道路级配碎石正交异性及压实特性研究

摘 要：为了研究级配碎石的正交特性及其压实效果，采用不同的击实方法和击实功对道路用级配碎石进行击实成型，研究击实方法和击实功对级配碎石正交异性的影响，并进行了压实仿真分析。结果表明，冲击击实成型的试件干密度略低于旋转压实；增加击实功会同时增大级配碎石的干密度和正交异性；击实方式和击实功共同影响级配碎石的正交异性程度：旋转压实在低击实功下成型的试件正交异性更显著，而冲击击实在高击实功下成型的试件正交异性更显著；确定了级配碎石层的最佳压实参数。成果可为级配碎石的材料性能研究及工程应用提供参考。

关键词：道路工程 级配碎石 正交异性 击实功

1 工程背景

在公路工程中，优质且级配合理的碎石或砾石机械摊铺、碾压后，级配碎石将从初始的松散状态转变为致密状态。级配碎石不仅能够分散荷载、提高路基承载能力、改善差异沉降，还具有保温隔热、减振耗能以及防冻排水等功能，适用于道路基层、底基层及路基的刚度补偿和模量过渡[1-2]；在寒冷季节性冰冻地区和湿热多雨地区的特殊环境中，级配碎石对于道路路结构设施的稳定性尤为重要。研究表明，级配碎石的力学性能表现出显著的应力依赖性和正交异性[2-5]，与沥青或水泥稳定类材料相比，级配碎石的动态回弹模量及泊松比在不同的应力状态、不同应力方向上都存在差异。级配碎石经过外力的击实作用，能够形成强度高、抗变形性好的级配碎石层，这种击实过程的本质，就是颗粒在外力作用下移位、旋转形成颗粒间的接触和嵌锁 [2， 6]。级配碎石的颗粒分布排列与荷载大小及荷载模式都有关系，击实方法的选取和击实功的大小都会影响颗粒排列。而级配碎石的正交异性与其结构层的剪胀行为和残余应力有密切关系，并会对其结构力学响应产生较大影响[7-8]。因此，需要深入研究级配碎石在不同击实方法和击实功条件下的正交异性。

本文采用两种击实方法以及两种击实功，对两种路用级配碎石进行击实试验，研究级配碎石在不同击实方法和击实功下的正交异性，成果可为道路级配碎石的材料性能研究和级配碎石层结构力学分析提供参考。

2 原材料

选用道路工程常用的石灰岩碎石，级配如图1所示。分别采用冲击击实法和旋转压实法成型试件，以考察击实方法的影响；针对每一种击实方法，使用2个击实等级，以考察击实功的影响。

3 击实参数及试件成型

采用高度为300mm、直径为150mm的圆柱形试样进行旋转压实；击实参数为接触压力275 kPa，倾角3º，转速30转/分钟，击实时间60秒[9]。冲击击实参照《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020，T0131）[10]进行试验，将4.5kg的落锤从45cm的高度自由下落进行冲击击实，击实次数为50次/50mm。为了研究不同击实功对级配碎石各向异性的影响，两种方法都设置了低击实功对照组，具体参数为：旋转压实使用137kPa的接触压力、3º的倾角和45s的击实时间；冲击击实的击实次数降至25次/50mm。不同击实方法和不同击实功条件下测得成型试件的含水率和干密度如表1所示。从表1可知，由于旋转压实的搓揉效果，旋转压实成型的试件干密度略大于冲击击实成型的试件。试件的干密度与击实功呈现正相关，随着击实功的增加而增加。

4 级配碎石正交异性分析

对成型试件进行改进的动态回弹模量试验[1]。由于级配碎石具有应力依赖性，因此提取了三种不同应力水平下碎石的垂直和水平向模量值，并计算正交异性系数α²：α² =Ehh/Evh ，α=μhh/μvh[1]。如图2所示。三个应力水平分别为：低应力水平：40kPa围压+30kPa偏应力；中等应力水平：100kPa围压+70kPa偏应力；高应力水平：120kPa围压+130kPa偏应力。

总体而言，两种击实方法成型的碎石和砾石的垂直回弹模量Evh值均大于水平回弹模量Ehh值，即通过两种击实方法成型的级配碎石均表现出显著的正交异性。本文使用的级配碎石正交异性系数范围大致在0.4～0.73。级配碎石的正交异性程度随着击实功的增大而逐渐增大（正交异性系数α²逐渐减小）。与低压击实相比，高压击实成型试件的正交异性程度在旋转压实成型时增加了约15%-64%，而冲击击实成型试件的正交异性程度增加了约35%-110%。这是因为，增加击实功，尽管颗粒的动态回弹模量在垂直和水平方向上都有所增加，但回弹模量在竖直方向上的增幅更大。不同击实方法下，级配碎石正交异性也不同：在低击实力下，旋转压实成型的α²值小于冲击击实成型，但在高击实力时，冲击击实成型的α²值更小。因此，击实方法和击实功的综合作用影响了级配碎石的正交异性程度，其中“冲击击实+高击实功”的级配碎石正交异性最大。

5 级配碎石的压实数值仿真

振动压实法是普遍采用并能保证填石路堤质量的施工方法。采用数值方法对填石路堤的振动压实过程进行数值模拟：所建立的填石路基数值模型长为20m、高为10m；振动轮直径为1.6m，将振动轮与路基的接触面视作矩形，沿行驶方向的长度为0.2m。填石路基模型采用CPS4R单元模拟，共4664个单元。路基填料和振动轮采用弹性本构模型模拟，其物理力学参数如表2所示。振动轮与路基表面之间采用摩擦型接触，摩擦系数为0.1，且接触面只可传递压力而不能传递拉力。

为了定量分析激振力、振动频率和行驶速度等对填石路堤压实效果的影响，将以上3种参数各取2种常用水平，按不同参数与水平组合设计8种压实工况（见表3）进行数值模拟。

图3为振动压实时路基的竖向应力云图和竖向位移云图示意图。可以看出，路基表面一定深度范围内的填料受到振动轮的明显冲击作用，竖向应力明显增加，导致振动轮周围土体发生显著沉降，表明路基填料被有效压实。以路基最大压应力、有效压实深度以及路表沉降为指标对填石路堤的单次压实效果进行评价，结果统计如表3所示。分析可知，增大振动轮激振力可以有效增大路基填料的最大压应力和路表沉降，但对有效压实深度的影响较小；当振动频率由26Hz增大至32Hz，路基填料的最大压应力、有效压实深度和路表沉降均显著下降；当压路机行驶速度由2km/h增大至4km/h，路基填料的最大压应力和有效压实深度略有减小，这是因为行驶速度越快，振动轮的作用次数越少，路基填料的压实不够充分。通过以上对比分析，发现工况5、工况6压实效果良好，它们的共同特点是激振力为420kN和振动频率为26Hz。考虑到相比于2km/h行驶速度，4km/h行驶速度可以显著提高施工效率，因此推荐采用工况6。

6 结语

本文开展了不同击实方法和击实功下级配碎石的动态回弹力学试验研究，发现击实方式和击实功共同影响级配碎石的正交异性：

（1）级配碎石的正交异性特性普遍存在，竖向和水平向的动态回弹模量之间存在差异，表现为竖向回弹模量Evh值大于水平向回弹模量Ehh值。

（2）旋转压实成型的试件干密度略大于冲击击实成型的试件；增加击实功增加了试件击实度，同时也增大了级配碎石的正交异性程度。

（3）在低击实功下，旋转压实成型的级配碎石正交异性更明显；高击实功下，冲击击实成型的级配碎石正交异性更加显著，“冲击+高击实功”的击实组合成型的级配碎石正交异性最大。

（4）对级配碎石的压实工程进行了数值仿真模拟，确定了最佳的压实参数为激振力420kN+频率26Hz+行驶速率4km/h。

参考文献：

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