加筋碎石力學(xué)性能試驗研究

鄧立學(xué) 胡幼常

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

我國目前的高等級公路以半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為主，這種路面強度高，經(jīng)濟性好，施工技術(shù)成熟，但半剛性基層難以避免地形成收縮裂縫引起的路面反射裂縫，導(dǎo)致瀝青面層早期破壞。碎石材料基層作為除半剛性基層外另一種被廣泛使用的基層和墊層形式，不僅材料廉價而且具備良好的承載性能和透水能力，將其用作瀝青路面的基層能有效消減和吸收面層傳遞而來的應(yīng)力并起到擴散作用，用于半剛性基層和瀝青面層之間時可以有效改善路面結(jié)構(gòu)的受力并減緩或阻止反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[1]。然而碎石作為一種散體材料，剛度很低，抗變形較差，導(dǎo)致碎石基層瀝青路面在荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生較大塑性變形。因此，通常需要采用較厚的瀝青面層，使造價大幅提高，這一缺陷極大地限制了碎石基層在高等級路面中的應(yīng)用。

加筋技術(shù)可以有效提高粗粒土的的強度和剛度?，F(xiàn)有試驗研究表明，小間距(20 mm左右)土工合成材料加筋土體表現(xiàn)出良好的整體性，是一種“似連續(xù)”材料，剛度和強度得到大幅提高[2]。Wu[3]發(fā)現(xiàn)粗粒土加筋層間距不大于20 cm的加筋粗粒土具有明顯的筋-土復(fù)合材料特性，土粒間有較大的似黏聚力，表現(xiàn)出良好的整體性。一些試驗也表明小間距加筋粗粒土結(jié)構(gòu)承載能力和抗變形能力高，且具備承受大變形的能力和極高的韌性[4-6]。級配碎石是一種性質(zhì)優(yōu)良的粒料土，廣泛用于路面基層和墊層。一些試驗研究表明，加筋碎石復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力相較于未加筋的碎石有很大提高，回彈模量增大，整體性增強，加筋碎石基層相當(dāng)于半剛性基層的使用效果[7-10]。因此，若對加筋碎石復(fù)合體進行合理地設(shè)計，就有望應(yīng)用于高等級瀝青路面結(jié)構(gòu)之中。而要達(dá)到這一目的就必須對它的基本力學(xué)性能進行更加詳細(xì)具體的研究。為此，在上述加筋土結(jié)構(gòu)試驗研究和理論指導(dǎo)下，本文類比于半剛性基層材料的強度試驗方法對加筋級配碎石完成了一系列的無側(cè)限抗壓試驗，以研究加筋碎石復(fù)合體的力學(xué)性能，以期得出有益的結(jié)論。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料及試驗方法

試驗所用碎石為石灰石。參照J(rèn)TG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》的規(guī)定，采用過篩后的碎石配制了2種不同級配的碎石，記為G1和G2。其中G1適用于高等級路面結(jié)構(gòu)的基層，G2適用于低等級路面結(jié)構(gòu)的基層和高等級路面結(jié)構(gòu)的底基層，它們的級配情況見表1及圖1。采用振動擊實試驗測定級配碎石最佳含水率和最大干密度，結(jié)果見表2。

表1 碎石級配表

圖1 碎石的級配曲線

表2 擊實試驗結(jié)果

試驗中采用了無紡?fù)凉げ?、雙向土工格柵和三向土工格柵3種土工加筋材料，筋材試樣見圖2。土工布單位面積質(zhì)量204.3 g/m2，厚度2.03 mm，縱向和橫向破壞拉力均為7.12 kN/m、斷裂伸長率分別為59%，67%。雙向土工格柵網(wǎng)孔凈尺寸為37 mm×40 mm，縱肋寬4 mm、橫肋寬5 mm、厚2.4 mm，節(jié)點厚4.8 mm，抗拉強度指標(biāo)見表3；三向土工格柵物理、力學(xué)指標(biāo)見表4，其中X向為橫肋方向，Y向為垂直于X的方向。

圖2 加筋材料試樣

表3 雙向土工格柵的力學(xué)指標(biāo)

表4 三向土工格柵物理、力學(xué)指標(biāo)

加筋碎石試件為直徑152 mm、高150 mm的圓柱體。所有試件均采用振動擊實儀在最佳含水率下成型。其制備方法如下：在金屬試筒內(nèi)表面均勻涂抹潤滑油，將薄乳膠膜套入試筒使其與試筒內(nèi)表面緊密貼合，并將兩端預(yù)留伸出筒外的部分外翻套于試筒外壁后用橡皮箍扎緊，這樣就形成了內(nèi)為乳膠膜、外為金屬試筒的試模；然后采用體積控制法填入碎石，并分3層擊實，每層高度50 mm，按照加筋方案每填到預(yù)定高度就鋪設(shè)1層加筋材料，反復(fù)交替，擊實，直至全部質(zhì)量填料填完，且試樣高度達(dá)到150 mm為止；再采用液壓脫模機進行脫模，即在脫模儀上放置1塊厚40 mm、直徑150 mm的墊塊，將做好的試件及試筒置于墊塊之上，將試件底部與墊塊對齊，再將之前兩端外翻的乳膠膜翻回，其中下部套于墊塊上，啟動脫模機，將試件緩緩?fù)瞥鲈囃?，然后用橡皮箍把乳膠膜和下部墊塊扎緊，至此試件制作完成，試件見圖3a)。

將制作完成的試件置于路強儀上，將之前翻回的上端乳膠膜包住路強儀加壓墊塊，啟動路強儀進行無側(cè)限抗壓試驗。路強儀采用應(yīng)變控制式加荷，加荷速率為1.2 mm/min，壓應(yīng)變達(dá)到25%時終止。試驗過程中從儀器上讀取壓應(yīng)力數(shù)據(jù)，人工記錄壓應(yīng)變數(shù)據(jù)，見圖3b)。

圖3 試件制備及加壓

1.2 試驗方案

采用土工布、雙向土工格柵和三向土工格柵3種加筋材料，分別按90%，92%，94%，96%和98%共5種壓實度成型試件。采用了0～5層等間距加筋方案，見圖4。

圖4 試件的加筋方案(尺寸單位：mm)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 筋材類型對加筋碎石無側(cè)限抗壓強度的影響

未加筋和加筋層數(shù)n=1，3，5，壓實度K=90%時3種筋材加筋G1碎石試件的應(yīng)力(q)-應(yīng)變(ε)曲線見圖5。由圖5可見，級配碎石材料經(jīng)過加筋處理后無側(cè)限抗壓強度得到提高，雙向土工格柵的加筋效果要優(yōu)于三向土工格柵，且2種格柵加筋效果遠(yuǎn)優(yōu)于土工布。這是因為土工布的強度和抗變形能力要遠(yuǎn)低于土工格柵，隨著應(yīng)變的增大，在壓力作用下土工布容易隨著試樣鼓脹發(fā)生較大形變而很快發(fā)生破壞，導(dǎo)致試件的抗壓強度值上升較土工格柵加筋試件的慢，且增長幅度較土工格柵小。由于三向土工格柵強度較雙向土工格柵低，在應(yīng)變較大時發(fā)生破壞，導(dǎo)致三向土工格柵加筋試件后期抗壓強度增長減緩。試驗結(jié)束后取出筋材，觀察到筋材變形破壞情況(見圖6)印證了上述分析。觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，筋材發(fā)生破損后試件無側(cè)限抗壓強度值在下降后很快恢復(fù)且仍然能保持相對較緩的速度增長。由圖6可見，試件豎向中部的筋材破壞程度最為嚴(yán)重；上部和下部次之，且破壞程度接近。這說明筋材是逐步發(fā)揮加筋作用的，部分筋材出現(xiàn)破壞后，加筋試件仍能保持較高的殘余強度，這有利于保證加筋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不會在結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)破壞后就迅速失穩(wěn)而完全喪失承載能力。

圖5 不同加筋材料的加筋碎石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 破損的筋材

2.2 加筋層數(shù)對加筋碎石無側(cè)限抗壓強度的影響

由上文分析可知，試驗采用的3種筋材中雙向土工格柵加筋效果最好，故后續(xù)試驗中均采用雙向土工格柵。圖7為壓實度K=94%和98%時不同層數(shù)的雙向土工格柵加筋G1碎石試件的q-ε曲線。

圖7 不同加筋層數(shù)時加筋碎石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖7可見，加筋級配碎石的無側(cè)限抗壓強度隨加筋層數(shù)增多而增長，加筋層數(shù)較多時抗壓強度存在一個峰值，達(dá)到峰值后試件抗壓強度出現(xiàn)下降或起伏。加筋層數(shù)較少時(n=1)，試樣的無側(cè)限抗壓強度相比于未加筋的情況雖有較大提升，但仍很小，94%壓實度時為0.39 MPa，98%壓實度時為0.57 MPa。這說明當(dāng)土工格柵加筋間距較大(即加筋層數(shù)較少)時，加筋碎石的抗壓強度增長有限，加筋效果不夠理想。而當(dāng)加筋層數(shù)較多(n=2，3，4，5)時，加筋試件的抗壓強度隨加筋層數(shù)增加而提高，且提高幅度較大，說明加筋效果更好。

2.3 壓實度對加筋碎石無側(cè)限抗壓強度的影響

圖8為加筋層數(shù)n=2，3，壓實度K=90%～98%時雙向土工格柵加筋G1碎石試件的q-ε曲線。

圖8 不同壓實度時加筋級配碎石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖8可見，加筋碎石無側(cè)限抗壓強度隨著試樣壓實度的增大而增長，壓實度越高，加筋效果越好。壓實度較低時(K=90%)，抗壓強度隨應(yīng)變增大而快速增長，且一般在25%應(yīng)變時仍未達(dá)到峰值，曲線呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征。壓實度較高時(K≥92%)，在25%應(yīng)變范圍內(nèi)，抗壓強度隨應(yīng)變增大而快速增長至出現(xiàn)峰值，且相同加筋層數(shù)的試件強度峰值較為接近。表5列出了加筋層數(shù)n=2，3，壓實度K≥92%時的峰值抗壓強度qu及對應(yīng)的應(yīng)變值εu。

表5 峰值抗壓強度qu和對應(yīng)的應(yīng)變εu

由表5可見，相同加筋層數(shù)時，隨著壓實度增大，峰值抗壓強度qu有所提高，但對應(yīng)的應(yīng)變εu則隨之減小。應(yīng)變ε=25%時，不同壓實度試件的抗壓強度接近。這說明試件初始壓實度越高，抗壓強度隨應(yīng)變增長越快，容易達(dá)到格柵出現(xiàn)破壞時的峰值；而初始壓實度較低的試件經(jīng)壓縮至較大應(yīng)變時其密實度會提高，因而也能達(dá)到與初始壓實度較高試件相近的強度值。

表6列出了加筋層數(shù)n=2,3，應(yīng)變ε=5%,13%時不同壓實度加筋碎石試件的無側(cè)限抗壓強度q和增長率θ。從中可以看出，壓實度從90%增加到92%時，抗壓強度增長率最大，壓實度從94%增加96%時，抗壓強度增長率一般較壓實度在92%～94%區(qū)間的要高，而壓實度從96%增加到98%時，強度增長率較壓實度在94%～96%區(qū)間要小?？梢?，壓實度增大到一定程度后，其對加筋碎石的抗壓強度的影響是減小的。

表6 ε=5%，13%時，不同壓實度下試件抗壓強度及增長率θ

2.4 級配對加筋碎石無側(cè)限抗壓強度的影響

圖9為雙向土工格柵加筋層數(shù)n=3，4，壓實度K=90%時加筋G1、G2碎石試件的無側(cè)限抗壓試驗q-ε曲線。

圖9 碎石級配對加筋試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

由圖9可見，加筋G2碎石的試件，其抗壓強度要高于加筋G1碎石。二者之差不僅隨壓應(yīng)變的增長逐漸增大，還隨加筋層數(shù)的增多而增大。這說明加筋層數(shù)較多時，即使應(yīng)變較小，格柵的加筋效果也能發(fā)揮出來。格柵對G2碎石的加筋效果優(yōu)于G1碎石，而G2的級配比G1粗，這說明對于土工格柵加筋碎石而言，碎石中的粗顆粒越多，加筋效果越好。G1和G2 2種碎石的加筋試件，其抗壓強度在應(yīng)變較小時相近，是因為此時試件產(chǎn)生的豎向和側(cè)向變形都較小，還處在壓密階段，格柵的變形較小，其加筋作用并未完全發(fā)揮出來。

3 結(jié)語

通過多種工況的無側(cè)限抗壓試驗和對試驗結(jié)果的分析，得到以下主要結(jié)論。

1) 碎石加筋后無側(cè)限抗壓強度得到提高，格柵的加筋效果遠(yuǎn)優(yōu)于土工布。筋材的加筋作用是逐步發(fā)揮的，部分筋材出現(xiàn)破壞后，加筋試樣仍能保持較高的殘余強度。

2) 加筋碎石試件的無側(cè)限抗壓強度隨加筋層數(shù)增多而增長，加筋層數(shù)少時加筋效果較差，加筋層數(shù)較多時加筋效果較好。同時加筋碎石無側(cè)限抗壓強度隨著試件壓實度的增大而提高，加筋層數(shù)較多、壓實度較高時，抗壓強度一般存在峰值，且壓實度越高，峰值出現(xiàn)越早，相同加筋層數(shù)時的峰值強度較為接近。加筋層數(shù)增多或壓實度增大，對加筋碎石的抗壓強度的影響是逐漸減小的，需要綜合考慮壓實度和加筋層數(shù)的影響。

3) 應(yīng)變較小時，級配對加筋碎石的無側(cè)限抗壓強度影響較小。加筋層數(shù)較多，在較小應(yīng)變時格柵的加筋效果就能發(fā)揮出來。碎石中粗顆粒含量越高，加筋效果越好。