无黏结级配碎石基层回弹变形行为研究

张迎超

摘 要：使用UTM试验仪对采用不同粗细骨料含量与含水率的级配碎石进行加载，研究级配碎石的回弹变形影响因素，并通过CBR试验进行类比分析，为级配碎石作为道路基层实际施工应用中的设计提供合理参数，并对比得出最佳级配参数与含水率配比。试验结果表明：级配碎石的回弹模量总体低于半刚性基层材料，并显示为较为显著的非线性;但级配碎石在荷载作用下的抗变形能力较大;级配碎石弹性模量随着含水率的增加而减小，随着粗骨料含量的增加而增加。级配碎石的CBR值受集料级配的影响较大，受含水率的影响较小。所以，如果在道路设计中使用级配碎石作为基层能够缓解半刚性基层沥青路面的裂缝反射情况，还可以利用其抗疲劳的特性在道路使用中延长道路使用寿命以及增加其透水率，防止地下水冻融循环对道路造成影响。

关键词：级配碎石;动三轴;柔性基层;CBR;回弹模量

中圖分类号：U416.204     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）11-0075-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.017

Study on Rebound Deformation Behavior of Unbonded Graded Crushed Stone Base

ZHANG Yingchao

（School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Conservancy and Electric Power， Zhengzhou 450045，China）

Abstract： The UTM tester is used to load the Graded Macadam with different coarse and fine aggregate content and moisture content， study the influencing factors of rebound deformation of Graded Macadam， and make analogy analysis through CBR test， so as to provide reasonable parameters for the design of Graded Macadam as the actual construction application of road base， and compare the best gradation parameters and moisture content ratio.The test results show that the resilient modulus of graded crushed stone is generally lower than that of semi-rigid base material， and shows significant nonlinearity; However， the deformation resistance of graded crushed stone under load is large; The elastic modulus of graded crushed stone decreases with the increase of moisture content and increases with the increase of coarse aggregate content. The CBR value of graded crushed stone is greatly affected by aggregate gradation and less affected by moisture content. Therefore， if the graded crushed stone is used as the base in the road design， it can alleviate the crack reflection of the semi-rigid base asphalt pavement， and can also use its anti fatigue characteristics to prolong the service life of the road and increase its water permeability， so as to prevent the impact of the freezing and thawing cycle of groundwater on the road.

Keywords： graded crushed stone;modulus of resilience; flexible base; CBR; dynamic triaxial

0 引言

进入21世纪，随着车辆的越来越多，道路的发展也日渐繁盛，但目前公路类型大多采用半刚性基层沥青路面，并且随着规范标准的完善，施工技术、施工机械等也逐渐融入高新技术，半刚性材料也在道路的建造中越来越受广大施工设计者的青睐。随着时代的发展，交通道路的使用频率及效率也会增加，道路的建造会面临新的要求，所以在道路设计中需要逐渐提升道路的性能，满足日渐提升的使用要求。因此道路在基层的铺设方面需要寻找更具耐久性、多功能且对路面平整度提供更好性能的材料。

沥青路面中的沥青起着功能层的作用，不但承受来自车辆的荷载，还需要承受环境变化带来的影响，如风吹、雨淋、日晒等，其破坏模式通常是弯曲变形、车辙、开裂等;道路面层能够正常发挥作用的前提是基层平整性良好、稳定性良好等。其中，半刚性基层以优良的整体性、刚度大、平整性好等优势能够承受面层传递下来的荷载并具有良好的扩散应力能力。所以在施工运输中需要保持好半刚性基层的整体性。否则容易导致半刚性基层在道路使用过程中出现基层弯拉裂缝、渗水，甚至在地下水持续作用下导致面层破坏而失去功能。

本研究针对级配碎石作为柔性基层在道路的使用中的回弹变形进行试验研究，对以后涉及柔性基层的研究和使用设计提供科学的试验方法和数据[1-2]。

1 材料基本性能及配合比

本研究依照最大密实度理论制出粗集料含量分别为55%和40%的级配碎石，对应于骨架空隙、骨架密实、悬浮密实结构的柔性基层，并用电子秤对其进行加湿，使其含水量为0%、1%、3%、5%，使用水为可饮用的自来水;做成试件分析不同结构下柔性基层的动态回弹模量状况，其中粗集料性能指标试验结果如表1所示，细集料性能指标试验结果如表2所示，级配曲线如图1所示。

2 回弹试验

2.1 试验设计及过程

采用100 mm×150 mm的试件。为了防止试件在成型过程中因受到干扰影响到整个试验，所以采用对开圆桶型钢试模，在底座上以乳胶膜密封，然后对开圆模定型，垫上滤纸和透水石防止水分的增减影响试验;将不同级配或湿度并且拌匀的级配碎石按重量均匀分5层装入试模并分别击实到计算厚度，最后垫一层滤纸和透水石后盖上顶盖再卸除对开圆筒试模;使用乳胶膜对试件进行密封与抽真空处理，防止试件因气压作用导致松散变形以及防止在真空试验过程中漏水漏气，最后将试件装置在三轴室内对其进行回弹模量测试[3]，如图2、图3、图4所示。

2.2 回弹测试

回弹模量是指材料在变形阶段，在荷载作用下抵抗变性的能力。回弹模量越大其抵抗外力的能力就越大，对于路基路面材料来说是一种非常重要的材料力学性能指标参数。由于本试验所采用的材料为无黏结级配碎石，对于一般粒状材料其表现特征一般为非线性，即在荷载作用下表现出直接的弹塑性[4]。

采用动三轴试验对现实道路的使用状况进行模拟，以反映级配碎石作为柔性基层中的受力整体状态。此次试验中采取了AASHTO-DESIGNATIO-N-T-307-99（基层与底基层材）方法。对试件的围压及偏应力进行定量变量变换，并保证试件在初始状态都进行了预加载，达到有接触压力出现后对其进行竖向应力加载，并待其达到稳定后，取得最终的平均数值[5]。

表3和图5分别是模量的加载序列及加载波形。

2.3 结果

2.3.1 拟合K值。先建立级配碎石回弹模量后，再通过分析以确定级配碎石柔性基层的回弹模量。确定系数为R^2，值越接近于1拟合结果越接近试验值。K1、K2、K3为拟合参数值，如表4所示。

从表4中可以看到，相同级配条件下，不同加载序列对级配碎石的K值影响不大;但在同一加载序列下，不同粗集料含量对K值影响较大并表现为随着粗集料的增加，K值逐渐增加;含水率对集料K值的影响不一致，含水率越大其拟合参数越不稳定。

2.3.2 回弹模量变化情况。从图6可以看出，在相同含水率及加载条件下，粗集料为55%的回弹模量高于粗集料为40%的回弹模量，说明在同等条件下，粗集料含量的增加能够提高集料内部间的骨料相，粗骨料之间摩擦力增大，且细骨料对骨架孔隙进行填充，增加整体的稳定性，并且增加级配碎石的回弹模量。

从图7中可以看出，在相同级配及同一加载序列的级配碎石在不同含水率的条件下所表现出的动态模量也不同，相同级配与加载应力模式下含水率3%的试件始终比含水率5%回弹模量要高。其原因为水分的增加减弱骨料间的相互作用，增加孔隙水的有效应力，从而减小了级配碎石的回弹模量。

所以选用级配碎石作为柔性基层时要确保柔性基层有恰当的含水率，并且在设计中保证级配条件良好，以提高道路的性能指标并延长道路的使用寿命。

3 CBR试验

CBR试验全称为加州承载比试验，用来表征粒状材料抵抗压力变形的指标。具体内容指标准试件贯入量2.5～5 mm时试件与标准试件在相同贯入量的荷载比。我国相关规范规定CBR的测定必須在室内进行，并且作为碎石级配的指标，标准重型击实试验成型试件CBR值大于100[6-7]。

3.1 CBR试验步骤

①仪器准备。内径为150 mm×170 mm的试筒，尺寸为150 mm×50 mm的垫块及同尺寸套环，贯入杆、百分表、测力环等。对于测力环要注意测力环量程的选择，测力环量程过小易导致测力环未达到试验贯入量就发生破坏;量程如果太大，则读数容易产生误差。本试验选用量程为60 kN并已标定好的测力环进行。

②试件的成型。根据规范要求，采用标准击实试验法对试件进行击实成型处理，击完后对试件进行倒置，使表面平整。

③依据规范规定试件饱水时间不小于12 h，取出后静置大于15 min，使试件中多余水分排尽，如图8所示。

④试验中，首先要对试件进行预加载，首加预压45 N的力，将百分表、测力环指数归零位，将贯入杆以1～1.25 mm/min的速度压入试件，在贯入深度为1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、4 mm、5 mm时精确读取测力环相应的数值。并将结果换算为相应的压力F（kN）或P（kPa）（如图9所示）。

3.2 试验结果

综合以上数据可得知，不同粗集料含量对级配碎石的CBR值有着显著的影响。级料的配合比对影响CBR值其中最大的因素是4.75 mm级粗集料及粗集料之间形成的骨架孔隙率，级配碎石试件的CBR值随着4.75 mm粒径骨料的增加而减小，说明骨料孔隙率越大，CBR值越小。而细集料如0.075 mm级碎石对CBR的值影响较小。从结果中还可以看出配置的连续级配骨架型碎石作为基层其硬度能够达到正常的路用标准，具体数据见表5、表6。

4 结论

本研究用级配碎石作为柔性基层制成成型试件，并对试件进行了动三轴试验，研究不同参数条件对回弹模量及CBR值的影响，结果如下。

①级配碎石的回弹模量在不同应力状态下呈现出较为明显的非线性，并对级配碎石的弹性模量提出了研究的方法。

②表明级配碎石作为柔性基层的可行性，并且级配碎石作为柔性基层有着不同于半刚性基层不同方面的优点。

③在粗集料掺量相同的情况下，随含水量的变化，K值的变化呈较为明显的非线性特征。

④数据表明在同一应力状态下，随含水量的增加，级配碎石层的回弹模量会随之减小，原因为含水量的增加致使骨料间的相互作用减弱、孔隙水压力的有效应力增加，导致级配碎石的回弹模量逐渐减小，并且不同偏应力的加载对级配碎石的回弹模量也有较为较大影响。

⑤通过室内动三轴试验，得到本研究中级配碎石的非线性特性参数K1、K2、K3的取值范围与大致规律，分析了含水量、密实度、级配以及不同应力对K1、K2、K3的影响，得出了柔性基层沥青路面级配碎石回弹模量的取值范围。

参考文献：

[1] 张群群.级配碎石动态回弹模量及抗剪强度试验研究[D].北京：北京工业大学，2016.

[2] 金刚.级配碎石三轴试验研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[3] 何兆益，黄卫，邓学钧.级配碎石弹性模量的动三轴试验研究[J].东南大学学报，1997（3）：38-42.

[4] 莫石秀.多年冻土地区级配碎石路用性能及设计方法研究[D].西安：长安大学，2004.

[5] 吕松涛，李江珑，刘超超.级配碎石刚度过渡层回弹模量的非线性特性[J].内蒙古公路与运输，2017（5）：1-7，63.

[6] 任瑞波，钟岱辉，李海芝，等.柔性基层改善沥青路面半刚性底基层温度状况分析[J].哈尔滨工业大学学报，2004（9）：1280-1281，1284.

[7] 鲁华征.级配碎石设计方法研究[D].西安：长安大学，2006.