級配碎石變形特性的試驗(yàn)

康興祥，馬 骉，李 寧，司 偉，王小慶

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

級配碎石具有良好的力學(xué)特性，能夠有效分散行車荷載對路面造成的應(yīng)力作用[1].對于交通繁重、雨量集中及地基承載能力不佳的路段，常在半剛性基層和瀝青面層間設(shè)置級配碎石，發(fā)揮柔性基層變形協(xié)調(diào)、利于滲水排水的優(yōu)勢，可有效減少半剛性基層引起的反射裂縫等病害[2].因此，級配碎石被大范圍應(yīng)用于高等級路面的基層和底基層[3].隨著級配碎石層的逐漸推廣，國內(nèi)外學(xué)者也開始探索級配碎石材料的力學(xué)性能，主要包括對加州承載比(California bearing ratio,CBR)值、彈塑性變形及彈性模量等參數(shù)的研究[1].

對于級配碎石力學(xué)性能的研究，最早采用CBR試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)操作簡單、費(fèi)用低，至今仍為JTG E4—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法.研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)CBR試驗(yàn)采用的靜力荷載，無法模擬實(shí)際工程中的工況，并且試驗(yàn)結(jié)果具有很大的離散性[4].鑒于此，謝遠(yuǎn)勇等[5]在傳統(tǒng)CBR試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，加載方式由原來的靜態(tài)荷載改進(jìn)為動態(tài)荷載，研究發(fā)現(xiàn)骨架密實(shí)型級配的CBR值最大，其力學(xué)性能最優(yōu).A.ARAYA等[6]提出了重復(fù)加載CBR試驗(yàn)，并建立了重復(fù)加載CBR和三軸試驗(yàn)之間的等效關(guān)系，通過重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)有效地估計(jì)了碎石材料的彈性模量.近年來，除對傳統(tǒng)CBR試驗(yàn)的改進(jìn)外，LI Q.等[7]采用精密非粘結(jié)材料分析儀(precision unbound materials analyzer，PUMA)進(jìn)行一系列顆粒材料的室內(nèi)試驗(yàn)，分析了加載頻率對基層材料模量的影響，并依照美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)AASHTO T307—1999《土壤和混合材料回彈模量測定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行了三軸試驗(yàn).對比2種試驗(yàn)方法得出的回彈模量，發(fā)現(xiàn)利用PUMA試驗(yàn)得到的回彈模量稍大于或基本接近三軸試驗(yàn)，具體關(guān)系取決于材料特性，且對于PUMA試驗(yàn)，豎向荷載與圍壓間存在顯著線性關(guān)系，加載頻率對回彈模量具有顯著影響.李寧等[8]通過PUMA試驗(yàn)，研究單級和多級加載模式下級配碎石的性能.J.KWON等[9]以4種不同來源的集料為原材料，通過PUMA試驗(yàn)與圖像分析軟件，研究集料形狀特性對回彈模量和泊松比的影響，發(fā)現(xiàn)表面粗糙、棱角性較好的集料具有更大的回彈模量，認(rèn)為僅以回彈模量作為粒料基層的抗車轍性能評價(jià)指標(biāo)難以滿足要求.

重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)和PUMA試驗(yàn)都是近年來國內(nèi)外學(xué)者在研究級配碎石性能過程中采用的主要研究手段[10]，但2種試驗(yàn)方法由于試驗(yàn)原理和設(shè)備的不同，必然存在一定的差異性.為此，本研究通過對不同級配組成、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及密實(shí)度的級配碎石材料分別進(jìn)行重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)和PUMA試驗(yàn)，對級配碎石抗變形性能進(jìn)行分析，闡述重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)與PUMA試驗(yàn)的異同點(diǎn)，為今后級配碎石材料性能研究以及實(shí)際施工提供理論參考.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

試驗(yàn)材料來源為陜西省銅川市.選用3種不同級配的碎石混合料，采用振動壓實(shí)成型試件.級配碎石混合料選用A、B及C等3種級配，3種級配細(xì)集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近，約為35%，級配A中粒徑為13.20～26.50 mm的碎石混合料質(zhì)量與4.75～13.20 mm質(zhì)量之比最大，因此級配A最粗，級配B次之，級配C最細(xì).3種級配碎石的級配篩分曲線見圖1.

圖1 3種級配碎石的篩分曲線

1.2 試驗(yàn)方法對比

1.2.1PUMA試驗(yàn)

PUMA試驗(yàn)借助精密非粘結(jié)材料分析儀，簡化了復(fù)雜的室內(nèi)試驗(yàn)方法，獲得更為精準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)基本原理如下：為模擬工地實(shí)況，在進(jìn)行非粘結(jié)材料試驗(yàn)時不能只施加豎向荷載，還應(yīng)包括水平約束應(yīng)力作用，且該水平約束應(yīng)力會隨豎向荷載的增大而增大.基于以上試驗(yàn)要求，PUMA試驗(yàn)設(shè)備采用“彈簧加載側(cè)壁”的方式提供圍壓，豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)徑向擴(kuò)張，圍壓增大，更加符合實(shí)際道路結(jié)構(gòu)中級配碎石層的受力狀態(tài).

在PUMA試驗(yàn)中，位移傳感器可監(jiān)測試件頂部發(fā)生的回彈變形LRi，采用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

LRi=DPKi-(Dmin(i+1)-Dmini)=DPKi-ΔDi，

(1)

式中：DPKi為第i次加載時最大變形值，mm；Dmini、Dmin(i+1)分別為第i、i+1次加載前變形值，mm；ΔDi為第i次加載的相對變形值，mm.

由于回彈變形與彈性模量直接相關(guān)，本研究直接利用回彈變形描述級配碎石結(jié)構(gòu)的彈性變形行為.PUMA試驗(yàn)儀器及模具如圖2所示.PUMA試驗(yàn)儀器主要由4個部件組成，分別為試驗(yàn)機(jī)架、模具、信號傳接裝置和氣壓控制裝置(見圖2a).試驗(yàn)中所用到的試驗(yàn)?zāi)＞咧饕℉形卡槽、弧形壁板、約束帶、環(huán)箍及底座等(見圖2b).

圖2 PUMA試驗(yàn)儀器及模具

PUMA模具內(nèi)徑為150 mm，高度為150 mm.采用下振式振動臺與配重塊成型試件時，分3層稱量、裝填顆粒，并利用攪拌機(jī)拌和均勻.PUMA設(shè)備可施加正弦波.PUMA施加的正弦波荷載示意圖見圖3.

圖3 PUMA施加的正弦波荷載示意圖

荷載大小為0.18～14.13 kN，其中0.18 kN為保證壓頭與試件緊密接觸而設(shè)定的預(yù)壓力.

1.2.2重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)

重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)是在傳統(tǒng)CBR試驗(yàn)基礎(chǔ)上，與MTS機(jī)和電子數(shù)顯千分表組合而成的一套裝置，其中MTS機(jī)對試件施加重復(fù)動荷載，電子數(shù)顯千分表記錄彈性形變、塑性變形值.豎向荷載-加載時間關(guān)系曲線及加載過程中豎向荷載-彈性形變關(guān)系曲線分別見圖4和圖5，其中，T為加載1次所用的時間，σmin為接觸力，σmax為重復(fù)荷載最大值.

圖4 重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)豎向荷載-加載時間曲線

圖5 重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)豎向荷載-彈性形變曲線

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)和PUMA試驗(yàn)參數(shù)分別見表1、2.

表1 重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)參數(shù)

表2 PUMA試驗(yàn)參數(shù)

對級配組成、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及密實(shí)度不同的級配碎石混合料進(jìn)行重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)和PUMA試驗(yàn).CBR試驗(yàn)中，不同原材料達(dá)到貫入度為2.54 mm時，對應(yīng)壓力為6～10 kN，因此重復(fù)貫入試驗(yàn)選取豎向荷載為6 kN，作用次數(shù)為100次.為結(jié)合典型瀝青路面結(jié)構(gòu)級配碎石層頂豎向應(yīng)力取值為70～360 kPa，PUMA試驗(yàn)豎向荷載取值為4.24 kN(即240 kPa)，加載頻率為5 Hz，荷載作用次數(shù)1萬次.2個試驗(yàn)的參數(shù)分別如表1、2所示.

以累積塑性變形和彈性形變?yōu)橹笜?biāo)，對比分析PUMA試驗(yàn)與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)結(jié)果.針對3個級配，分別設(shè)計(jì)了3個試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)方案如表3所示.

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

2.1 級配組成

圖6a-d分別為不同級配組成下，重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)與PUMA試驗(yàn)中的累計(jì)塑性變形、彈性形變、軸向彈性應(yīng)變與荷載作用次數(shù)的關(guān)系曲線.

圖6 不同級配下2個試驗(yàn)中累積塑性變形、彈性形變、軸向彈性應(yīng)變與荷載作用次數(shù)關(guān)系曲線

由圖6a可知，重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)中，各級配對應(yīng)的曲線變化趨勢基本相似，表現(xiàn)在首次荷載作用下，累積塑性變形量迅速增大，隨著作用次數(shù)不斷增加，曲線增長趨勢逐漸平緩.原因如下：試件在成型初期內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，在荷載作用下試件快速形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，隨著荷載次數(shù)的不斷增大，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，抗變形能力趨于平穩(wěn)；不同級配的碎石混合料所對應(yīng)累積塑性變形量不同，B與C級配的累積塑性變形相近，而A級配大于B和C.

由圖6b可知，PUMA試驗(yàn)中，各級配之間累積塑性變形與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)結(jié)果基本一致，隨荷載作用次數(shù)增加，各級配碎石混合料的累積塑性變形增大趨勢逐漸減小，但其數(shù)據(jù)曲線較為平滑，規(guī)避了數(shù)據(jù)離散對試驗(yàn)結(jié)果的影響.

由圖6c可知，在重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)過程中各級配彈性形變變化較小，變化值分別為3.85%、9.09%和1.63%.原因如下：重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)施加的是穩(wěn)定的豎向荷載，加載頻率固定，且間隔時間較長，級配碎石在不斷壓實(shí)的過程中有短暫的回彈瞬間，導(dǎo)致重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)過程中，彈性形變基本保持穩(wěn)定，同級配間彈性形變大小相近，主要與密實(shí)度相關(guān).

圖6d中，對于不同級配碎石混合料而言，在荷載作用前期軸向彈性應(yīng)變隨著荷載作用次數(shù)增加呈現(xiàn)顯著變化，荷載作用次數(shù)大于2 000次后逐漸趨于穩(wěn)定.穩(wěn)定后各級配軸向彈性應(yīng)變變化幅度由大至小依次為A、B和C.原因如下：相同壓實(shí)功下，級配A中粒徑為13.2～26.5 mm的碎石與4.75～13.2 mm的碎石質(zhì)量之比要大于級配B和C.由于級配A相對較粗，在荷載作用下形成的骨架結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定，所以相對彈性應(yīng)變變化最大，而級配C粗、細(xì)顆粒分布較為均勻，易形成穩(wěn)定的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，彈性應(yīng)變變化較小.

2.2 碎石材料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

根據(jù)2.1節(jié)分析結(jié)果，由于級配C在荷載作用下易形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，因此選取級配C為研究對象，進(jìn)行碎石材料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對級配碎石彈性變形行為影響的試驗(yàn)，其中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、3%和5%.級配C重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)和PUMA試驗(yàn)中，累計(jì)塑性變形、彈性形變、軸向彈性應(yīng)變與水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線如圖7所示.

圖7 2個試驗(yàn)中累積塑性變形、彈性形變、軸向彈性應(yīng)變與水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

由圖7a可知，重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)中，隨著水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，彈性形變隨之減小，而累積塑性變形先減小后增大.原因如下：級配碎石的彈性形變與自身干密度直接相關(guān)，彈性形變隨著水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸減小；當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，試件壓實(shí)更充分，自身干密度增大，在豎向荷載的作用下，試件頂面發(fā)生的累積塑性變形會逐漸減??；隨著水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，水對級配碎石形成的試件會發(fā)生潤滑作用，此時試件更易發(fā)生塑性變形.

由圖7b可知，PUMA試驗(yàn)中，當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大時，累積塑性變形與軸向彈性應(yīng)變都隨之增大.原因如下：與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)相比，PUMA試驗(yàn)中豎向荷載較小，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大后，孔隙水壓力增加，且影響顯著，導(dǎo)致骨料間相互作用減弱，因而結(jié)構(gòu)累積塑性變形與軸向彈性應(yīng)變均增大.

2.3 密實(shí)度

選取密實(shí)度為96%、98%和100%時，對級配C進(jìn)行重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)與PUMA試驗(yàn).以振動試驗(yàn)成型試件得到的振實(shí)密度作為100%密實(shí)度，并調(diào)整振實(shí)時間，振動成型密實(shí)度分別為96%和98%的級配碎石試件.級配C的重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)與PUMA試驗(yàn)中累計(jì)塑性變形、彈性形變、軸向彈性應(yīng)變與密實(shí)度的關(guān)系曲線如圖8所示.

圖8 2個試驗(yàn)中累積塑性變形、彈性形變、軸向彈性應(yīng)變與密實(shí)度的關(guān)系曲線

由圖8可知：對于不同密實(shí)度的級配碎石，其累積塑性變形和彈性形變均隨密實(shí)度的增大而減?。恢貜?fù)荷載CBR試驗(yàn)中，級配碎石混合料密實(shí)度從96%增加到100%，累積塑性變形減小了29.5%，彈性形變減小了9.6%；PUMA試驗(yàn)中，級配碎石密實(shí)度從96%增加到100%，累積塑性變形減小了44.6%，軸向彈性應(yīng)變減小了21.0%.

綜上，不同級配組成和密實(shí)度下，PUMA試驗(yàn)與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)中累積塑性變形變化趨勢相似，但PUMA試驗(yàn)累積塑性變形數(shù)值敏感性要高于重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)；而在不同水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，由于2個試驗(yàn)施加荷載方式不同，試件中孔隙水壓力受到不同程度影響，彈性形變結(jié)果出現(xiàn)了差異；不同級配組分、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及密實(shí)度下，2個試驗(yàn)中彈性形變變化差異較大.原因?yàn)橹貜?fù)荷載CBR試驗(yàn)施加的荷載只有豎向荷載，且施加模具是剛性的約束；與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)相比，PUMA試驗(yàn)儀器施加的是正弦荷載(既有豎向荷載，也有水平約束力)，且試件模具是一種非剛性約束.因而對于實(shí)際道路結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的模擬，PUMA試驗(yàn)更為精確，其彈性形變特性的試驗(yàn)結(jié)果也更準(zhǔn)確.

3 結(jié) 論

1)級配碎石材料前期抗變形能力受荷載作用影響顯著，后期隨著荷載作用次數(shù)的不斷增大，抗變形能力受荷載作用影響明顯減小，并逐漸趨于穩(wěn)定.

2)對于累積塑性變形指標(biāo)，不同級配組成和密實(shí)度下，PUMA試驗(yàn)與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)中塑性變形變化趨勢相似，其中PUMA試驗(yàn)結(jié)果敏感性要優(yōu)于重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)；2個試驗(yàn)施加荷載方式的不同，造成二者塑性變形變化趨勢在不同水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下有所差異.

3)對于彈性形變和軸向彈性應(yīng)變指標(biāo)，不同級配組成、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及密實(shí)度下，PUMA試驗(yàn)與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)中2個指標(biāo)變化趨勢明顯不同；PUMA試驗(yàn)中軸向彈性應(yīng)變是由級配碎石材料級配組成、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及密實(shí)度等因素共同影響，而重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)中彈性形變主要是由級配碎石密實(shí)度決定.

4)由于PUMA試驗(yàn)與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、設(shè)備和加載方式不同，導(dǎo)致兩者試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異.重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)操作簡單，試驗(yàn)結(jié)果要求不高的情況下，推薦采用重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)研究級配碎石材料變形特性；與重復(fù)荷載CBR試驗(yàn)采用的剛性模具相比，PUMA試驗(yàn)?zāi)＞卟捎脙?nèi)襯橡膠的鋼圈以及可徑向擴(kuò)張的鋼片組合的側(cè)壁，可以模擬周圍材料施加的圍壓，能夠更準(zhǔn)確地獲得級配碎石材料變形特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)精度要求高的情況下，推薦采用PUMA試驗(yàn).