道路級(jí)配碎石正交異性及壓實(shí)特性研究

摘 要：為了研究級(jí)配碎石的正交特性及其壓實(shí)效果，采用不同的擊實(shí)方法和擊實(shí)功對(duì)道路用級(jí)配碎石進(jìn)行擊實(shí)成型，研究擊實(shí)方法和擊實(shí)功對(duì)級(jí)配碎石正交異性的影響，并進(jìn)行了壓實(shí)仿真分析。結(jié)果表明，沖擊擊實(shí)成型的試件干密度略低于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)；增加擊實(shí)功會(huì)同時(shí)增大級(jí)配碎石的干密度和正交異性；擊實(shí)方式和擊實(shí)功共同影響級(jí)配碎石的正交異性程度：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)在低擊實(shí)功下成型的試件正交異性更顯著，而沖擊擊實(shí)在高擊實(shí)功下成型的試件正交異性更顯著；確定了級(jí)配碎石層的最佳壓實(shí)參數(shù)。成果可為級(jí)配碎石的材料性能研究及工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：道路工程 級(jí)配碎石 正交異性 擊實(shí)功

1 工程背景

在公路工程中，優(yōu)質(zhì)且級(jí)配合理的碎石或礫石機(jī)械攤鋪、碾壓后，級(jí)配碎石將從初始的松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軤顟B(tài)。級(jí)配碎石不僅能夠分散荷載、提高路基承載能力、改善差異沉降，還具有保溫隔熱、減振耗能以及防凍排水等功能，適用于道路基層、底基層及路基的剛度補(bǔ)償和模量過(guò)渡[1-2]；在寒冷季節(jié)性冰凍地區(qū)和濕熱多雨地區(qū)的特殊環(huán)境中，級(jí)配碎石對(duì)于道路路結(jié)構(gòu)設(shè)施的穩(wěn)定性尤為重要。研究表明，級(jí)配碎石的力學(xué)性能表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力依賴性和正交異性[2-5]，與瀝青或水泥穩(wěn)定類材料相比，級(jí)配碎石的動(dòng)態(tài)回彈模量及泊松比在不同的應(yīng)力狀態(tài)、不同應(yīng)力方向上都存在差異。級(jí)配碎石經(jīng)過(guò)外力的擊實(shí)作用，能夠形成強(qiáng)度高、抗變形性好的級(jí)配碎石層，這種擊實(shí)過(guò)程的本質(zhì)，就是顆粒在外力作用下移位、旋轉(zhuǎn)形成顆粒間的接觸和嵌鎖 [2， 6]。級(jí)配碎石的顆粒分布排列與荷載大小及荷載模式都有關(guān)系，擊實(shí)方法的選取和擊實(shí)功的大小都會(huì)影響顆粒排列。而級(jí)配碎石的正交異性與其結(jié)構(gòu)層的剪脹行為和殘余應(yīng)力有密切關(guān)系，并會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生較大影響[7-8]。因此，需要深入研究級(jí)配碎石在不同擊實(shí)方法和擊實(shí)功條件下的正交異性。

本文采用兩種擊實(shí)方法以及兩種擊實(shí)功，對(duì)兩種路用級(jí)配碎石進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，研究級(jí)配碎石在不同擊實(shí)方法和擊實(shí)功下的正交異性，成果可為道路級(jí)配碎石的材料性能研究和級(jí)配碎石層結(jié)構(gòu)力學(xué)分析提供參考。

2 原材料

選用道路工程常用的石灰?guī)r碎石，級(jí)配如圖1所示。分別采用沖擊擊實(shí)法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，以考察擊實(shí)方法的影響；針對(duì)每一種擊實(shí)方法，使用2個(gè)擊實(shí)等級(jí)，以考察擊實(shí)功的影響。

3 擊實(shí)參數(shù)及試件成型

采用高度為300mm、直徑為150mm的圓柱形試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)；擊實(shí)參數(shù)為接觸壓力275 kPa，傾角3o，轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/分鐘，擊實(shí)時(shí)間60秒[9]。沖擊擊實(shí)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020，T0131）[10]進(jìn)行試驗(yàn)，將4.5kg的落錘從45cm的高度自由下落進(jìn)行沖擊擊實(shí)，擊實(shí)次數(shù)為50次/50mm。為了研究不同擊實(shí)功對(duì)級(jí)配碎石各向異性的影響，兩種方法都設(shè)置了低擊實(shí)功對(duì)照組，具體參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)使用137kPa的接觸壓力、3o的傾角和45s的擊實(shí)時(shí)間；沖擊擊實(shí)的擊實(shí)次數(shù)降至25次/50mm。不同擊實(shí)方法和不同擊實(shí)功條件下測(cè)得成型試件的含水率和干密度如表1所示。從表1可知，由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的搓揉效果，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件干密度略大于沖擊擊實(shí)成型的試件。試件的干密度與擊實(shí)功呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著擊實(shí)功的增加而增加。

4 級(jí)配碎石正交異性分析

對(duì)成型試件進(jìn)行改進(jìn)的動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)[1]。由于級(jí)配碎石具有應(yīng)力依賴性，因此提取了三種不同應(yīng)力水平下碎石的垂直和水平向模量值，并計(jì)算正交異性系數(shù)α2：α2 =Ehh/Evh ，α=μhh/μvh[1]。如圖2所示。三個(gè)應(yīng)力水平分別為：低應(yīng)力水平：40kPa圍壓+30kPa偏應(yīng)力；中等應(yīng)力水平：100kPa圍壓+70kPa偏應(yīng)力；高應(yīng)力水平：120kPa圍壓+130kPa偏應(yīng)力。

總體而言，兩種擊實(shí)方法成型的碎石和礫石的垂直回彈模量Evh值均大于水平回彈模量Ehh值，即通過(guò)兩種擊實(shí)方法成型的級(jí)配碎石均表現(xiàn)出顯著的正交異性。本文使用的級(jí)配碎石正交異性系數(shù)范圍大致在0.4～0.73。級(jí)配碎石的正交異性程度隨著擊實(shí)功的增大而逐漸增大（正交異性系數(shù)α2逐漸減?。?。與低壓擊實(shí)相比，高壓擊實(shí)成型試件的正交異性程度在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型時(shí)增加了約15%-64%，而沖擊擊實(shí)成型試件的正交異性程度增加了約35%-110%。這是因?yàn)?，增加擊?shí)功，盡管顆粒的動(dòng)態(tài)回彈模量在垂直和水平方向上都有所增加，但回彈模量在豎直方向上的增幅更大。不同擊實(shí)方法下，級(jí)配碎石正交異性也不同：在低擊實(shí)力下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的α2值小于沖擊擊實(shí)成型，但在高擊實(shí)力時(shí)，沖擊擊實(shí)成型的α2值更小。因此，擊實(shí)方法和擊實(shí)功的綜合作用影響了級(jí)配碎石的正交異性程度，其中“沖擊擊實(shí)+高擊實(shí)功”的級(jí)配碎石正交異性最大。

5 級(jí)配碎石的壓實(shí)數(shù)值仿真

振動(dòng)壓實(shí)法是普遍采用并能保證填石路堤質(zhì)量的施工方法。采用數(shù)值方法對(duì)填石路堤的振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬：所建立的填石路基數(shù)值模型長(zhǎng)為20m、高為10m；振動(dòng)輪直徑為1.6m，將振動(dòng)輪與路基的接觸面視作矩形，沿行駛方向的長(zhǎng)度為0.2m。填石路基模型采用CPS4R單元模擬，共4664個(gè)單元。路基填料和振動(dòng)輪采用彈性本構(gòu)模型模擬，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。振動(dòng)輪與路基表面之間采用摩擦型接觸，摩擦系數(shù)為0.1，且接觸面只可傳遞壓力而不能傳遞拉力。

為了定量分析激振力、振動(dòng)頻率和行駛速度等對(duì)填石路堤壓實(shí)效果的影響，將以上3種參數(shù)各取2種常用水平，按不同參數(shù)與水平組合設(shè)計(jì)8種壓實(shí)工況（見表3）進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3為振動(dòng)壓實(shí)時(shí)路基的豎向應(yīng)力云圖和豎向位移云圖示意圖。可以看出，路基表面一定深度范圍內(nèi)的填料受到振動(dòng)輪的明顯沖擊作用，豎向應(yīng)力明顯增加，導(dǎo)致振動(dòng)輪周圍土體發(fā)生顯著沉降，表明路基填料被有效壓實(shí)。以路基最大壓應(yīng)力、有效壓實(shí)深度以及路表沉降為指標(biāo)對(duì)填石路堤的單次壓實(shí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。分析可知，增大振動(dòng)輪激振力可以有效增大路基填料的最大壓應(yīng)力和路表沉降，但對(duì)有效壓實(shí)深度的影響較?。划?dāng)振動(dòng)頻率由26Hz增大至32Hz，路基填料的最大壓應(yīng)力、有效壓實(shí)深度和路表沉降均顯著下降；當(dāng)壓路機(jī)行駛速度由2km/h增大至4km/h，路基填料的最大壓應(yīng)力和有效壓實(shí)深度略有減小，這是因?yàn)樾旭偹俣仍娇?，振?dòng)輪的作用次數(shù)越少，路基填料的壓實(shí)不夠充分。通過(guò)以上對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)工況5、工況6壓實(shí)效果良好，它們的共同特點(diǎn)是激振力為420kN和振動(dòng)頻率為26Hz?？紤]到相比于2km/h行駛速度，4km/h行駛速度可以顯著提高施工效率，因此推薦采用工況6。

6 結(jié)語(yǔ)

本文開展了不同擊實(shí)方法和擊實(shí)功下級(jí)配碎石的動(dòng)態(tài)回彈力學(xué)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)擊實(shí)方式和擊實(shí)功共同影響級(jí)配碎石的正交異性：

（1）級(jí)配碎石的正交異性特性普遍存在，豎向和水平向的動(dòng)態(tài)回彈模量之間存在差異，表現(xiàn)為豎向回彈模量Evh值大于水平向回彈模量Ehh值。

（2）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件干密度略大于沖擊擊實(shí)成型的試件；增加擊實(shí)功增加了試件擊實(shí)度，同時(shí)也增大了級(jí)配碎石的正交異性程度。

（3）在低擊實(shí)功下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的級(jí)配碎石正交異性更明顯；高擊實(shí)功下，沖擊擊實(shí)成型的級(jí)配碎石正交異性更加顯著，“沖擊+高擊實(shí)功”的擊實(shí)組合成型的級(jí)配碎石正交異性最大。

（4）對(duì)級(jí)配碎石的壓實(shí)工程進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，確定了最佳的壓實(shí)參數(shù)為激振力420kN+頻率26Hz+行駛速率4km/h。

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