基于最大抗剪強度的碎石配比研究

邢心魁，滕德濤，張家文，劉 晶，孫冠曉

(1. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004)

在路面基層中，級配碎石作為一種柔性材料，能很好的減少或延緩發(fā)射裂縫。目前，國內(nèi)外衡量無黏結(jié)粒料強度及變形能力時，主要考慮其密實度，經(jīng)典指標是加州承載比(CBR)值，同時也是評價級配碎石力學(xué)特性的主要指標。但級配碎石作為松散顆粒材料在受荷載的情況下，其主要破壞形式是剪切破壞[1-2]，所以在工程中提高級配碎石的抗剪強度至關(guān)重要。筆者以級配碎石的抗剪強度為主要研究對象，分析抗剪強度對級配碎石、空隙率影響。

1 基于最大抗剪強度的級配碎石設(shè)計

1.1 設(shè)計理念

由級配碎石混合料的強度理論可以知道，其抗剪強度主要來源于膠結(jié)料的黏結(jié)力與粒料的內(nèi)摩阻力。在粒狀材料的基本力學(xué)性能與影響因素中得出，要能得到較高的內(nèi)摩阻力需要顆粒具有較好的形狀、粗糙的表面紋理、較大的粒徑以及粗顆粒之間能形成很好的嵌擠結(jié)構(gòu)，且細集料與填充料在填充后對粗集料形成的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)不能有影響。級配碎石混合料是屬于低黏結(jié)力的松散材料，其抗剪強度最終還是由內(nèi)摩阻力即粗集料形成的嵌擠結(jié)構(gòu)所決定。細集料的作用可以使級配趨于密實，從而有效的阻止結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的永久變形。所以，級配碎石抗剪強度與密實度之間具有復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，最大密實度與最大抗剪強度之間不具備完全的一致性[3-7]。

為此筆者改變以往以級配碎石密實度為主要評定標準的方法，提出以最大抗剪強度為主要評定標準的方法。

最大抗剪強度設(shè)計級配碎石混合料的基本思路為：①設(shè)計粗骨料為主骨架，實測其空隙率。主骨架的確定方法為：對相鄰粗骨料按次一級的粒料占兩者混合料的質(zhì)量百分比(質(zhì)量百分比從10%～100%)進行大型直剪試驗，得出每相鄰粒徑間最大抗剪強度時的質(zhì)量百分比，最后以各個相鄰粒徑組得出的最大抗剪強度時的質(zhì)量百分比進行混合得出主骨架，測其抗剪強度；②設(shè)計細集料，測其空隙率。細集料的確定亦與主骨架的確定類似；③將設(shè)計好的細集料填充進主骨架空隙中，按照兩者間最大抗剪強度時的質(zhì)量百分比進行填充。這種設(shè)計方法充分考慮了粗骨料的嵌擠和內(nèi)摩擦阻力，在保證粗集料、細集料最大強度的前提下，得出強度更大的混合集料。

1.2 試驗方案

1.2.1 粗集料的試驗方案

試驗材料選用上面已測定好物理控制指標的粗集料(D≥4.75 mm，Dmax=16 mm)[8-11]。試驗儀器采用自行研制的組裝式大型直剪儀。

將粗集料分為3個篩分檔。分別為：d1(13.2≤d<16.0)、d2(9.5≤d<13.2)、d3(4.75≤d<9.5)。測定每一篩分檔的粗集料的抗剪強度。

根據(jù)d2檔質(zhì)量在d1檔與d2檔所組成的混合料之中，所占的質(zhì)量百分比進行直剪試驗，質(zhì)量百分比按0～100%每10%的增量遞增。再對d2檔與d3檔進行相同的試驗。分別測得每一種質(zhì)量比下的抗剪強度值。

測定每一種質(zhì)量百分比時混合料的空隙率。找出空隙率與抗剪強度之間的關(guān)系。

選出d1檔與d2檔、d2檔與d3檔最大抗剪強度時的質(zhì)量百分比。從d1檔到d3檔按抗剪強度最大時相鄰粒組間的質(zhì)量百分比進行混合，并測其抗剪強度。同時另一組按最小空隙率時相鄰粒組間的質(zhì)量百分比進行混合，并測其抗剪強度。最后對兩組數(shù)據(jù)進行對比。

1.2.2 細集料的試驗方案

試驗材料選用上面已測定好物理控制指標的粗集料(D<4.75 mm，Dmin=0.6 mm)。試驗儀器采用自行研制的組裝式大型直剪儀。

將細集料分為3個篩分檔。分別為：d4(4.75≤d<2.36)、d5(2.36≤d<1.18)、d6(1.18≤d<0.6)。測定每一粒組的細集料的抗剪強度。

以d5檔的粗集料占d4檔與d5檔所組成的混合料的總質(zhì)量的百分比進行直剪試驗，質(zhì)量百分比按0～100%每10%的增量遞增。再用d5檔與d6檔進行相同的試驗。分別測得每一種質(zhì)量比下的抗剪強度值。

測定每一種質(zhì)量百分比時混合料的空隙率。找出空隙率最小時的質(zhì)量百分比。

選出d4檔與d5檔、d5檔與d6檔最大抗剪強度時的質(zhì)量百分比。從d4檔到d6檔按抗剪強度最大時相鄰粒組間的質(zhì)量百分比進行混合，并測其抗剪強度。

1.2.3 混合料的試驗方案

將以最大抗剪強度為基準得出的細集料級配按其占混合料總質(zhì)量的百分比，從10%到100%加入到以最大抗剪強度為基準得出的粗骨料之中。測定不同質(zhì)量比時的抗剪強度，對比找出最大抗剪強度對應(yīng)的質(zhì)量百分比，以及對應(yīng)的空隙率。同時參考JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)給出的級配碎礫石基層材料的規(guī)范級配范圍，在范圍內(nèi)選取試驗對應(yīng)的d1(13.2≤d<16.0)、d2(9.5≤d<13.2)、d3(4.75≤d<9.5)、d4(2.36≤d<4.75)、d5(1.18≤d<2.36)、d6(0.6≤d<1.18)等6種篩分檔，調(diào)整了3種級配進行試驗研究。級配調(diào)整原則為：a號、b號、c號級配分別為規(guī)范建議值的上限、下限和中值級配。測定3組試樣的抗剪強度，最后得出基于最大抗剪強度的碎石級配。

1.3 原材料

在《規(guī)范》給出的級配范圍內(nèi)，選擇相應(yīng)粒徑的碎石。選取的碎石篩分粒徑為16～0.6mm。測定石料的表觀密度,包括粗集料、細集料的表觀密度。石料的表觀密度在級配設(shè)計中是一個很重要的參數(shù)，自始至終都影響級配碎石混合料的設(shè)計結(jié)果，按照JTJ 058—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》測定。同時試驗采用的石灰?guī)r集料,其壓碎值為5.8%,集料的含水率都為1.5%。表觀密度如表1。

表1 碎石密度Table 1 Gravel density

1.4 粗集料級配選取

試驗以尋求最大抗剪強度對應(yīng)的級配為目的。將3種不同的篩分檔按相鄰兩者的質(zhì)量比進行配比，測定不同比例下的抗剪強度，以得出最大抗剪強度的質(zhì)量比，以及相應(yīng)的空隙率。該試驗主要是測定級配碎石的抗剪強度，室內(nèi)常規(guī)直剪儀不能滿足試驗要求，所以采用自行研制組裝式大型直剪儀(圖1)進行試驗。該直剪儀經(jīng)過精確的試驗校準與理論驗算，能滿足試驗所需要的要求。

1—滾軸；2—液壓千斤頂；3—下剪切盒；4—滾珠；5—上剪切盒； 6—剛性支撐；7—荷重傳感器；8—傳力板與傳力塊；9—液壓千 斤頂；10—滾軸；11—外框架；12—側(cè)向支撐

組裝式大型直剪儀的剪切盒尺寸為Ф340 mm×330 mm(直徑×高)。為使得最大限度地消除摩擦因素對試驗的影響，提高試驗結(jié)果的精度。該直剪儀使用鋼珠作為上下剪切盒的支持與滑動組件，減小了剪切過程中剪切盒上下之間的摩擦力，提高了試驗結(jié)果的精度；同時，可通過更換鋼珠的大小來改變剪切縫的大小，實現(xiàn)不同試驗對開縫尺寸的要求，可以大大提高試驗結(jié)果的精度。

同時，通過對兩組不同密度的干砂試樣進行對比試驗。結(jié)果表明：該大型直剪儀的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、精確性與可靠性良好，可滿足筆者研究工作需要。

碎石作為無黏性土，其黏聚力一般忽略不計，可以直接用內(nèi)摩擦角表示抗剪強度。試驗先進行兩相鄰篩分檔的抗剪強度試驗。

試驗中采用小一級的篩分檔所占總質(zhì)量的百分比進行配比。在d1和d2兩個篩分檔中，按d2檔所占總質(zhì)量的百分比從10%到100%進行配比并做直剪實驗，所得結(jié)果如圖2。當d2占總質(zhì)量的20%時兩者組成的混合料內(nèi)摩擦角達到最大值，即此處為混合料的最大抗剪強度。經(jīng)試驗測定d1和d2干密度分別為1.650，1.633 g/cm3，通過計算得出空隙率與d2占總質(zhì)量的百分比的關(guān)系如圖3。在質(zhì)量比為30%的時候空隙率為最小，也就是說此時達到最密實。對比圖2和圖3可得出，最大抗剪強度與最小空隙率不在同一質(zhì)量百分比處。

圖2 質(zhì)量百分比與內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig.2 Relationship between quantity percentage and internal friction angle

圖3 質(zhì)量百分比與空隙率關(guān)系Fig.3 Relationship between quantity percentage and voidage

在d2和d3兩個篩分檔中，按d3檔所占總質(zhì)量的百分比從10%到100%進行配比并做直剪實驗，所得結(jié)果如圖4。經(jīng)試驗測定得出d2和d3的干密度分別為1.633，1.670 g/cm3，計算得出空隙率與d3占總質(zhì)量的百分比的關(guān)系如圖5。在d2和d3兩個篩分檔中，當d3占總質(zhì)量的30%時兩者組成的混合料內(nèi)摩擦角達到最大值，即此處為混合料的抗剪強度最大；在質(zhì)量比為40%時空隙率為最小。對比兩圖也可清晰的得出，雖然當最大抗剪強度與最小空隙時的質(zhì)量百分比有所變化，但所反映出來總的趨勢還是與上一級配得出的結(jié)論相似。

圖4 質(zhì)量百分比與內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig.4 Relationship between quantity percentage and internal friction angle

圖5 質(zhì)量百分比與空隙率關(guān)系Fig.5 Relationship between quantity percentage and voidage

按d1(13.2≤d<16.0)、d2(9.5≤d<13.2)、d3(4.75≤d<9.5)這3檔中得出的最大抗剪強度時的質(zhì)量百分比進行級配，并測定其抗剪強度、空隙率以及表觀密度。同時按這3檔得出的空隙率最小時的質(zhì)量百分比進行級配，測定其抗剪強度、空隙率以及表觀密度。得出的結(jié)果如表2。

表2 粗骨料性能指標Table 2 Properties of coarse aggregate

由表2可知，基于最大抗剪強度的碎石級配表現(xiàn)出骨架-空隙結(jié)構(gòu)的特性，大粒徑顆粒占的比重遠大于小粒徑顆粒，這能讓該級配中大粒徑顆粒間形成很好的嵌擠作用，粗集料中的顆粒能夠充分發(fā)揮其承載力作用。按最小空隙率配比的級配大粒徑使用量只是前一種級配的一半左右，雖有很好的密實度但大粒徑的嵌擠作用沒能得到充分利用，有一部分大粒徑顆粒是懸浮于次級粒徑之中的。在此可以得出基于最大抗剪強度的碎石級配更有優(yōu)勢。

1.5 細集料級配選取

d4，d5，d6的干密度分別為1.651，1.590，1.610 g/cm3。試驗結(jié)果如表3。

表3 細集料試驗結(jié)果Table 3 Test results of fine aggregate

細集料在級配碎石中主要的作用是提供黏結(jié)力與填充粗集料之間形成的空隙率，使級配具有更好的密實度與強度。細集料本身之間所產(chǎn)生的空隙率極小，且從表3中得出兩者的質(zhì)量百分比是相鄰的，所以在本試驗中細集料的空隙率大小對整個級配碎石的影響很小。對細集料按最大抗剪強度進行級配，結(jié)果如表4。

表4 細集料級配組成Table 4 Gradation of fine aggregate

由表4可知，細集料亦如粗骨料一般，最大粒徑的砂子在配比中所占的比重大于其它粒徑的砂子。細集料主要是起到填充作用，但按照文中方法對其進行配比，使其除了填充作用外還能提供一定量的抗剪強度。

1.6 混合料級配

將以最大抗剪強度為標準得出的細集料級配按其占混合料總質(zhì)量的百分比，從10%到100%加入到以最大抗剪強度為標準得出的粗集料之中。測定每一次質(zhì)量比的抗剪強度，對比找出最大抗剪強度對應(yīng)的質(zhì)量百分比，以及對應(yīng)的空隙率，結(jié)果如圖6、圖7。

圖6 質(zhì)量百分比與內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig.6 Relationship between quantity percentage and

圖7 質(zhì)量百分比與空隙率關(guān)系Fig.7 Relationship between quantity percentage and voidage

同時對設(shè)計好的級配碎石進行直剪試驗，測出a，b，c這3組級配的抗剪強度以及空隙率，結(jié)果如表5。

表5 混合料數(shù)據(jù)匯總Table 5 Mixture data collection

基于最大抗剪強度的級配對應(yīng)的粗集料用量相對于規(guī)范給出的范圍要大出很多(6倍左右)，而細集料需求相對較少，表明最大抗剪強度得出的級配大粒徑集料的嵌擠與內(nèi)摩阻力得到極好的發(fā)揮。結(jié)合表5的數(shù)據(jù)可以得出：基于最大抗剪強度得出的碎石級配在具有較高的強度同時也能具有較低的空隙率，雖然其表現(xiàn)出來的是骨架-空隙型，但更偏向于骨架-密實型，這更符合實際工程的需求。

2 結(jié) 語

最大抗剪強度對應(yīng)的級配碎石雖然屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)，其抗剪強度以鑲嵌-擠壓和摩阻力為主，對應(yīng)的碎石級配對大粒徑的骨料需求量比基于最大密度配比要大，但其較小的空隙率，表明了細集料發(fā)揮的填充作用達到較高程度。按照文中的方法進行級配，還具有更好的抗剪強度。雖然其表現(xiàn)出來的是骨架-空隙型，但更偏向于骨架-密實型，這更符合實際工程的需求。

通過試驗研究和理論計算結(jié)果，筆者提出的基于最大抗剪強度的級配方法可以補充、完善現(xiàn)行規(guī)范中級配碎石的范圍，便于設(shè)計和施工控制，提高級配碎石使用性能。

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