级配碎石变形特性的试验

康兴祥，马 骉，李 宁，司 伟，王小庆

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

级配碎石具有良好的力学特性，能够有效分散行车荷载对路面造成的应力作用[1].对于交通繁重、雨量集中及地基承载能力不佳的路段，常在半刚性基层和沥青面层间设置级配碎石，发挥柔性基层变形协调、利于渗水排水的优势，可有效减少半刚性基层引起的反射裂缝等病害[2].因此，级配碎石被大范围应用于高等级路面的基层和底基层[3].随着级配碎石层的逐渐推广，国内外学者也开始探索级配碎石材料的力学性能，主要包括对加州承载比(California bearing ratio,CBR)值、弹塑性变形及弹性模量等参数的研究[1].

对于级配碎石力学性能的研究，最早采用CBR试验方法，该试验操作简单、费用低，至今仍为JTG E4—2005《公路工程集料试验规程》规定的标准试验方法.研究人员发现传统CBR试验采用的静力荷载，无法模拟实际工程中的工况，并且试验结果具有很大的离散性[4].鉴于此，谢远勇等[5]在传统CBR试验基础上进行改进，加载方式由原来的静态荷载改进为动态荷载，研究发现骨架密实型级配的CBR值最大，其力学性能最优.A.ARAYA等[6]提出了重复加载CBR试验，并建立了重复加载CBR和三轴试验之间的等效关系，通过重复荷载CBR试验有效地估计了碎石材料的弹性模量.近年来，除对传统CBR试验的改进外，LI Q.等[7]采用精密非粘结材料分析仪(precision unbound materials analyzer，PUMA)进行一系列颗粒材料的室内试验，分析了加载频率对基层材料模量的影响，并依照美国国家公路与运输协会标准AASHTO T307—1999《土壤和混合材料回弹模量测定的标准试验方法》进行了三轴试验.对比2种试验方法得出的回弹模量，发现利用PUMA试验得到的回弹模量稍大于或基本接近三轴试验，具体关系取决于材料特性，且对于PUMA试验，竖向荷载与围压间存在显著线性关系，加载频率对回弹模量具有显著影响.李宁等[8]通过PUMA试验，研究单级和多级加载模式下级配碎石的性能.J.KWON等[9]以4种不同来源的集料为原材料，通过PUMA试验与图像分析软件，研究集料形状特性对回弹模量和泊松比的影响，发现表面粗糙、棱角性较好的集料具有更大的回弹模量，认为仅以回弹模量作为粒料基层的抗车辙性能评价指标难以满足要求.

重复荷载CBR试验和PUMA试验都是近年来国内外学者在研究级配碎石性能过程中采用的主要研究手段[10]，但2种试验方法由于试验原理和设备的不同，必然存在一定的差异性.为此，本研究通过对不同级配组成、水的质量分数以及密实度的级配碎石材料分别进行重复荷载CBR试验和PUMA试验，对级配碎石抗变形性能进行分析，阐述重复荷载CBR试验与PUMA试验的异同点，为今后级配碎石材料性能研究以及实际施工提供理论参考.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料性能

试验材料来源为陕西省铜川市.选用3种不同级配的碎石混合料，采用振动压实成型试件.级配碎石混合料选用A、B及C等3种级配，3种级配细集料质量分数相近，约为35%，级配A中粒径为13.20～26.50 mm的碎石混合料质量与4.75～13.20 mm质量之比最大，因此级配A最粗，级配B次之，级配C最细.3种级配碎石的级配筛分曲线见图1.

图1 3种级配碎石的筛分曲线

1.2 试验方法对比

1.2.1PUMA试验

PUMA试验借助精密非粘结材料分析仪，简化了复杂的室内试验方法，获得更为精准的试验数据.试验基本原理如下：为模拟工地实况，在进行非粘结材料试验时不能只施加竖向荷载，还应包括水平约束应力作用，且该水平约束应力会随竖向荷载的增大而增大.基于以上试验要求，PUMA试验设备采用“弹簧加载侧壁”的方式提供围压，竖向荷载作用下，结构径向扩张，围压增大，更加符合实际道路结构中级配碎石层的受力状态.

在PUMA试验中，位移传感器可监测试件顶部发生的回弹变形LRi，采用式(1)进行计算：

LRi=DPKi-(Dmin(i+1)-Dmini)=DPKi-ΔDi，

(1)

式中：DPKi为第i次加载时最大变形值，mm；Dmini、Dmin(i+1)分别为第i、i+1次加载前变形值，mm；ΔDi为第i次加载的相对变形值，mm.

由于回弹变形与弹性模量直接相关，本研究直接利用回弹变形描述级配碎石结构的弹性变形行为.PUMA试验仪器及模具如图2所示.PUMA试验仪器主要由4个部件组成，分别为试验机架、模具、信号传接装置和气压控制装置(见图2a).试验中所用到的试验模具主要包括H形卡槽、弧形壁板、约束带、环箍及底座等(见图2b).

图2 PUMA试验仪器及模具

PUMA模具内径为150 mm，高度为150 mm.采用下振式振动台与配重块成型试件时，分3层称量、装填颗粒，并利用搅拌机拌和均匀.PUMA设备可施加正弦波.PUMA施加的正弦波荷载示意图见图3.

图3 PUMA施加的正弦波荷载示意图

荷载大小为0.18～14.13 kN，其中0.18 kN为保证压头与试件紧密接触而设定的预压力.

1.2.2重复荷载CBR试验

重复荷载CBR试验是在传统CBR试验基础上，与MTS机和电子数显千分表组合而成的一套装置，其中MTS机对试件施加重复动荷载，电子数显千分表记录弹性形变、塑性变形值.竖向荷载-加载时间关系曲线及加载过程中竖向荷载-弹性形变关系曲线分别见图4和图5，其中，T为加载1次所用的时间，σmin为接触力，σmax为重复荷载最大值.

图4 重复荷载CBR试验竖向荷载-加载时间曲线

图5 重复荷载CBR试验竖向荷载-弹性形变曲线

1.3 试验设计

重复荷载CBR试验和PUMA试验参数分别见表1、2.

表1 重复荷载CBR试验参数

表2 PUMA试验参数

对级配组成、水的质量分数及密实度不同的级配碎石混合料进行重复荷载CBR试验和PUMA试验.CBR试验中，不同原材料达到贯入度为2.54 mm时，对应压力为6～10 kN，因此重复贯入试验选取竖向荷载为6 kN，作用次数为100次.为结合典型沥青路面结构级配碎石层顶竖向应力取值为70～360 kPa，PUMA试验竖向荷载取值为4.24 kN(即240 kPa)，加载频率为5 Hz，荷载作用次数1万次.2个试验的参数分别如表1、2所示.

以累积塑性变形和弹性形变为指标，对比分析PUMA试验与重复荷载CBR试验结果.针对3个级配，分别设计了3个试验，其设计方案如表3所示.

表3 试验设计方案

2 试验结果对比分析

2.1 级配组成

图6a-d分别为不同级配组成下，重复荷载CBR试验与PUMA试验中的累计塑性变形、弹性形变、轴向弹性应变与荷载作用次数的关系曲线.

图6 不同级配下2个试验中累积塑性变形、弹性形变、轴向弹性应变与荷载作用次数关系曲线

由图6a可知，重复荷载CBR试验中，各级配对应的曲线变化趋势基本相似，表现在首次荷载作用下，累积塑性变形量迅速增大，随着作用次数不断增加，曲线增长趋势逐渐平缓.原因如下：试件在成型初期内部结构松散，在荷载作用下试件快速形成密实结构，随着荷载次数的不断增大，形成骨架密实结构，抗变形能力趋于平稳；不同级配的碎石混合料所对应累积塑性变形量不同，B与C级配的累积塑性变形相近，而A级配大于B和C.

由图6b可知，PUMA试验中，各级配之间累积塑性变形与重复荷载CBR试验结果基本一致，随荷载作用次数增加，各级配碎石混合料的累积塑性变形增大趋势逐渐减小，但其数据曲线较为平滑，规避了数据离散对试验结果的影响.

由图6c可知，在重复荷载CBR试验过程中各级配弹性形变变化较小，变化值分别为3.85%、9.09%和1.63%.原因如下：重复荷载CBR试验施加的是稳定的竖向荷载，加载频率固定，且间隔时间较长，级配碎石在不断压实的过程中有短暂的回弹瞬间，导致重复荷载CBR试验过程中，弹性形变基本保持稳定，同级配间弹性形变大小相近，主要与密实度相关.

图6d中，对于不同级配碎石混合料而言，在荷载作用前期轴向弹性应变随着荷载作用次数增加呈现显著变化，荷载作用次数大于2 000次后逐渐趋于稳定.稳定后各级配轴向弹性应变变化幅度由大至小依次为A、B和C.原因如下：相同压实功下，级配A中粒径为13.2～26.5 mm的碎石与4.75～13.2 mm的碎石质量之比要大于级配B和C.由于级配A相对较粗，在荷载作用下形成的骨架结构相对不稳定，所以相对弹性应变变化最大，而级配C粗、细颗粒分布较为均匀，易形成稳定的骨架密实结构，弹性应变变化较小.

2.2 碎石材料中水的质量分数

根据2.1节分析结果，由于级配C在荷载作用下易形成骨架密实结构，因此选取级配C为研究对象，进行碎石材料中水的质量分数对级配碎石弹性变形行为影响的试验，其中水的质量分数分别为0、3%和5%.级配C重复荷载CBR试验和PUMA试验中，累计塑性变形、弹性形变、轴向弹性应变与水的质量分数关系曲线如图7所示.

图7 2个试验中累积塑性变形、弹性形变、轴向弹性应变与水的质量分数关系曲线

由图7a可知，重复荷载CBR试验中，随着水的质量分数增大，弹性形变随之减小，而累积塑性变形先减小后增大.原因如下：级配碎石的弹性形变与自身干密度直接相关，弹性形变随着水的质量分数增加而逐渐减小；当水的质量分数为3%时，试件压实更充分，自身干密度增大，在竖向荷载的作用下，试件顶面发生的累积塑性变形会逐渐减小；随着水的质量分数进一步增大，水对级配碎石形成的试件会发生润滑作用，此时试件更易发生塑性变形.

由图7b可知，PUMA试验中，当水的质量分数不断增大时，累积塑性变形与轴向弹性应变都随之增大.原因如下：与重复荷载CBR试验相比，PUMA试验中竖向荷载较小，水的质量分数增大后，孔隙水压力增加，且影响显著，导致骨料间相互作用减弱，因而结构累积塑性变形与轴向弹性应变均增大.

2.3 密实度

选取密实度为96%、98%和100%时，对级配C进行重复荷载CBR试验与PUMA试验.以振动试验成型试件得到的振实密度作为100%密实度，并调整振实时间，振动成型密实度分别为96%和98%的级配碎石试件.级配C的重复荷载CBR试验与PUMA试验中累计塑性变形、弹性形变、轴向弹性应变与密实度的关系曲线如图8所示.

图8 2个试验中累积塑性变形、弹性形变、轴向弹性应变与密实度的关系曲线

由图8可知：对于不同密实度的级配碎石，其累积塑性变形和弹性形变均随密实度的增大而减小；重复荷载CBR试验中，级配碎石混合料密实度从96%增加到100%，累积塑性变形减小了29.5%，弹性形变减小了9.6%；PUMA试验中，级配碎石密实度从96%增加到100%，累积塑性变形减小了44.6%，轴向弹性应变减小了21.0%.

综上，不同级配组成和密实度下，PUMA试验与重复荷载CBR试验中累积塑性变形变化趋势相似，但PUMA试验累积塑性变形数值敏感性要高于重复荷载CBR试验；而在不同水的质量分数下，由于2个试验施加荷载方式不同，试件中孔隙水压力受到不同程度影响，弹性形变结果出现了差异；不同级配组分、水的质量分数及密实度下，2个试验中弹性形变变化差异较大.原因为重复荷载CBR试验施加的荷载只有竖向荷载，且施加模具是刚性的约束；与重复荷载CBR试验相比，PUMA试验仪器施加的是正弦荷载(既有竖向荷载，也有水平约束力)，且试件模具是一种非刚性约束.因而对于实际道路结构受力状态的模拟，PUMA试验更为精确，其弹性形变特性的试验结果也更准确.

3 结 论

1)级配碎石材料前期抗变形能力受荷载作用影响显著，后期随着荷载作用次数的不断增大，抗变形能力受荷载作用影响明显减小，并逐渐趋于稳定.

2)对于累积塑性变形指标，不同级配组成和密实度下，PUMA试验与重复荷载CBR试验中塑性变形变化趋势相似，其中PUMA试验结果敏感性要优于重复荷载CBR试验；2个试验施加荷载方式的不同，造成二者塑性变形变化趋势在不同水的质量分数下有所差异.

3)对于弹性形变和轴向弹性应变指标，不同级配组成、水的质量分数及密实度下，PUMA试验与重复荷载CBR试验中2个指标变化趋势明显不同；PUMA试验中轴向弹性应变是由级配碎石材料级配组成、水的质量分数及密实度等因素共同影响，而重复荷载CBR试验中弹性形变主要是由级配碎石密实度决定.

4)由于PUMA试验与重复荷载CBR试验的试验方法、设备和加载方式不同，导致两者试验结果存在一定的差异.重复荷载CBR试验操作简单，试验结果要求不高的情况下，推荐采用重复荷载CBR试验研究级配碎石材料变形特性；与重复荷载CBR试验采用的刚性模具相比，PUMA试验模具采用内衬橡胶的钢圈以及可径向扩张的钢片组合的侧壁，可以模拟周围材料施加的围压，能够更准确地获得级配碎石材料变形特性试验数据，试验精度要求高的情况下，推荐采用PUMA试验.