透水性级配碎石路基力学性能的直剪试验研究

周震，王萌，于群丁，郑可扬，肖源杰，陈晓斌

透水性级配碎石路基力学性能的直剪试验研究

周震1，王萌2，于群丁2，郑可扬2，肖源杰2，陈晓斌2

(1. 广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

透水性级配碎石路基(UPAB)由于其较高的孔隙率和渗透性开始被用于替代传统的密级配路基，并能够以经济环保的方式改善路基结构的排水性能，从而延长路基结构使用寿命。透水性级配碎石路基层多由开级配碎石集料组成，相较于传统的密级配碎石集料而言存在结构强度和力学稳定性欠佳等问题，开展级配优化对增强颗粒间的相互嵌挤咬合作用并形成荷载传递骨架结构至关重要。为验证一种可以增强透水性级配碎石路基结构强度的级配设计新方法，在规范范围内设计5个具有代表性的不同级配方案，开展击实及大型直剪等一系列室内试验，对比不同级配下透水性级配碎石路基材料的抗剪性能，并对试验前后的试样分别进行颗粒分析，探讨透水性级配碎石颗粒破碎规律及其影响因素。基于室内试验结果，确定并验证由级配设计新方法得出的最优级配设计。最优级配设计所对应的颗粒破碎程度也最低，可为透水性级配碎石基层的设计提供技术参考。

透水性级配碎石；路基；级配；直剪试验；剪切强度；渗透系数

对于水泥混凝土路面而言，混凝土板下方的路基层质量至关重要，除了满足所需的排水性和均匀性之外，还需要在混凝土板正常服役期乃至后期的养护维修作业中保持一定的结构强度和力学稳定性。如果路基层的刚度和抗剪强度较低，会导致重复交通荷载作用下路基层塑性变形不断发展，从而在混凝土板和下卧基层间出现脱空现象，增大混凝土板内部的弯曲应力和表面弯沉[1]。为了保证混凝土板的均匀支撑和变形可控，一个稳定的、不易侵蚀的、排水性好的路基层是必不可少的。目前已经开展了许多研究工作旨在改善路基结构内部的排水性能，例如采用渗透性较高的透水性路基(含水泥/沥青稳定碎石、无黏结级配碎石等)来提高排水效率[2−5]，然而截至目前很少有研究关注透水性路基的结构稳定性问题，在透水性(无黏结)级配碎石路基(UPAB)的结构分析和设计方面仍缺乏必要的理论指导和技术依据。Tutumluer等[6]在路基稳定性、刚度和渗透性等3个方面研究改进了美国明尼苏达州交通运输部(MnDOT)现行的级配和材料设计规范，在保证排水性能满足规范要求的同时，分别采取了3种不同的分析方法优化级配等设计参数，以确保路基刚度和稳定性尽可能最优化。上述3种不同的分析方法依次为最佳颗粒堆装法[7]、基于离散元的颗粒配位数(即颗粒与周围其他颗粒的接触数目)分析法[8]和基于概率分布的力学−经验路面设计(MEPDG)分析法[9]。肖源杰等[10]对比分析了现有的级配量化参数并基于最优颗粒堆装理论提出了“石砂比(G/S)”这一级配量化参数，发现该参数可有效地控制级配碎石抗剪强度。这一关键级配参数可以由Talbot方程[11]的2个变量(max和)推导得出，其中G/S为“石砂比”，p为通过筛孔直径的质量百分率，max为最大颗粒粒径以及为级配曲线的形状因子。该参数所用到的“石(gravel)”、“砂(sand)”的分类沿用Unified Soil Classification System (USCS)的定义而确定。因此，包括#4 (4.75 mm)和No. 200 (0.075 mm) 筛孔在内，所有筛孔尺寸及其所对应的累计通过百分率都被使用[7]。通过采用石砂比参数，他们还确定了足尺模型试验中新建水泥混凝土板下透水性级配碎石路基的最佳级配[6, 11]。通过采用基于颗粒真实几何形状的三维多面体颗粒单元离散元程序数值模拟，该方法得到进一步证实[7−8, 11]。离散元数值模拟结果表明石砂比可以用于规范所规定的典型级配范围内的集料级配设计优化，且前2种分析方法均得到石砂比的最优范围为1.4~1.6。Wilde等[9]通过MEPDG软件和级配碎石路基层回弹模量预测模型，得到石砂比的最优范围为0.8~1.4，这与前2种分析方法得到的结果相比偏小但仍相近。综上，上述3种确定最优级配的分析方法均认同对所研究的级配碎石而言#4(4.75 mm)筛孔为最重要的控制筛孔[6]。在透水性级配碎石路基的力学稳定性方面，考虑到其作为空隙率较大的松散颗粒材料，剪切破坏仍是重复交通荷载作用下所产生的主要破坏形式，故本文以透水性级配碎石的抗剪强度为主要研究对象，介绍了初期的室内大型直剪试验结果。首要目的是为了进一步证实前面提到的增强结构强度(或稳定性)的“石砂比”概念。本文根据UPAB的现行级配曲线范围，选用了5个不同的代表性级配，通过大型直剪试验仪研究不同的UPAB级配对抗剪强度的影响。但是，排水性能优化不在本文的讨论范围之内，故级配调整限定在满足排水性能要求的级配范围内进行。

1 试验材料与试验设计

1.1 试验材料

为了进一步证实上述“石砂比”这个级配概念，且为了与离散元数值模拟[7, 10]保持一致，本文选取5个不同的级配进行试验[8]。如图1所示，5个级配的“石砂比”分别为1.0，1.6，2.0和2.5，其中一组级配(max=16 mm且G/S=1.6)是为了研究最大颗粒粒径的影响，其余4组级配的最大颗粒粒径均为25 mm。图1中还绘制了目前规范里对应的级配曲线范围，由于计算出的该级配范围的最小石砂比为1.4，故石砂比为1.0的级配曲线在此范围外。试验选用我国高速公路普遍采用的压碎石灰岩集料，根据所选级配，试验第一步为碎石集料的筛分，为了去除常规干筛分过程中大颗粒上附着的粉料(通过0.075 mm筛孔)，试验过程中采用湿筛分。

图1 直剪试验所采用的5个不同级配

1.2 含水率—干密度关系曲线试验

根据规范[23]中的击实试验方法，对于每一种级配设计方案，由至少5个数据点构成的压实曲线上的峰值点代表该级配试样的最优含水率和最大干密度的值。同时，为了保证试验的可重复性和减小实验误差，每一种级配取2个平行试样并以其平均值作为最终试验结果。击实试验前后试样的级配变化可用于研究后续的颗粒破碎程度。

1.3 大型直剪试验

5种不同级配分别在各自的最优含水率状态下制样并进行大型直剪试验以测试其抗剪强度。大型直剪仪控制部分包括测控单元、伺服液压单元和荷载单元，可以模拟单调荷载或者加载频率为0~5 Hz的循环荷载。试验预设的主要参数包括：最大荷载为800 kN，荷载变化范围为最大荷载的1%~100%，精度水平为±0.5%，荷载增量为总荷载的1/180 000，位移范围为0~600 mm以及位移增量为0.001 mm[24]。另外，试验中大型直剪仪施加的单个荷载的偏差小于3%，符合规范[25]的要求。上剪切盒的几何尺寸为500 mm×500 mm×150 mm，下剪切盒的几何尺寸为500 mm×670 mm×150 mm。试验过程中，正应力施加于试样顶部的钢板，竖向变形由LVDT记录，剪应力在竖向变形稳定后施加于上剪切盒，剪切速率为1.0 mm/min，当切向位移达到75 mm时(约15%的切应变)，标志剪切过程结束。

对于每种设计级配，3个在最优含水率下制作的试样分别在100，250和350 kPa 3种正应力水平下进行剪切，以确定似黏聚力()和内摩擦角()。对于松散颗粒材料而言，似黏聚力实际上为颗粒互相交错镶嵌排列而产生的抗剪切阻力，也称镶嵌力或咬合力。试验中试样分6层装入剪切盒，每装一层，振捣密实后刮毛，再装填下一层，确保试样顶部平整。直剪试样制作过程中用重锤而不是气动振动压实仪击实，是为了避免由于水溅出而造成过多的水分损失及其对试样力学性质产生的副作用。此外，直剪试验结束后测定试样的级配，用于后续的颗粒破碎分析。

2 试验结果与讨论

2.1 含水率—干密度关系曲线试验结果

表1为室内击实试验得到的5种不同级配的最佳含水率和最大干密度结果。图2所示为最大干密度与石砂比的关系曲线。从中可以看出，堆积最密实的级配的“石砂比”值介于1.0和1.6之间，而最大干密度的峰值出现在“石砂比”为1.0处，并非1.6处(预期抗剪强度最大的“最优”级配)，可见最大密实度与最大抗剪强度之间并不具备完全的一致性。这也是目前研究者试图将抗剪强度或模量(而非密实度)作为级配碎石设计的主要评定标准的原因之一[21, 26]。

另外，尽管石砂比均为1.6，最大颗粒粒径为16 mm的级配对应的最大干密度值远小于最大颗粒粒径为25 mm的级配。这表明在其他条件保持不变时，最大颗粒粒径减小，对应级配的最大干密度也随之减小。由于本试验样本数相对较少，故该结论目前仍有待更多的试验进一步证实。

表1 最佳含水率和最大干密度值

图2 最大干密度与石砂比关系曲线

2.2 大型直剪试验结果

图3(a)和3(b)分别显示了石砂比为1.0和2.5的直剪试验试样，可以明显看出石砂比为2.5的级配粗骨料占的比例较大。

直剪试验结果可以采用界面剪切强度峰值、剪应力−水平位移关系曲线来表达。图4所示为直剪试验中5种不同级配试样在不同竖向荷载作用下剪应力−水平位移关系曲线。从中可以看出，各级配的试样在3个垂直压力下剪切力随水平剪切位移增大而增加，但并没有明显峰值，表现出明显的应变硬化特征，这与之前的粗粒土和级配碎石研究结果相吻合[18−21]。通过对比可以看出，石砂比为1.6时试样有最佳的剪应力−水平位移关系。除了级配的影响，图4(f)还显示了压实过程中试样的压实度对UPAB材料抗剪强度的影响。由于重锤击实只能达到约为85%的压实度，试验中特别增加了一个石砂比为2.5且压实度为90%的试样进行直剪试验。通过对比图4(d)和4(f)，试样压实度相对较小的增量(大约5%)使试样的抗剪性能显著增加，尤其是在较低的正应力水平下(如100 kPa)，这也表明增加压实度是增强透水性级配碎石抗剪强度的有力措施。

(a) G/S=1.0；(b) G/S=2.5.

通过-曲线形式表达的直剪仪试验结果可以获得剪切面的摩擦特性，计算出的摩尔−库伦抗剪强度参数即咬合力()和内摩擦角()见表2，图5分别绘制了不同正应力作用下剪切应力峰值随石砂比变化曲线图。

从图4可以看出，石砂比为1.6的级配不仅在3种正应力下均有最大的剪切应力峰值，而且有较好的抗剪强度参数，因此，试验结果进一步证实了采用“石砂比”这一级配参数进行级配设计优化可以增强UPAB材料强度(或结构稳定性)。此外，尽管石砂比值同为1.6，最大粒径为16 mm的级配在任何一个正应力下的剪切应力峰值均远远小于最大粒径为25 mm的级配，可以据此推断减小最大颗粒粒径会相应地降低UPAB材料抗剪强度。该结论基于本文有限的试验数据，与直观认识以及相关研究结论[27]相一致，但似乎与Lindly和Elsayed[28]的研究相矛盾(即最大颗粒尺寸与级配碎石基床材料的回弹模量和抗剪强度没有明显的关系)。因此，该结论仍需要更多的室内试验来进一步证实。

(a) G/S=1.0；(b) G/S=1.6；(c) G/S=2.0；(d) G/S=2.5； (e) G/S=1.6且Dmax=16 mm；(f) G/S=2.5且压实度为90%

表2 直剪试验得到的抗剪强度参数

2.3 颗粒破碎结果

级配碎石颗粒在高应力水平作用下易发生破碎，导致受力前后颗粒级配发生变化，进而影响其工程性能。因此，研究透水性级配碎石在高应力水平下的颗粒破碎规律具有重要的理论意义和工程应用价值。现有的颗粒破碎研究大多是通过三轴试验，所施加的应力水平也相对较低。本文对在350 kPa正应力条件下完成直剪试验后的不同级配试样进行重新筛分，对比分析了直剪试验前后颗粒级配变化，并量化评价了其颗粒破碎规律。

(a) 100 kPa；(b) 250 kPa；(c) 350 kPa

Marsal[29]提出了定量的指标来分析颗粒破碎程度。Hall等[30]通过试验发现级配良好的砂较级配不良的砂更不容易破碎。郭庆国[31]发现颗粒破碎程度也受粗粒土颗粒形状的影响，表面粗糙且有棱角的颗粒更容易破碎。胡万雨等[32]通过对不同粒径粗粒土试样开展大型直剪试验，研究了高法向应力下粗粒土的颗粒破碎规律，结果表明相同法向应力下，粒径越大则破碎率也越大，级配越良好则破碎率越小。目前常用的量化颗粒破碎的指标主要有Hardin[33]提出的相对破碎率r和Marsal[29]提出的颗粒破碎指数g等。由于Hardin[33]提出的r计算公式中各参数含义明确且使用简便，故本文采用r指标来分析大型直剪试验中的颗粒破碎规律。

图6显示了不同级配试样的颗粒破碎指数r值随石砂比的关系曲线。可以看出，当法向应力相同时，剪切破坏之后石砂比为1.6的级配其颗粒破碎程度最小，而细颗粒所占比例较高的石砂比为1.0的级配其颗粒破碎程度最高。结果表明石砂比为1.6(最大粒径25 mm)的级配最为良好，粗、细颗粒含量搭配得当，能产生较好的抗剪切性能，同时颗粒破碎程度也最小，颗粒嵌挤咬合排列情况较为稳定。

图6 不同级配的颗粒破碎指数与石砂比关系曲线

2.4 渗透系数预测结果

如前文所述，渗透系数的大小直接影响到透水性级配碎石基层的排水性能和其他服役性能等。由于缺乏大型渗透仪来测定本文所研究的不同级配UPAB试样的渗透系数(sat)，故只能采用常用的经验性渗透系数模型例如Hazen模型[34]和MEPDG EICM模型[35]等来粗略地评价。图7分别给出了这2个模型预测的不同级配的渗透系数值(sat)与石砂比关系曲线。根据规范要求，UPAB基层渗透系数至少应为0.35~1.06 cm/s[6, 10]，而除石砂比为1.0的级配外，其余级配的渗透性或排水性能均大致满足这一要求。

综合本文研究结论，石砂比为1.6的级配力学稳定性较好，如式(1)所示(基于Hazen模型)，可在规范级配范围内进一步优化其渗透性或排水性能。

Max10

Subject to:

3 结论

1) 室内击实试验结果表明颗粒堆积最密实的级配的“石砂比”介于1.0和1.6之间，最大密实度与最大抗剪强度之间并不具备完全的一致性，而是呈现出复杂的相关关系，故有必要将抗剪强度而非密实度作为级配碎石设计的主要评定标准。

2) 直剪试验结果表明各级配的试样在3个垂直压力下剪切力随水平剪切位移增大而增加，但并没有明显峰值，表现出明显的应变硬化特征，且石砂比为1.6的级配(最大粒径25 mm)不仅在3种正应力水平下均有最大的剪切应力峰值，而且有较好的抗剪强度参数。

3) 直剪试样压实度的一个相对较小的增量(大约5%)使试样的抗剪性能显著增加，特别是在较低的正应力水平下，表明增加压实度是增强透水性级配碎石材料抗剪强度的有力措施。

4) 直剪试验前后颗粒级配变化结果表明石砂比为1.6(最大粒径25 mm)的级配最为良好，粗、细颗粒含量搭配得当，能产生较好的抗剪切性能，同时颗粒破碎程度也最小，颗粒嵌挤咬合排列情况较为稳定。

5) 大型直剪试验结果证实了采用“石砂比”这一参数优化级配设计能够增强UPAB材料结构强度(或稳定性)，且经验模型的预测结果表明本文所研究的不同级配方案中除石砂比为1.0的级配之外，其他均满足规范所要求的渗透性或排水性能要求，后续也可继续在规范范围内根据本文的研究结论和方法进一步优化渗透性或排水性能。

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Mechanical behavior of unbound permeable aggregate base materials studied from large-scale direct shear tests

ZHOU Zhen1, WANG Meng2, YU Qunding2, ZHENG Keyang2, XIAO Yuanjie2, CHEN Xiaobin2

(1. Guangdong Communication Planning & Design Institute Co. Ltd, Guangzhou 510507, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Unbound permeable aggregate base (UPAB), due to its relatively high porosity and permeability, has been emerged as an alternative to traditional impervious or dense-graded bases for controlling subsurface drainage and pavement longevity in an economical and environment-friendly fashion. The UPAB layer generally consists of open-graded unbound aggregates and thus tends to suffer from insufficient structural strength and stability. Aimed at further validating a new gradation concept for enhanced structural strength, this paper presented preliminary findings from a series of laboratory large-scale direct shear tests conducted to evaluate various gradation designs of UPAB materials in relation to mechanical stability. Five representative gradations were selected according to the current UPAB gradation band, and the effects of different UPAB gradation designs on the shear strength properties were investigated using a large-scale direct shear test device. The particle breakage potential of UPAB specimens were also evaluated by performing sieve analyses before and after the tests. Based on the experimental results, the optimum aggregate gradation design recommended by the new gradation concept for enhanced stability was proposed and consequently validated with minimized particle breakage potential. The findings can provide technical reference and guidance to the UPAB design.

unbound permeable aggregate base; embankment; gradation; direct shear test; shear strength; permeability

TU411.7

A

1672 − 7029(2019)09− 2175 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.09.007

2019−06−02

国家重点研发计划资助项目(2017YFB1201204)；国家自然科学基金资助项目(U1734208，51878673)；湖南省自然科学基金项目(2018JJ3658)

肖源杰(1984−)，男，湖南衡阳人，副教授，从事路基工程和岩土工程等方面的研究工作；E−mail：yjxiao@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)