垫层级配碎石的性能研究

刘 克

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司 云南省龙江特大桥钢桥面铺装及路面工程工地试验室，云南 保山 679111)

垫层级配碎石的性能研究

刘 克1,2

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；
2.招商局重庆交通科研设计院有限公司 云南省龙江特大桥钢桥面铺装及路面工程工地试验室，云南 保山 679111)

为得到垫层级配碎石的合理组成，用重型击实、承载比(CBR)、渗透系数和水稳定性试验对6种级配碎石进行了室内研究。结果表明：渗透力会改变级配碎石的级配分布，渗透系数随渗透次数增加趋于稳定，0.075 mm通过率(P0.075)<3%的级配碎石渗透系数大于0.011 6 cm3/s但CBR较小；P0.075在3.6%～5.0%范围的级配碎石渗透系数差别很小，选择上限通过率可协调渗水与强度的矛盾；P0.075为7.6%的级配碎石CBR达196%但已基本不透水。有排水要求的级配碎石P0.075<5%，填料数量减少使得材料的可压实性对含水率变化不敏感，已不存在最佳压实含水率；重型击实使得P0.075<3%的级配碎石严重破碎，干密度异常提高不宜作为压实标准。级配碎石在成型后初期具有轻微的湿陷性，其水稳定性与强度明显相关，CBR越高的级配碎石水稳定性也越好。

道路工程；水损坏；路面内部排水；垫层；渗透系数；级配设计

公路路面服役于复杂多变的地表环境，经受各种自然营力作用。对山区公路而言，水是对路基路面结构影响最为显著自然因素，水损坏已成为长期服役山区公路的主要病害[1]。凡是病害严重路段几乎都有水的参与，而且维修难度大，维修效果不理想[2]。因此，具有良好排水能力是路基路面结构经久耐用的重要保障。

碎石垫层是一种应用悠久的排水、防水、抗冻功能层，相对于其它路面材料其模量较小[3]。在土石路床上铺筑一层20 cm厚符合技术标准的级配碎石，其顶部弯沉甚至大于土基弯沉，厚度一般需要超过30 cm后弯沉才会小于土基。因此，作为路面垫层使用时，级配碎石的主要功能是提供良好的水温环境，目的是维护结构强度而非形成结构强度。基于此考虑，垫层级配碎石除具备基本的强度，还应保证一定的可渗透性和水稳定性。我国目前并没有专门的路面垫层施工技术规范，一些项目参考路面基层标准过于追求垫层的密实性而忽视渗透性做法是值得商榷的。

由碎石发展为“级配”碎石是出于质量控制的考虑，控制的目标是实现层位功能。增加细集料提高密实性在实现强度功能的同时是否影响了渗透性和水稳定性？级配如何构建才能实现性能的均衡？笔者对此进行了室内试验研究。

1 原材料

室内试验所用骨料为腾冲曲石镇青山石厂生产的石灰岩碎石，其压碎值为22.6%，5～10 mm，10～25 mm碎石针片状含量分别为8.2%，4.1%，软弱颗粒含量分别为4.5%，0.4%。细集料是5～10 mm石灰岩破碎而成的机制砂，压碎值12.9%、砂当量75%。根据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》[4]推荐的级配范围，笔者选择了6种级配，并按表1由粗到细编为0#～5#。

表1 6种试验用级配

2 重型击实试验

采用重型击实试验研究了6个级配的含水率-密实度关系，结果统计于图1。较细的4#，5#级配随含水率增加出现了干密度峰值，并且相对较粗的4#级配峰值含水率较小，说明集料颗粒接触点较少的4#级配对水的润滑需求更少，符合水对颗粒压实影响机理的经典解释[5]。

图1 基于重型击实试验的干密度-含水率关系Fig.1 Relationship between dry density and water content based on heavy compaction test

图1显示：随着级配变粗，3#，2#，1#，0#并没有出现峰值，干密度皆随含水率的减少而增大。原因是粗型级配在反复锤击作用下骨料更容易破碎，而碎屑填充骨料间隙增加了材料密度。除最粗的0#级配外，密度大小与级配粗细的关系为：级配越粗干密度越小。说明0#级配的破碎程度已非常严重，碎屑填充使得干密度明显失真，不再适合作为标准密度来控制现场压实度。

粗型级配不出现峰值密度的现象还说明：当颗粒接触点减少后，水对集料的润滑作用已不明显，影响材料压实度的主要因素已转变为压实功和方式等，没有必要再用重型击实法来确定最佳含水率。

为后续的性能试验在相同条件下进行，依习惯做法根据图1的干密度-含水率关系选择了材料的成型含水率和干密度，结果如表2。表2中还给出了各级配的合成毛体积密度以便计算固体体积率。

表2 不同级配试件的成型含水率与干密度

3 CBR试验研究

用CBR试验研究了级配碎石的承载能力[6]，试验方法依据文献[7]。先用重型击实法成型试件，泡水4 d后沥干、称重后加载。计算CBR试件干密度所用的含水率是由配水含水率减去估计水分损失得到。采用三次多项式拟合得到应力-应变曲线方程，由此计算CBR2.5，CBR5.0，CBR。试验结果如表3，级配碎石承载能力随固体体积率的增加而增加，高固体体积率、高承载能力的级配碎石吸水率较低。

表3 CBR试验结果

4 渗透性研究

尚无适用于粗粒土渗透系数的试验规程，因而笔者利用公路工程工地试验室常用器材，按土工渗透系数试验原理构建的装置如图2。

4.1 试验方法

试验步骤为：① 按重型击实法成型试样，称取试样+试筒2+筒内垫块(高5 cm)的总质量，计算试样湿密度；② 将CBR试验所用多孔底板盖于试样顶部，旋紧试筒2两侧螺丝将两者固定，翻转试筒2取出筒内垫块；③ 试样+试筒2+多孔底板共同置于水中浸泡数小时后取出，在试筒2顶部涂抹密封材料，然后加放试筒1，压紧；④ 向试筒内注水至最高水位(5 cm+17 cm)使试样饱和后，再次注满水并开始计时，并记录不同时刻的水位，计算不同水头高度的渗透速度。

图2 渗水试验装置Fig. 2 Permeability test equipment

4.2 结果与分析

选择粗细不同的0#，1#，3#，5#级配碎石进行变水头渗透试验，测量过程的均值室温分别为10，16，11，15℃，结果如图3。级配碎石的渗透能力最初并不稳定，随着渗透次数增加渗水速度逐渐变缓，并且各次渗透速度的差距逐渐缩小，最终达到一个稳定的渗透速度。4种级配达到最终稳定渗透的次数分别为11，6，5，3次(每次装水量为3 992 g)。在试件成型前专门分3层进行配料，击实、渗水试验结束后，取试件上、中、下3层烘干、筛分后得到的级配如表4，可见渗透力已改变了试件的级配分布，从试件上部至下部级配逐渐变细，并且渗透力只搬运了粒径小于4.75 mm的细集料。

图3 渗水速度与水头差关系Fig. 3 Relationship between permeability velocity and water head difference

表4 水力渗透后0#级配碎石的级配分布

Table 4 Gradation distribution of 0# graded crushed stone after water permeability

相关参数筛孔尺寸/mm26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075击实前通过率(配料所得)/%100.082.973.663.847.025.113.29.67.35.54.42.9击实后通过率(上、中、下部试样按比例合成所得)/%100.088.475.662.149.630.716.711.58.25.84.62.9渗水后上部试样通过率/%100.087.376.461.446.928.515.19.66.34.13.11.8渗水后中部试样通过率/%100.087.569.757.044.529.416.912.29.06.34.92.9渗水后下部试样通过率/%100.090.180.467.556.433.717.712.29.16.75.53.7

对渗流速度稳定后0#，1#，3#，5#级配碎石的渗透速度与水头差进行二次多项式拟合，计算得到20 cm水头差渗流速度分别为162，41，55，8 mL/min；10 cm水头差渗流速度分别为118，28，47，9 mL/min。按渗透系数公式计算、修正得到20 ℃渗透系数分别为：0.011 6，0.002 5，0.003 8，0.000 5 cm3/s。

1#，3#级配在日常施工中应用较多，两者渗透性差异不大，设计时宜优先考虑承载能力较高的3#级配；5#级配虽然具有较高的承载能力但几乎不具有渗水能力，根据文献[8]提供的渗透性评价标准，5#级配并不适用于路面排水垫层。

5 水稳定性研究

试验证明：渗透力会使级配碎石的级配分布改变，从而改变其物理性质，即材料有可能出现与路用性能有关的水稳定性问题。渗水试验说明：为数不多的数次渗透即会使级配碎石的渗水性能逐渐趋于稳定，因此可以忽略渗透性能的水稳定性，转而研究力学性能和体积指标的水稳定性。

5.1 静水浸泡的强度影响

CBR试验是按照规程在浸水4 d后完成的，笔者接下来将按相同的成型条件检测未浸泡试件的CBR值，用CBR比评价静水浸泡对级配碎石承载能力的影响[9]。试验结果如表5。虽然各试件的估算成型干密度有一定差异，但保证了相同的成型击实功和含水率。试验结果还是具有明显规律性：4 d的静水浸泡使得各组试件CBR值降低，干密度越小、CBR越小的级配碎石的CBR比也越低。因此，级配碎石的承载能力与水稳定性具有相关性，承载能力越差的级配碎石的水稳定性也越差。

表5 水对级配碎石承载能力的影响

5.2 水对级配碎石变形的影响

表3显示级配碎石泡水4 d后膨胀量全部为负，说明级配碎石具有微弱的湿陷性。用百分表观测12 cm高CBR试件在不同水环境下的竖向变形，结果如表6。静水浸泡、自然风干、水力渗透都会使级配碎石发生变形，并且都是收缩变形，只是3 d风干的收缩量只有0.060-0.041=0.019 mm，小于3 d浸泡的收缩量0.039 mm。可以这样理解：单向击实(或碾压)作用力成型的试件内部并不稳定，湿度循环、渗透造成的多方向水力作用使微小颗粒进一步调整位置填充孔隙，增加材料密实性，宏观表现为体积收缩。

试验条件下的最终收缩量最大0.07 mm，对应收缩应变0.000 58，按此推算层厚30 cm的级配碎石竖向变形也只有0.17 mm，其影响应该不明显。

条件所限，本次试验最长时间只有7 d，如果继续施加水力作用，内部颗粒是否会达到新的平衡状态，级配碎石体积保持稳定，或者在长期、大水头的水力作用和频繁的湿度循环下发生更大的变形，还有待进一步研究。

表6 水对级配碎石变形的影响

6 结 论

1)0.075 mm通过率小于3%的级配碎石渗水效果好但CBR较小。0.075 mm通过率在3.6%～5.0%之间时级配碎石渗透性几乎没有差异，即存在渗透性能比较稳定的级配区间，可选择区间通过率上限提高其材料承载能力。0.075 mm通过率为7.6%时级配碎石基本不渗水但CBR大，可作为应力(变形)缓冲层使用。因此，建议用于排水垫层的级配碎石0.075 mm通过率至少要小于5%。

2)0.075 mm通过率小于5%的级配碎石，其可压实性对含水率已不敏感，工程实践中应取消此种材料的最佳含水率设计工作。重型击实使0.075 mm通过率小于3%的级配碎石破碎严重，干密度异常提高，已不再适合作为标准密度使用。

3)渗透力改变了级配碎石的级配分布，造成渗透系数变化(也可能改变其它路用性能)。经固定水头差反复渗透后，级配碎石的渗透性能会趋于稳定，在试验级配范围内稳定的渗透系数为0.000 5～0.011 6 cm3/s。

4)级配碎石成型后初期有轻微的湿陷性，其水稳定性与强度具有相关性，对强度越低的级配碎石而言，其力学性能的水稳定性也越差。

[1] 曾梦澜，孙丽萍，徐发琼．结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响[J]．湘潭大学自然科学学报，2008，30(2)：62-66． ZENG Menglan, SUN Liping, XU Faqiong. Effects of subsurface drainage conditions on performance of asphalt pavements[J].NaturalScienceJournalofXiangtanUniversity, 2008, 30(2): 62-66.

[2] 刘克，徐福，杨波，等．运营22年贵清一级公路路面维修特点研究[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2015，34(5)：69-74． LIU Ke, XU Fu, YANG Bo, et al. Characteristic of asphalt pavement and maintenance of Guiyang Qingzhen first class highway after 22 year operation[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015, 34(5): 69-74.

[3] 郭忠印，丛林，潘正中，等．半刚性基层沥青路面结构施工阶段的测试与分析[J]．中国公路学报，2001，14(增刊1)：8-12． GUO Zhongyin, CONG Lin, PAN Zhengzhong, et al. Testing and analysis of semi-rigid base pavement in construction period[J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2001, 14(Sup1): 8-12.

[4] 交通运输部公路科学研究院．公路路面基层施工技术细则：JTG/T F20—2015[S]．北京：人民交通出版社股份有限公司，2015． Research Institute of Highway Ministry of Transport.TechnicalGuidelinesforConstructionofHighwayRoadbases: JTG/T F20—2015[S]. Beijing: China Communications Press Co., Ltd., 2015.

[5] 沙庆林．公路压实与压实标准[M]．北京：人民交通出版社，2000． SHA Qinglin.HighwayCompactionandCompactionStandard[M]. Beijing: China Communications Press, 2000.

[6] 刘唐志，黄犀纯，张建卫，等．硬质砂岩级配碎石应用研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2014，33(5)：61-64． LIU Tangzhi, HUANG Xichun, ZHANG Jianwei, et al. Application of graded siliceous sandstone[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2014, 33(5): 61-64.

[7] 交通部公路科学研究院．公路土工试验规程：JTG E40—2007[S]．北京：人民交通出版社，2007． Research Institute of Highway Ministry of Transport.TestMethodsofSoilsforHighwayEngineering: JTG E40—2007[S].Beijing: China Communications Press, 2007.

[8] 李炜，郑南翔，付宏伟．级配碎石排水性能及基层排水系统研究[J]．公路交通科技，2010，27(10)：11-16． LI Wei, ZHENG Nanxiang, FU Hongwei. Study of drainage performance of graded crushed stone and base drainage system[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2010, 27(10): 11-16.

[9] 袁鹏，刘朝晖，秦仁杰，等．南方湿热地区碎石垫层的合理级配范围研究[J]．筑路机械施工机械化，2012，29(11)：47-49． YUAN Peng, LIU Chaohui, QIN Renjie, et al. Research on rational gradation range of gravel cushion in southern hot and humid area[J].RoadMachinery&ConstructionMechanization, 2012, 29(11): 47-49.

(责任编辑：刘 韬)

Performance Research of Bed Course Graded Crushed Stone

LIU Ke1，2

(1.Chongqing Zhixiang Paving Technology Engineering Co. Ltd., Chongqing 401336, P.R.China; 2.Yunnan Longjiang Grand Bridge Steel Deck Pavement and Highway Engineering Construction Laboratory, China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute Co. Ltd., Baoshan 679111, Yunnan, P.R.China)

In order to get appropriate composition of the graded crushed stone, the indoor studies of heavy compaction, California bearing ratio (CBR), coefficient of permeability and water stability test on six kinds of the graded crushed stone were conducted. Results show that penetration can change the gradation distribution of the graded crushed stone. Permeability coefficient will be stabilized with the increase of the penetration frequency. Permeability coefficient of the graded crushed stone with 0.075 mm passive rate (P0.075)is smaller than that of 3% graded crushed stone; and smaller CBR strength is >0.011 6 cm3/s. The discrepancy ofP0.075of the graded crushed stone in the range of 3.6%～5.0% is small, and selecting the upper limit of passive rate can coordinate the confliction between the permeability and the strength. CBR of the graded crushed stone whoseP0.075is 7.6% can be up to 196% and is hardly permeable.P0.075of the graded crushed stone with the drainage requirement is less than 5%, as the reduction of the filler causes the compaction of the material insensitive to the variation of water content, and there is no the optimum compaction water content. Heavy compaction breaks the aggregate seriously whenP0.075of the graded crushed stone is less than 3%. The abnormal increase of dry density is not suitable to be the compaction standard. Graded crushed stone at the early stage after forming is slightly collapsible, and its water stability is significantly associated with strength. CBR of the graded crushed stone is higher and the water stability is stronger.

highway engineering; water damage; pavement internal drainage; bed course; permeability coefficient; gradation design

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.06

2015-12-21；

2016-02-18

刘克(1983—)，男，重庆人，高级工程师，硕士，主要从事路基路面工程方面的研究。E-mail：liuke20027@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2017)05-030-05