大粒徑級配碎石在循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下的變形規(guī)律分析

譚 波，楊 濤

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004)

0 引言

在道路建設(shè)工程中，級配碎石主要被應(yīng)用于底基層和墊層，屬于典型的彈塑性顆粒材料[1-2]。大粒徑級配碎石通常指公稱最大粒徑在25～63 mm的碎石混合料[3]，在我國道路工程建設(shè)中經(jīng)常使用在舊路改造和墊層中，已有學(xué)者研究證明其較常規(guī)粒徑級配碎石具有更好的承載能力和力學(xué)性能[4-5]。但對大粒徑級配碎石混合料在長期反復(fù)荷載作用下累積變形的相關(guān)研究卻鮮有報道，而大粒徑級配碎石混合料的累積變形作用對道路結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性非常重要。

為研究級配碎石在長期反復(fù)荷載作用下的變形規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者通過引入安定性理論對其進行了相應(yīng)的研究。Werkmester[6-7]通過三軸試驗對粒料類材料施加重復(fù)荷載并對其進行安定性分析，發(fā)現(xiàn)粒料類材料在不同荷載下變形規(guī)律差異較大，根據(jù)其變形規(guī)律可將試件劃分為3個安定性狀態(tài)。張吉慶[8]使用MTS試驗儀對級配碎石進行安定性測試，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)安定性行為與施加荷載大小有密切的關(guān)系，荷載越大結(jié)構(gòu)變形越大，試件越容易達到破壞狀態(tài)。研究表明結(jié)構(gòu)安定極限荷載隨材料屈服應(yīng)力的增大基本呈線性增長，粒料類材料在循環(huán)荷載作用下，試件整體結(jié)構(gòu)的安定性行為與圍壓、動應(yīng)力幅值和細(xì)顆粒含量緊密相關(guān)[9-10]。以往關(guān)于級配碎石在重復(fù)荷載下的安定性行為研究，大多使用三軸試驗儀或MTS試驗儀，對常規(guī)粒徑級配碎石試件施加重復(fù)荷載，通過對試件的變形規(guī)律進行分析然后判斷其安定性狀態(tài)，而對大粒徑級配碎石在循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓重復(fù)荷載下的安定性行為研究卻十分缺乏。

本研究在應(yīng)用安定性理論及相應(yīng)測試方法的基礎(chǔ)上，提出旋轉(zhuǎn)軸壓下大粒徑級配碎石安定性測試方法，根據(jù)逐級填充法[11]和i法[12]設(shè)計出6組級配碎石，對其開展安定性測試，揭示大粒徑級配碎石級配參數(shù)變化與安定性之間的規(guī)律，并結(jié)合6組級配碎石的CBR值結(jié)果與安定性的關(guān)系，提出大粒徑級配碎石的優(yōu)化設(shè)計方法。

1 安定性理論

1.1 安定性原理

安定性理論(Shakedown理論)最初用于研究具有明顯彈塑性行為的金屬體在溫度和荷載場耦合作用下的變形特性[8]，后由Sharp等[13]引入到對路面材料結(jié)構(gòu)的研究中來。通過眾多學(xué)者的研究和總結(jié)，認(rèn)為材料或結(jié)構(gòu)一般有3個安定性行為和2個臨界荷載，即：彈性安定、塑性蠕變、塑性增量累積破壞和安定臨界荷載、破壞臨界荷載[7]。

通常認(rèn)為路面材料或者結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力低于某值時，隨著重復(fù)荷載次數(shù)的增加，其應(yīng)變增加速率會越來越小，應(yīng)變趨于收斂。此時的應(yīng)力大小一般被稱為安定臨界荷載，它指材料達到彈性安定狀態(tài)時加載應(yīng)力的門檻值，在小于等于該荷載的重復(fù)作用下，其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)均為彈性響應(yīng)，最終產(chǎn)生的塑性變形趨于穩(wěn)定值，不會出現(xiàn)塑性的無限積累而最后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，在低于該應(yīng)力等級下試件的安定性行為被稱為安定狀態(tài)。當(dāng)路面材料承受的應(yīng)力大于某值時，安定狀態(tài)被打破，應(yīng)變率沒有減小的跡象甚至增大，應(yīng)變快速累積，此時的應(yīng)力值被稱為破壞臨界荷載，路面材料或結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力大于該荷載時會被破壞，此時的試件則處于塑性增量累積破壞狀態(tài)。當(dāng)荷載大于安定臨界荷載小于破壞臨界荷載時，試件處于塑性蠕變狀態(tài)。

級配碎石混合料具有明顯的骨架結(jié)構(gòu)特征，在受到反復(fù)荷載時會有明顯的累積變形行為。在實際工程中，道路受到過大重復(fù)荷載時會產(chǎn)生累積變形，變形量累積過大時其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會被破壞，出現(xiàn)脫空情況，然后使得道路基層和面層產(chǎn)生開裂進而影響道路結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。因此，研究大粒徑級配碎石混合料的安定性，需要分析它的安定臨界荷載和破壞臨界荷載值的大小和變形規(guī)律，并通過分析臨界荷載、變形規(guī)律和碎石級配類型之間的關(guān)系，提出適合于大粒徑碎石級配的優(yōu)化設(shè)計方法。

1.2 安定性測試及行為評價

前人在研究粒料類材料結(jié)構(gòu)安定性時主要的測試方法有2種：重復(fù)荷載三軸試驗和MTS試驗儀測試。2種方法都可進行重復(fù)荷載的三軸試驗，而MTS試驗儀還可進行重復(fù)荷載單軸試驗。基于以上2種方法，國內(nèi)外研究人員取得了大量科研成果，文獻[5]將循環(huán)重復(fù)荷載下的粒料類材料試件的狀態(tài)分為3種：彈性安定、塑性蠕變、塑性破壞，并以此為依據(jù)繪制了安定行為曲線，見圖1。

圖1 粒料材料在循環(huán)荷載作用下的變形行為[6]Fig.1 Deformation behaviors of granular materials under cyclic load

Dawson[14-15]對級配碎石材料進行室內(nèi)三軸試驗，發(fā)現(xiàn)粒料類材料由于沒有黏結(jié)料，在車輪荷載下只能承受壓應(yīng)力而不能承受拉應(yīng)力，所以粒料類材料的安定行為主要分為3個階段：塑性安定、塑性蠕變破壞、塑性變形積累增量破壞。

Werkmester以重復(fù)荷載三軸試驗為基礎(chǔ)，經(jīng)過大量研究分析后，總結(jié)出了粒料類材料在重復(fù)荷載下評價安定行為的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)以重復(fù)荷載次數(shù)3 000～5 000次累積軸向應(yīng)變Δε為基礎(chǔ)，計算兩荷載次數(shù)間累積軸向應(yīng)變的變化速率，然后以該速率的大小評價試樣處于何種狀態(tài)。具體評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

Δε5 000-Δε3 000≤4.5×10-5，材料處于彈性安定狀態(tài)(Range A)；4.5×10-5<Δε5 000-Δε3 000≤4.5×10-4，材料處于塑性蠕變狀態(tài)(Range B);Δε5 000-Δε3 000>4.5×10-4，材料處于塑性增量破壞狀態(tài)(Range C)。

近年來，Chen等[16]在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了改進，并通過使用其他學(xué)者的研究數(shù)據(jù)進行驗證，最后證明了其方法的合理性。該標(biāo)準(zhǔn)以Yin[17]提出的描述粒料類材料蠕變公式(式(1))為理論基礎(chǔ)。

(1)

式中，Δε為累積蠕變應(yīng)變；t為土樣產(chǎn)生蠕變過程中受到的重復(fù)荷載次數(shù)；Ψ′0，t0，Δε1為常量參數(shù)。

以式(1)為基礎(chǔ)，將循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓荷載作用圈數(shù)Ns和N0(見圖2)替換式(1)中的t和t0，為方便計算,將式(1)中的常量參數(shù)更換為ns和ms，得到式(2)：

(2)

式中，Δεs為試樣在旋轉(zhuǎn)軸壓重復(fù)荷載作用下的累積軸向應(yīng)變；1/ms為N趨于無窮時試樣的累積軸向應(yīng)變；1/ns為應(yīng)變曲線的斜率(見圖2)；N0為試樣開始產(chǎn)生塑性變形時的旋轉(zhuǎn)軸壓作用圈數(shù)；Ns為試樣處于塑性變形積累階段時的旋轉(zhuǎn)軸壓作用圈數(shù)。

圖2 循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓圈數(shù)選取節(jié)點[22]Fig.2 Selected points of cycles under cyclic rotary axial compression

圖2中N為試樣受到旋轉(zhuǎn)軸壓重復(fù)荷載的總?cè)?shù)，且Ns=N-N0。因此可得到式(3)。1/ns的大小即可表示累積軸向應(yīng)變變化的快慢速度，可用來較好地判斷循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下粒料類材料的安定性行為。

(3)

以試樣變形階段的旋轉(zhuǎn)軸壓作用圈數(shù)Ns+N0與N0比值的對數(shù)做為橫坐標(biāo)，試樣累積塑性應(yīng)變值作為縱坐標(biāo)繪制其變形曲線，即可繪制出圖3。

圖3 累積軸向應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)關(guān)系[16]Fig.3 Relationship between accumulated axial strain and rotary cycles

因為式(3)在推導(dǎo)過程沒有將材料性質(zhì)作為主要考慮的對象，主要考慮顆粒類材料在重復(fù)荷載作用下的累積變形規(guī)律，而大粒徑級配碎石混合料具有明顯的顆粒類材料特征，因此式(3)適用于分析大粒徑級配碎石混合料。結(jié)合式(3)可知試樣累積應(yīng)變等于應(yīng)變曲線斜率乘以橫坐標(biāo)的值，即：

Δεs=(1/ns)×lg[(Ns+N0)/N0]。

(4)

Chen[16]通過對以往研究人員的研究數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，最后給出了關(guān)于1/ns值與安定性行為的具體數(shù)值關(guān)系，即：

1/ns≤0.1，試件處于彈性安定狀態(tài)。

0.1<1/ns≤0.434，試件處于塑性蠕變狀態(tài)。

0.434<1/ns，試件處于塑性增量破壞狀態(tài)。

本研究以該方法為基礎(chǔ)，提出基于循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下級配碎石混合料試件安定性行為的評價標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗加載方式

此次研究采用旋轉(zhuǎn)施壓的方式實現(xiàn)剪切應(yīng)力和軸向壓力耦合作用機制，并使用道路材料振動旋轉(zhuǎn)壓實儀，對成型級配碎石試件實現(xiàn)循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓。該儀器具體性能參數(shù)如下。振動頻率：3 000次/min；振幅：0.6 mm；旋轉(zhuǎn)速率：5 r/min；施加壓力：100～700 kPa(可自由控制)。該儀器具有振動、旋轉(zhuǎn)和壓實功能，不僅可實現(xiàn)多種不同道路材料成型方式，還可觀測試樣在整個試驗過程中的軸向壓實位移變化。

道路材料振動旋轉(zhuǎn)壓實儀能在試驗過程中自動識別壓頭端載荷大小，因此在設(shè)定荷載大小后，儀器可自動根據(jù)實際荷載大小進行自動調(diào)整以保證荷載穩(wěn)定在設(shè)定荷載范圍。

循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓加載方式與三軸試驗和MTS試驗儀施加重復(fù)荷載時其作用機制存在較大區(qū)別，主要在于旋轉(zhuǎn)軸壓加載方式通過施加軸壓和試樣旋轉(zhuǎn)同時進行的方式，可以較好地實現(xiàn)軸壓和剪切應(yīng)力耦合作用，因此，研究循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下級配碎石的變形規(guī)律，可為今后大粒徑級配碎石道路基層在重復(fù)荷載下的變形分析提供一些參考和借鑒。

3 原材料及制樣

3.1 原材料

(1)細(xì)骨料：采用路用粒徑4.75 mm 以下的花崗巖碎石顆粒。

(2)粗骨料：采用路用花崗巖碎石，粒徑范圍在4.75～53 mm之間。碎石材料性質(zhì)如表1所示。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indictors of aggregate

(3)水：日常飲用水。

3.2 制樣方式

此次研究碎石混合料使用的成型制樣儀器為道路材料振動旋轉(zhuǎn)壓實儀。經(jīng)過前期對道路材料振動旋轉(zhuǎn)壓實儀進行制樣方式研究，總結(jié)出具體制樣試驗步驟：(1)按級配稱取5 kg碎石混合料，壓實前預(yù)留200 g細(xì)集料作撒粉用。(2)將4 800 g碎石混合料按最佳含水率加水，攪拌均勻后使用保鮮膜密封養(yǎng)護12 h。(3)將養(yǎng)護好的碎石混合料分為2份分2層壓實，每層壓實4 min。(4)將預(yù)留的200 g細(xì)料均勻灑在碎石混合料表層，并噴最佳含水率的水，壓實4 min。(5)將壓實完畢的碎石混合料靜置1 d，然后進行各項力學(xué)性能測試。

3.3 試件制作

試驗用大粒徑級配碎石混合料取自廣西某高速公路施工點。其中表2中SJJP開頭的5個級配類型是通過設(shè)計出來的理論級配，使用的級配設(shè)計方法為：運用逐級填充法設(shè)計3檔粗骨料比例，用i法設(shè)計細(xì)集料組成比例，最后將不同比例粗骨料與細(xì)集料混合料混合，共選出5組設(shè)計級配進行研究。為對比分析大粒徑級配碎石與常規(guī)粒徑級配碎石安定性行為的差異性，根據(jù)規(guī)范[18]推薦級配范圍選用中值級配GFJP-1進行對比試驗。

表2 各級配篩分通過率Tab.2 Screen passing rate of different gradations

研究表明，含水率對于級配碎石的壓實密度、應(yīng)力、應(yīng)變都有影響，因此大粒徑級配碎石混合料試樣制作時采用最優(yōu)含水率，最優(yōu)含水率為4.1%。具體的制樣過程采用3.2節(jié)中建議的制樣方式。試樣筒尺寸內(nèi)徑150 mm，高230 mm。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 安定性分析(以SJJP-5為例)

對SJJP-5級配大粒徑碎石混合料施加不同荷載等級的100圈循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓重復(fù)荷載，其累積軸向應(yīng)變與作用圈數(shù)的關(guān)系見圖4。根據(jù)式(3)計算SJJP-5大粒徑碎石混合料試件的安定行為評價參數(shù)1/ns，其中初始作用圈數(shù)N0取10，累積作用圈數(shù)N取100，繪制1/ns與不同荷載的關(guān)系圖，并用1.2節(jié)中的1/ns值大小的評價標(biāo)準(zhǔn)判斷SJJP-5試件在不同荷載等級下的安定行為狀態(tài)，具體分析見圖11。

圖4 不同荷載下級配碎石累積軸向應(yīng)變Fig.4 Accumulated axial strains of graded crushed stone under different loads

根據(jù)圖4試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SJJP-5級配碎石試件在不同荷載等級循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下，其變形規(guī)律差異很大。荷載為160 kPa和200 kPa時，試件經(jīng)過彈性變形階段后，累積軸向應(yīng)變不再增加，基本上處于彈性安定狀態(tài)；荷載為240，280，320 kPa時，試件先是經(jīng)過彈性變形階段的應(yīng)變快速累積階段，然后隨著旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加累積應(yīng)變有一點增加，累積軸向應(yīng)變變化速率很??；荷載達到360 kPa時，試件在經(jīng)過彈性變形階段后，其累積軸向應(yīng)變依然在以較快的速度增加；當(dāng)荷載達到400 kPa時，累積軸向應(yīng)變變化速率則變得非常高，因此可判斷試件在400 kPa 荷載旋轉(zhuǎn)軸壓下整個試件的骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，此時屬于明顯的塑性增量破壞狀態(tài)。

根據(jù)圖5的試驗結(jié)果可分析出SJJP-5級配碎石試件在不同荷載等級下的安定行為。當(dāng)荷載低于200 kPa 時，試件基本上處于彈性安定狀態(tài)，當(dāng)荷載達到200 kPa時，其1/ns值已經(jīng)超過了0.1，根據(jù)1.2中的評價標(biāo)準(zhǔn)，說明SJJP-5試件的安定臨界荷載在200 kPa附近且高于200 kPa。荷載等級在200～320 kPa間時，SJJP-5試件處于塑性蠕變狀態(tài)，當(dāng)荷載達到320 kPa時，其1/ns值已較接近0.434，根據(jù)1.2中的評價標(biāo)準(zhǔn)，說明SJJP-5試件的破壞臨界荷載就在320 kPa附近且低于320 kPa。

圖5 級配碎石試件安定行為劃分Fig.5 Classification of shakedown behaviors of graded crushed stone specimens

當(dāng)荷載大于320 kPa時，SJJP-5試件在循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下的累積軸向應(yīng)變快速增加，且沒有趨于收斂的跡象，該現(xiàn)象說明此時試件內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)已遭受到嚴(yán)重的破壞且碎石顆粒有了錯移情況。若該現(xiàn)象出現(xiàn)在道路實際工程中，表面道路結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，因此實際工程中需要避免達到破壞臨界荷載。

4.2 級配對安定行為的影響

為分析不同級配碎石試件在不同等級荷載下的安定性行為和臨界荷載差異，對6組級配類型大粒徑碎石混合料進行循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓測試，每組級配類型每個荷載測試等級下的試樣為3個，此次研究一共測試了126個試樣的變形數(shù)據(jù)。在進行不同等級荷載下的循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓測試后，計算其1/ns均值并評價各自的安定行為狀態(tài)，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 六組級配試件安定行為狀態(tài)及臨界荷載Tab.3 Shakedown behavior statuses and critical loads of 6 groups graded crushed stone

表3中臨界荷載根據(jù)其測試壓強與安定性行為參數(shù)1/ns值使用插值法計算得出，具體計算公式見式(4)和式(5)。

表3中臨界荷載根據(jù)其測試壓強與安定性行為參數(shù)1/ns值然后使用插值法計算得出，具體計算公式為：

(5)

式中，F(xiàn)a為安定臨界荷載；1/ns1為試件安定行為參數(shù)1/ns小于0.1但最接近0.1時的值；1/ns2為試件1/ns大于0.1但最接近0.1時的值；Fa1為1/ns1值對應(yīng)的試驗荷載值。

(6)

式中，F(xiàn)p為破壞臨界荷載；1/ns3為試件安定行為參數(shù)1/ns小于0.434但最接近0.434時的值；1/ns4為試件1/ns大于0.434但最接近0.434時的值；Fp1為1/ns3值對應(yīng)的試驗荷載值。

4.2.1 級配類型影響

根據(jù)表3的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，級配類型不同的碎石試件的安定性狀態(tài)、安定臨界荷載和破壞臨界荷載差異很大。大粒徑碎石SJJP-3試件安定臨界荷載高達215 kPa，而常規(guī)粒徑碎石GFJP-1試件僅為174.55 kPa，二者相差較大的原因是常規(guī)粒徑碎石試件比大粒徑碎石混合料試件的抗變形和承載能力更弱，導(dǎo)致其在相同等級荷載下更容易發(fā)生變形，因此常規(guī)粒徑碎石試件更容易發(fā)生塑性蠕變。

表3試驗結(jié)果表明，6組級配碎石試件的破壞臨界荷載相差不大，差異最大的2組試件其差值也未超過4%，原因是在較大的荷載下各碎石試件密實度達到了頂峰且相差不大，同一材料在密實度相差不大的情況下其抗破壞能力沒有太大區(qū)別。

4.2.2 級配參數(shù)影響

為深入分析6組級配各級配參數(shù)對其安定性行為和臨界荷載的影響，繪制了幾個重要篩孔的篩分通過率與其累積軸向應(yīng)變、安定臨界荷載及破壞臨界荷載間的關(guān)系，見圖6和圖7。

圖6 級配參數(shù)與安定臨界荷載關(guān)系Fig.6 Relationships between gradation parameters and critical shakedown load

圖7 級配參數(shù)與破壞臨界荷載關(guān)系Fig.7 Relationships between gradation parameters and critical failure load

從圖6可發(fā)現(xiàn)，安定臨界荷載與26.5 mm篩通過率關(guān)系最大，當(dāng)26.5 mm篩通過率增大時，其安定臨界荷載就會下降。該現(xiàn)象說明，在粒徑大的碎石含量更少時，試件的骨架結(jié)構(gòu)性能就會減弱而導(dǎo)致試件的整體結(jié)構(gòu)抗變形和承載能力減弱。在5組設(shè)計級配中，其安定臨界荷載與4.75 mm篩通過率呈現(xiàn)出較強的關(guān)系，隨著4.75 mm篩通過率的增大，試件的安定臨界荷載也在增大，這表明試件中較細(xì)顆粒的碎石含量越多其密實程度越高，由此導(dǎo)致其抗變形能力和承載能力就會更強。

綜上分析，可發(fā)現(xiàn)級配碎石試件的安定臨界荷載不僅與大粒徑碎石含量有關(guān)，也與細(xì)顆粒碎石含量有關(guān)，因此在設(shè)計大粒徑級配碎石混合料試件時，既要考慮其大顆粒碎石的含量以增強其骨架結(jié)構(gòu)性能，也要考慮其密實程度。圖7中呈現(xiàn)的各級配試件的破壞臨界荷載變化并不大，但結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SJJP-3和SJJP-4的破壞臨界荷載最大。

從圖8可發(fā)現(xiàn)，試件的累積軸向應(yīng)變與篩分通過率呈現(xiàn)的關(guān)系為：當(dāng)26.5 mm篩通過率大幅度增大時，其累積軸向應(yīng)變也會大幅度增加，說明大粒徑碎石含量越低試件抗變形能力越弱。而在5組設(shè)計級配碎石混合料試件中，這一規(guī)律并不是很滿足，原因是5組設(shè)計級配試件中粒徑大于26.5 mm的碎石含量相當(dāng)，而隨著其細(xì)顆粒碎石含量的增加，其密實程度得到了提升，試件的整體抗變形能力與承載能力也得到了增強。因此，級配碎石試件的抗變形能力和承載能力與其骨架結(jié)構(gòu)性能和密實程度都存在關(guān)系，這也證明了圖6和圖7的分析結(jié)論。

圖8 級配參數(shù)與280 kPa荷載下的累積軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.8 Relationships between gradation parameters and accumulated axial strain under 280 kPa load

4.2.3CBR值與累積軸向應(yīng)變的關(guān)系

CBR值是描述級配碎石混合料承載能力和抗變形能力的一個重要參數(shù)，CBR值越大表示碎石試件的骨架結(jié)構(gòu)性能越強，其承載能力和抗變形能力也越強。參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[18]進行CBR試驗，測試6組級配碎石試件的CBR值，結(jié)果見表3。根據(jù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，CBR值越大的試件其安定臨界荷載也越大，表明碎石混合料的骨架結(jié)構(gòu)性能越強,其抗變形和承載能力也越強。為分析CBR值與各級配累積軸向應(yīng)變的關(guān)系，繪制CBR值與不同等級荷載100圈作用圈數(shù)后的累計軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，見圖9。

圖9 六組級配CBR與不同荷載下的累積軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.9 Relationships between CBR values and accumulated Vaxial strain of 6 groups of graded crushed stone under different loads

圖9表明，級配碎石試件CBR值越大其累積軸向應(yīng)變越小，說明級配碎石混合料試件的骨架結(jié)構(gòu)性能越強,其抗變形和承載能力也越強，該結(jié)果也證明了前述CBR值與臨界荷載關(guān)系的合理性。其中SJJP-3和SJJP-4試件的CBR值在6組級配中最大，其累積軸向應(yīng)變也比其他級配試件更小，因此從CBR和累計軸向應(yīng)變角度可說明SJJP-3和SJJP-4級配碎石試件的性能較其他幾組級配更加良好。

根據(jù)對各級配碎石試件的CBR值、累計軸向應(yīng)變、級配參數(shù)和臨界荷載的綜合分析，發(fā)現(xiàn)大粒徑碎石混合料在大粒徑碎石含量恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，密實度更高的試件力學(xué)性能更強，推薦大粒徑碎石的級配范圍應(yīng)控制在SJJP-3和SJJP-4之間。

5 結(jié)論

(1)通過對前人關(guān)于粒料類材料安定性研究進行總結(jié)，提出了一種適用于評價循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下大粒徑級配碎石試件安定性行為的方法。

(2)大粒徑級配碎石試件在循環(huán)旋轉(zhuǎn)軸壓下，其累積軸向應(yīng)變隨著荷載的提升而增加，且累積軸向應(yīng)變增加的速率隨著荷載等級的提升快速增大。大粒徑級配碎石試件較常規(guī)粒徑級配碎石試件具有更強的骨架結(jié)構(gòu)性能，更優(yōu)的安定性、抗變形和承載能力。

(3)在本次試驗中，大粒徑級配碎石試件安定臨界荷載最低為192.63 kPa，最高為215 kPa，均明顯高于常規(guī)粒徑碎石試件的174.55 kPa，因此常規(guī)粒徑級配碎石試件更容易發(fā)生塑性蠕變。

(4)試件的累積軸向應(yīng)變、安定臨界荷載和破壞臨界荷載與級配參數(shù)間的關(guān)系表明，試件的抗變形能力和承載能力與其骨架結(jié)構(gòu)性能和密實程度均存在密切關(guān)系，級配碎石試件在恰當(dāng)?shù)拇罅剿槭恳约拜^高的密實程度下具有更優(yōu)的性能表現(xiàn)。

(5)隨著CBR值的增大，試件的軸向累積應(yīng)變減小，表明試件的變形與其骨架結(jié)構(gòu)性能有著密切的關(guān)系。綜合分析安定臨界荷載、破壞臨界荷載、CBR值、累積軸向應(yīng)變和級配參數(shù)之間的關(guān)系，最后推薦最佳級配設(shè)計范圍在SJJP-3和SJJP-4之間。