和振動頻率為26Hz。考慮到相比于2km/h行駛速度，4km/h行駛速度可以顯著提高施工效率，因此推薦采用工況6。

6 結(jié)語

本文開展了不同擊實方法和擊實功下級配碎石的動態(tài)回彈力學試驗研究，發(fā)現(xiàn)擊實方式和擊實功共同影響級配碎石的正交異性：

（1）級配碎石的正交異性特性普遍存在，豎向和水平向的動態(tài)回彈模量之間存在差異，表現(xiàn)為豎向回彈模量Evh值大于水平向回彈模量Ehh值。

（2）旋轉(zhuǎn)壓實成型的試件干密度略大于沖擊擊實成型的試件；增加擊實功增加了試件擊實度，同時也增大了級配碎石的正交異性程度。

（3）在低擊實功下，旋轉(zhuǎn)壓實成型的級配碎石正交異性更明顯；高擊實功下，沖擊擊實成型的級配碎石正交異性更加顯著，“沖擊+高擊實功”的擊實組合成型的級配碎石正交異性最大。

（4）對級配碎石的壓實工程進行了數(shù)值仿真模擬，確定了最佳的壓實參數(shù)為激振力420kN+頻率26Hz+行駛速率4km/h。

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