加筋碎石力学性能试验研究

邓立学 胡幼常

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

我国目前的高等级公路以半刚性基层沥青路面结构为主，这种路面强度高，经济性好，施工技术成熟，但半刚性基层难以避免地形成收缩裂缝引起的路面反射裂缝，导致沥青面层早期破坏。碎石材料基层作为除半刚性基层外另一种被广泛使用的基层和垫层形式，不仅材料廉价而且具备良好的承载性能和透水能力，将其用作沥青路面的基层能有效消减和吸收面层传递而来的应力并起到扩散作用，用于半刚性基层和沥青面层之间时可以有效改善路面结构的受力并减缓或阻止反射裂缝的产生和发展[1]。然而碎石作为一种散体材料，刚度很低，抗变形较差，导致碎石基层沥青路面在荷载反复作用下产生较大塑性变形。因此，通常需要采用较厚的沥青面层，使造价大幅提高，这一缺陷极大地限制了碎石基层在高等级路面中的应用。

加筋技术可以有效提高粗粒土的的强度和刚度。现有试验研究表明，小间距(20 mm左右)土工合成材料加筋土体表现出良好的整体性，是一种“似连续”材料，刚度和强度得到大幅提高[2]。Wu[3]发现粗粒土加筋层间距不大于20 cm的加筋粗粒土具有明显的筋-土复合材料特性，土粒间有较大的似黏聚力，表现出良好的整体性。一些试验也表明小间距加筋粗粒土结构承载能力和抗变形能力高，且具备承受大变形的能力和极高的韧性[4-6]。级配碎石是一种性质优良的粒料土，广泛用于路面基层和垫层。一些试验研究表明，加筋碎石复合结构的承载能力和抗变形能力相较于未加筋的碎石有很大提高，回弹模量增大，整体性增强，加筋碎石基层相当于半刚性基层的使用效果[7-10]。因此，若对加筋碎石复合体进行合理地设计，就有望应用于高等级沥青路面结构之中。而要达到这一目的就必须对它的基本力学性能进行更加详细具体的研究。为此，在上述加筋土结构试验研究和理论指导下，本文类比于半刚性基层材料的强度试验方法对加筋级配碎石完成了一系列的无侧限抗压试验，以研究加筋碎石复合体的力学性能，以期得出有益的结论。

1 试验简介

1.1 试验材料及试验方法

试验所用碎石为石灰石。参照JTG/T F20-2015 《公路路面基层施工技术细则》的规定，采用过筛后的碎石配制了2种不同级配的碎石，记为G1和G2。其中G1适用于高等级路面结构的基层，G2适用于低等级路面结构的基层和高等级路面结构的底基层，它们的级配情况见表1及图1。采用振动击实试验测定级配碎石最佳含水率和最大干密度，结果见表2。

表1 碎石级配表

图1 碎石的级配曲线

表2 击实试验结果

试验中采用了无纺土工布、双向土工格栅和三向土工格栅3种土工加筋材料，筋材试样见图2。土工布单位面积质量204.3 g/m2，厚度2.03 mm，纵向和横向破坏拉力均为7.12 kN/m、断裂伸长率分别为59%，67%。双向土工格栅网孔净尺寸为37 mm×40 mm，纵肋宽4 mm、横肋宽5 mm、厚2.4 mm，节点厚4.8 mm，抗拉强度指标见表3；三向土工格栅物理、力学指标见表4，其中X向为横肋方向，Y向为垂直于X的方向。

图2 加筋材料试样

表3 双向土工格栅的力学指标

表4 三向土工格栅物理、力学指标

加筋碎石试件为直径152 mm、高150 mm的圆柱体。所有试件均采用振动击实仪在最佳含水率下成型。其制备方法如下：在金属试筒内表面均匀涂抹润滑油，将薄乳胶膜套入试筒使其与试筒内表面紧密贴合，并将两端预留伸出筒外的部分外翻套于试筒外壁后用橡皮箍扎紧，这样就形成了内为乳胶膜、外为金属试筒的试模；然后采用体积控制法填入碎石，并分3层击实，每层高度50 mm，按照加筋方案每填到预定高度就铺设1层加筋材料，反复交替，击实，直至全部质量填料填完，且试样高度达到150 mm为止；再采用液压脱模机进行脱模，即在脱模仪上放置1块厚40 mm、直径150 mm的垫块，将做好的试件及试筒置于垫块之上，将试件底部与垫块对齐，再将之前两端外翻的乳胶膜翻回，其中下部套于垫块上，启动脱模机，将试件缓缓推出试筒，然后用橡皮箍把乳胶膜和下部垫块扎紧，至此试件制作完成，试件见图3a)。

将制作完成的试件置于路强仪上，将之前翻回的上端乳胶膜包住路强仪加压垫块，启动路强仪进行无侧限抗压试验。路强仪采用应变控制式加荷，加荷速率为1.2 mm/min，压应变达到25%时终止。试验过程中从仪器上读取压应力数据，人工记录压应变数据，见图3b)。

图3 试件制备及加压

1.2 试验方案

采用土工布、双向土工格栅和三向土工格栅3种加筋材料，分别按90%，92%，94%，96%和98%共5种压实度成型试件。采用了0～5层等间距加筋方案，见图4。

图4 试件的加筋方案(尺寸单位：mm)

2 试验结果及分析

2.1 筋材类型对加筋碎石无侧限抗压强度的影响

未加筋和加筋层数n=1，3，5，压实度K=90%时3种筋材加筋G1碎石试件的应力(q)-应变(ε)曲线见图5。由图5可见，级配碎石材料经过加筋处理后无侧限抗压强度得到提高，双向土工格栅的加筋效果要优于三向土工格栅，且2种格栅加筋效果远优于土工布。这是因为土工布的强度和抗变形能力要远低于土工格栅，随着应变的增大，在压力作用下土工布容易随着试样鼓胀发生较大形变而很快发生破坏，导致试件的抗压强度值上升较土工格栅加筋试件的慢，且增长幅度较土工格栅小。由于三向土工格栅强度较双向土工格栅低，在应变较大时发生破坏，导致三向土工格栅加筋试件后期抗压强度增长减缓。试验结束后取出筋材，观察到筋材变形破坏情况(见图6)印证了上述分析。观察应力-应变曲线可以看出，筋材发生破损后试件无侧限抗压强度值在下降后很快恢复且仍然能保持相对较缓的速度增长。由图6可见，试件竖向中部的筋材破坏程度最为严重；上部和下部次之，且破坏程度接近。这说明筋材是逐步发挥加筋作用的，部分筋材出现破坏后，加筋试件仍能保持较高的残余强度，这有利于保证加筋结构的稳定性，不会在结构开始出现破坏后就迅速失稳而完全丧失承载能力。

图5 不同加筋材料的加筋碎石应力-应变曲线

图6 破损的筋材

2.2 加筋层数对加筋碎石无侧限抗压强度的影响

由上文分析可知，试验采用的3种筋材中双向土工格栅加筋效果最好，故后续试验中均采用双向土工格栅。图7为压实度K=94%和98%时不同层数的双向土工格栅加筋G1碎石试件的q-ε曲线。

图7 不同加筋层数时加筋碎石应力-应变曲线

由图7可见，加筋级配碎石的无侧限抗压强度随加筋层数增多而增长，加筋层数较多时抗压强度存在一个峰值，达到峰值后试件抗压强度出现下降或起伏。加筋层数较少时(n=1)，试样的无侧限抗压强度相比于未加筋的情况虽有较大提升，但仍很小，94%压实度时为0.39 MPa，98%压实度时为0.57 MPa。这说明当土工格栅加筋间距较大(即加筋层数较少)时，加筋碎石的抗压强度增长有限，加筋效果不够理想。而当加筋层数较多(n=2，3，4，5)时，加筋试件的抗压强度随加筋层数增加而提高，且提高幅度较大，说明加筋效果更好。

2.3 压实度对加筋碎石无侧限抗压强度的影响

图8为加筋层数n=2，3，压实度K=90%～98%时双向土工格栅加筋G1碎石试件的q-ε曲线。

图8 不同压实度时加筋级配碎石应力-应变曲线

由图8可见，加筋碎石无侧限抗压强度随着试样压实度的增大而增长，压实度越高，加筋效果越好。压实度较低时(K=90%)，抗压强度随应变增大而快速增长，且一般在25%应变时仍未达到峰值，曲线呈现出明显的应变硬化特征。压实度较高时(K≥92%)，在25%应变范围内，抗压强度随应变增大而快速增长至出现峰值，且相同加筋层数的试件强度峰值较为接近。表5列出了加筋层数n=2，3，压实度K≥92%时的峰值抗压强度qu及对应的应变值εu。

表5 峰值抗压强度qu和对应的应变εu

由表5可见，相同加筋层数时，随着压实度增大，峰值抗压强度qu有所提高，但对应的应变εu则随之减小。应变ε=25%时，不同压实度试件的抗压强度接近。这说明试件初始压实度越高，抗压强度随应变增长越快，容易达到格栅出现破坏时的峰值；而初始压实度较低的试件经压缩至较大应变时其密实度会提高，因而也能达到与初始压实度较高试件相近的强度值。

表6列出了加筋层数n=2,3，应变ε=5%,13%时不同压实度加筋碎石试件的无侧限抗压强度q和增长率θ。从中可以看出，压实度从90%增加到92%时，抗压强度增长率最大，压实度从94%增加96%时，抗压强度增长率一般较压实度在92%～94%区间的要高，而压实度从96%增加到98%时，强度增长率较压实度在94%～96%区间要小。可见，压实度增大到一定程度后，其对加筋碎石的抗压强度的影响是减小的。

表6 ε=5%，13%时，不同压实度下试件抗压强度及增长率θ

2.4 级配对加筋碎石无侧限抗压强度的影响

图9为双向土工格栅加筋层数n=3，4，压实度K=90%时加筋G1、G2碎石试件的无侧限抗压试验q-ε曲线。

图9 碎石级配对加筋试件应力-应变曲线的影响

由图9可见，加筋G2碎石的试件，其抗压强度要高于加筋G1碎石。二者之差不仅随压应变的增长逐渐增大，还随加筋层数的增多而增大。这说明加筋层数较多时，即使应变较小，格栅的加筋效果也能发挥出来。格栅对G2碎石的加筋效果优于G1碎石，而G2的级配比G1粗，这说明对于土工格栅加筋碎石而言，碎石中的粗颗粒越多，加筋效果越好。G1和G2 2种碎石的加筋试件，其抗压强度在应变较小时相近，是因为此时试件产生的竖向和侧向变形都较小，还处在压密阶段，格栅的变形较小，其加筋作用并未完全发挥出来。

3 结语

通过多种工况的无侧限抗压试验和对试验结果的分析，得到以下主要结论。

1) 碎石加筋后无侧限抗压强度得到提高，格栅的加筋效果远优于土工布。筋材的加筋作用是逐步发挥的，部分筋材出现破坏后，加筋试样仍能保持较高的残余强度。

2) 加筋碎石试件的无侧限抗压强度随加筋层数增多而增长，加筋层数少时加筋效果较差，加筋层数较多时加筋效果较好。同时加筋碎石无侧限抗压强度随着试件压实度的增大而提高，加筋层数较多、压实度较高时，抗压强度一般存在峰值，且压实度越高，峰值出现越早，相同加筋层数时的峰值强度较为接近。加筋层数增多或压实度增大，对加筋碎石的抗压强度的影响是逐渐减小的，需要综合考虑压实度和加筋层数的影响。

3) 应变较小时，级配对加筋碎石的无侧限抗压强度影响较小。加筋层数较多，在较小应变时格栅的加筋效果就能发挥出来。碎石中粗颗粒含量越高，加筋效果越好。