基于正交試驗(yàn)的摻碎石紅土粒料強(qiáng)度性能影響研究

古小明，趙連志，姚浩明，梁歡

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 201804； 2.中國路橋工程有限責(zé)任公司)

1 引言

紅土粒料是天然母巖在非洲特殊的濕、旱二季循環(huán)作用下，經(jīng)歷淋溶、分解、膠結(jié)過程，形成的鐵質(zhì)硅鋁結(jié)核，在非洲等地區(qū)廣泛分布，是一種常見筑路材料。世界各大洲的紅土粒料區(qū)域很多既有公路，把未經(jīng)處治的低強(qiáng)度紅土粒料直接用于路面基層的填料，而在交通量不斷增加及雨水沖刷的雙重影響之下，這一部分公路早期損壞嚴(yán)重。Tockol等指出紅土粒料材料化學(xué)成分構(gòu)成復(fù)雜，性能變異性大，隨著時(shí)間的推移，在環(huán)境等因素的作用下，材料還會繼續(xù)發(fā)生變異(即繼續(xù)發(fā)育)，由此而導(dǎo)致基層整體性能有所變化；Namutebi等在進(jìn)行室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，取自西非維多利亞湖附近的紅土粒料，往往會在標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)功作用下發(fā)生比較嚴(yán)重的破碎；Nzabakurikiza指出紅土粒料由于級配不良等天然特性，易導(dǎo)致路面出現(xiàn)損壞。

針對紅土粒料進(jìn)行處治，可以提升材料的力學(xué)性能，進(jìn)而滿足道路不同層位性能要求。Manasseh Joel研究發(fā)現(xiàn)，尼日利亞紅土粒料的砂土含量較多，級配不良，并提出在摻入低劑量水泥的同時(shí)摻加一定量粗砂可有效改善紅土粒料的級配和工程性能。雖然水泥無機(jī)結(jié)合材料可以顯著改善紅土粒料的強(qiáng)度，但是不能避免的問題是水硬性材料因干縮與溫縮易產(chǎn)生裂縫，最終影響路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，E.M.Frempon提出，將碎石與紅土粒料搭配使用，不僅可以改善紅土粒料級配不良、易壓碎等問題，而且可以充分利用紅土粒料，降低工程造價(jià)，并建議采用添加碎礫石的方法來改善天然紅土粒料的工程性能。

相對而言，摻碎石紅土粒料多因素性能影響研究較少，為充分合理地利用摻碎石紅土粒料，使摻碎石紅土粒料滿足設(shè)計(jì)需求，該文重點(diǎn)研究摻碎石紅土粒料的強(qiáng)度特征及其影響因素。首先開展級配碎石和摻碎石紅土粒料的擊實(shí)試驗(yàn)，探究摻碎石紅土粒料的擊實(shí)特性。然后基于正交試驗(yàn)，考慮摻碎石比例、含水率、壓實(shí)度和碎石級配類型4個(gè)主要因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，隨機(jī)選擇具有代表性和典型性的部分進(jìn)行CBR試驗(yàn)；通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差與方差分析，確定各因素對CBR指標(biāo)的影響程度，從而迅速確定顯著性因素，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

2 原材料

該文根據(jù)非洲現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)和常用物理改良方法，分別遴選合適的紅土粒料和摻料碎石，并就其工程特性開展試驗(yàn)分析。

2.1 紅土粒料

試驗(yàn)中選取的赤幾紅土粒料液限為40%～50%，塑性指數(shù)為10～15，細(xì)料屬于低液限粉質(zhì)土。由表1可知：紅土粒料的表觀密度和針片狀物含量滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，但吸水率超過規(guī)范限值，可推斷紅土粒料顆粒內(nèi)部空隙體積和數(shù)量都較大，顆粒吸水后會降低顆粒間的黏結(jié)力，單獨(dú)使用不能滿足瀝青路面基層對粗集料的技術(shù)要求。

2.2 未篩分碎石

未篩分碎石選用非洲赤道幾內(nèi)亞巴波、賓洞以及恩梅三地的碎石。3種材料的篩分試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 巴波、賓洞和恩梅的未篩分碎石級配曲線

由圖1可知：3種碎石級配變異性大，恩梅碎石小于2.36 mm的細(xì)料偏多，而巴波、賓洞碎石小于2.36 mm的碎石偏少，恩梅碎石級配略高于二級及以下公路基層上限要求，巴波和賓洞碎石相比于底基層要求，2.36 mm以下細(xì)料偏少，但巴波碎石級配曲線相比于賓洞碎石更靠近基層下限。對于基層填料CBR，各國規(guī)范要求值基本都要超過80%。而中國JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出，級配碎石基層CBR值應(yīng)不小于120%，底基層CBR值應(yīng)不小于80%。由圖2可知：恩梅碎石的CBR最小，為77.95%，未達(dá)到規(guī)范下限；巴波和賓洞未篩分碎石CBR均超過120%，能滿足基層要求。對于壓碎值指標(biāo)，除了恩梅碎石，其他兩種碎石均滿足壓碎值22%的上限要求。綜合考慮碎石的級配、CBR以及壓碎值，為了保障摻碎石紅土粒料的性能良好，該文以巴波路碎石為摻料，開展正交試驗(yàn)。

表1 紅土粒料的基本物理性能

圖2 碎石CBR值和壓碎值

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)影響因子

CBR正交試驗(yàn)主要是用于評估材料的潛在強(qiáng)度，水浸泡是試驗(yàn)的基本條件。壓實(shí)度不同將會影響CBR值，同時(shí)還需要對材料的粒徑進(jìn)行限制。此外，為了比較摻碎石紅土粒料與碎石的區(qū)別，設(shè)置了不同的摻碎石比例。正交試驗(yàn)影響因子包括以下幾個(gè)。

(1) 碎石摻量

首先，根據(jù)非洲實(shí)際工程項(xiàng)目中道路基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對碎石摻量提出的要求；其次，盡可能充分利用當(dāng)?shù)卦牧?紅土粒料)。因此，對于摻碎石因子水平取50%和100%兩個(gè)。

(2) 碎石級配

碎石基層常用的有骨架密實(shí)、懸浮密實(shí)和骨架空隙3種集料結(jié)構(gòu)類型。大量工程實(shí)踐表明：骨架密實(shí)基層結(jié)構(gòu)的路用性能表現(xiàn)最佳，此次試驗(yàn)采用的級配設(shè)計(jì)是借鑒現(xiàn)行JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》和JTG D20-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的骨架密實(shí)型級配范圍，級配設(shè)計(jì)結(jié)果見圖3。此次正交試驗(yàn)中考慮了3種級配，分別為級配上限、級配中值和級配下限；其中級配下限與料場的未篩分碎石較接近，故直接選用未篩分碎石作為級配下限。

圖3 碎石級配曲線圖

(3) 擊實(shí)次數(shù)

不同的擊實(shí)次數(shù)對應(yīng)不同的壓實(shí)度，因此CBR值可從側(cè)面反映路基按規(guī)定的壓實(shí)度成型后的施工不均勻沉降情況。每一層擊實(shí)次數(shù)分別為27、59和98次，使試件的壓實(shí)度從低于85%到接近100%的最大壓實(shí)度。故因子壓實(shí)次數(shù)的水平取值為27、59和98次。

(4) 含水率

在考慮含水率對于不同級配碎石以及摻碎石紅土粒料力學(xué)性能的影響時(shí)，依據(jù)已有文獻(xiàn)以及工程實(shí)際情況可知，一般工程實(shí)際中級配碎石中因子含水率的水平取值為最佳含水率和最佳含水率±1%。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

通過擊實(shí)試驗(yàn)首先確定材料的最佳含水率和最大干密度，為后續(xù)CBR正交試驗(yàn)做準(zhǔn)備，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 材料干密度-含水率曲線圖

由圖4可知：

(1) 碎石級配上限、中值以及下限對應(yīng)的最佳含水率分別為6.0%、5.5%和3.5%；摻碎石紅土粒料的級配上限、中值和下限對應(yīng)的最佳含水率分別為8.5%、8.0%和6.5%。

(2) 碎石級配下限的最佳含水率明顯低于級配中值以及級配上限的最佳含水率。主要原因是碎石級配下限中細(xì)集料(粒徑小于4.75 mm)的含量為19%，而級配中值和級配上限的細(xì)集料含量分別為42.5%、55%，細(xì)集料表面積大、吸水能力強(qiáng)，細(xì)集料越多，最佳含水率也越高；碎石級配中值的最佳含水率為6%，摻碎石紅土粒料級配中值的最佳含水率為8%，說明摻碎石紅土粒料的需水量呈現(xiàn)明顯上升趨勢；碎石的含水率曲線相關(guān)系數(shù)為0.981 2，而摻碎石紅土粒料的干密度-含水率曲線相關(guān)系數(shù)為0.538 6，說明摻碎石紅土粒料干密度-含水率曲線的離散性增加。

由表1可知:紅土粒料的吸水率明顯高于集料用作柔性路面底基層的技術(shù)要求，因此可以判定造成摻碎石紅土粒料干密度-含水率曲線離散性增加的主要原因之一是紅土粒料的吸水性強(qiáng)于碎石，大部分水分遷移至紅土粒料導(dǎo)致外摻碎石紅土粒料的含水率測試結(jié)果離散性較大。

3.3 正交試驗(yàn)方案

綜合考慮各項(xiàng)因素的影響，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，4種因素及其水平見表2。采用L18(2×37)混合水平正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，共18組不同的試驗(yàn)。

表2 正交因素水平表

注：OMC為最佳含水率。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中T0134-1993承載比(CBR)試驗(yàn)方法規(guī)定：按3 層法擊實(shí)；試件需浸水96 h；位移加荷的速率控制在1～1.25 mm/min之間。對正交試驗(yàn)每個(gè)水平組合進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，并以其均值作為每組水平組合的最終試驗(yàn)結(jié)果，對于結(jié)果偏差較大的試驗(yàn)，需增加平行試驗(yàn)次數(shù)，通過比較剔除異常試驗(yàn)結(jié)果。最終結(jié)果均值如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)CBR結(jié)果

4.2 極差分析

極差分析法又稱直觀分析法，它具有計(jì)算簡單、直觀形象、易懂等優(yōu)點(diǎn)，是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法。通過極差分析法可以迅速判斷測試結(jié)果在多因子多水平下的變化趨勢，初步判斷對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響的因子以及各因子對應(yīng)的最佳水平。相應(yīng)的極差分析結(jié)果如圖5所示。

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，摻碎石比例、級配、擊實(shí)次數(shù)和含水率4個(gè)因子的極差值分別為14.1%、18.7%、48.4次和19.7%。隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，CBR值變化幅度最大；而因子含水率和摻碎石比例改變對CBR變化也有一定影響，但影響幅度相對較低。根據(jù)極差結(jié)果可知，因子擊實(shí)次數(shù)對CBR影響最大，其次是含水率和級配類型，在級配上限和最佳含水率狀態(tài)下可以獲得較高的CBR值，而摻碎石比例對CBR影響較小。也說明了在實(shí)際工程中必須嚴(yán)格控制路面路基材料的壓實(shí)度，選用合理的級配，保證材料在最佳含水率的狀態(tài)下被壓實(shí)。

圖5 各因子不同水平下的極差分析

4.3 方差分析

極差分析只能直觀反映各因子在不同水平下的變化大小，為了找出對該事物有顯著影響的因素以及顯著影響因素的最佳水平等，需要采用方差分析。在初始的方案設(shè)計(jì)中，由于該正交表是不完全正交表，故計(jì)算誤差的偏差平方和時(shí)，應(yīng)通過總偏差平方和減去各因子的偏差平方和得到，不考慮因子間的交互作用，根據(jù)計(jì)算表結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。

表4 方差分析與F檢驗(yàn)結(jié)果

注： **代表有非常顯著影響。

分析結(jié)果表明:擊實(shí)次數(shù)對結(jié)果有非常顯著影響(顯著性水平0.01)，說明在基層與底基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，壓實(shí)度是直接影響基層與底基層材料整體強(qiáng)度和剛度的重要控制指標(biāo)。因子級配類型、含水率和摻碎石比例不會顯著影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，最佳的水平組合為A1B1C3D2，即最佳的水平組合為摻碎石比例100%、級配上限、擊實(shí)98次和最佳含水率。施工需要在最佳含水率狀態(tài)下壓實(shí)，級配類型選擇在級配中值附近，一定碎石比例能提升紅土礫石的CBR值。碎石級配中值在最佳含水率時(shí)的CBR超過130%，而相同工況下?lián)剿槭t土粒料的CBR達(dá)到113.9%，接近碎石性能。參考JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定，摻碎石的紅土粒料，通過合理控制相關(guān)影響因素，可應(yīng)用于低等級道路基層和各類道路底基層。

5 結(jié)論與展望

(1) 摻碎石紅土粒料的需水量呈現(xiàn)明顯上升趨勢，摻碎石紅土粒料干密度-含水率曲線的離散性增加，主要原因之一是紅土粒料的吸水性較強(qiáng)，大部分遷移至紅土粒料。

(2) 試驗(yàn)中摻碎石比例、級配、壓實(shí)度和含水率4個(gè)影響因素中，壓實(shí)度對CBR具有顯著影響；級配類型、摻碎石比例與含水率因素對試驗(yàn)結(jié)果不具有顯著性影響。最佳的水平組合為A1B2C3D2，即最佳的水平組合為純碎石、級配中值、擊實(shí)98次和最佳含水率。說明在施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制壓實(shí)度、選擇級配中值狀態(tài)的碎石材料，在最佳含水率下進(jìn)行壓實(shí)。

(3) 摻碎石紅土粒料可顯著提升紅土粒料的CBR值，接近碎石材料的性能。合理控制相關(guān)影響因素，可使摻碎石紅土粒料滿足道路底基層及低等級道路基層的強(qiáng)度性能要求。

(4) 試驗(yàn)方法以及相關(guān)的指標(biāo)均參照國內(nèi)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而在非洲地區(qū)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大部分采用的是法國等國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，下階段將進(jìn)一步與法國、英國等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并將中外參數(shù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。