透水场道基层大空隙级配碎石的物理性能研究

耿飞，徐钰鹏，刘建石，兰小磊，张延龙，韩天宇

（1.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 211106；2.南京安居保障房建设发展有限公司，江苏 南京 211199；3.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022）

透水场道是一种新型场道形式，可有效缓解道面积水并提高道面的抗滑性，但由于其承载力等多方面原因限制，目前对其研究多停留在面层透水[1-2]。随着近几年来承载力要求较低的通用机场的大力建设，透水场道级配碎石基层表现出了较大的发展潜力[3]。级配碎石基层属于粒料基层或无结合料基层，目前国内外学者对其物理力学性能、结构设计指标以及设计方法做了较多研究，也取得了相关成果[4-8]。由于级配碎石的强度较低，在级配设计上基本都采用强度较高、稳定性较好、空隙率较小的骨架密实型级配[9-10]，但其渗透能力已无法满足部分特殊降雨重现期对场道透水能力的要求，为进一步提高其渗透能力，提高空隙率是一种有效措施，但目前针对大空隙级配碎石的研究较少。

本文对大空隙级配碎石的紧密堆积密度、松散堆积密度和表观密度进行了测试，基于试验结果计算了其松铺系数和空隙率，分析了级配对大空隙碎石压实效果和空隙率的影响，分析其物理性能与级配的关系，为透水场道大空隙级配碎石基层的设计与施工提供参考。

1 试验

1.1 试验级配

试验选用石灰岩碎石，基于CJJ/T 188—2012《透水砖路面技术规程》，级配碎石基层的最大粒径选用26.5 mm。为满足渗透要求，级配碎石空隙率不得低于13%[11]，本文设计6种级配，编号分别为SU-25%、SU-30%、SU-35%、SH-25%、SH-30%和SH-35%，编号中SU为碎石组、SH为砂石组，数字为空隙率，SH组中掺加了一定量1.18～2.36 mm的Ⅰ类天然河砂，用以模拟基层空隙堵塞的工况。同时设计2.36～9.5 mm、9.5～26.5 mm、26.5～37.5 mm三种单粒级级配的DA组作为对比。本文具有目标空隙率的级配设计采用体积法进行[11-13]，具体级配见表1。

表1 不同级配碎石的筛分通过率

1.2 试验方法

大空隙级配碎石的紧密堆积密度、松散堆积密度、表观密度和空隙率按照JTG/E 42—2005《公路工程集料试验规程》进行计算，松铺系数α按式（1）计算。

式中：ρj——紧密堆积密度，g/cm3；

ρs——松散堆积密度，g/cm3。

2 试验结果与分析

2.1 堆积密度

表2 碎石的紧密与松散堆积密度对比

由表2可见，SU组、SH组和DA组的堆积密度都随空隙率的增大而减小，但紧密堆积密度与松散堆积密度的差值与空隙率无明显关系。SU组、SH组和DA组中压实后堆积密度增加最多的级配分别为SU-25%、SH-25%和DA-Ⅰ，这是因为：（1）SU-25%、SH-25%和DA-Ⅰ中9.5 mm以下的集料较多，细集料具有更好的滚珠效果，且其自身空隙也相对较小；（2）SU-25%、SH-25%和DA-Ⅰ的空隙率小，因此松散堆积密度较大，即使压实效果一般、密度增加率较小，其密度增加值仍可以较大。在传统的骨架密实型级配中，密度增加值与松铺系数都可用来衡量级配的压实效果，而在大空隙级配碎石中，不同空隙率级配碎石的松散堆积密度可以相差很大，前者不再适用。

2.2 松铺系数

9.5 mm以下集料对压实效果有较好的促进作用，故对SU组进行9.5 mm以下颗粒含量与松铺系数的回归分析，最佳拟合曲线如图1所示。

图1 SU组9.5 mm以下颗粒含量与松铺系数拟合曲线

由图1可见，对于SU组，随9.5 mm以下颗粒含量的增加，松铺系数先增大后减小。这是因为：（1）9.5 mm以下颗粒含量较少时，级配效果随粒径含量的增加而改善，更多的细颗粒通过压实作用逐渐填充大骨架空隙；（2）当9.5 mm以下颗粒含量达到35%左右时，大量的细颗粒形成了新的骨架结构，原有的大颗粒彼此分离处于“悬浮”状态。在大空隙碎石级配设计时，将9.5 mm以下颗粒含量控制在35%左右可形成粘聚力和内摩擦角较大的嵌挤密实结构，小粒径碎石含量过大和过小时形成的密实悬浮结构和骨架空隙结构都不利于结构受力[13]。

SH组不符合上述规律，考虑到：（1）SH组9.5 mm以下颗粒含量较为接近（40.4%、38.4%、38.7%）；（2）砂具有更好的滚珠轴承作用，故对其砂含量（1.18～2.36 mm颗粒含量）与松铺系数进行回归分析，最佳拟合曲线如图2所示。

图2 SH组1.18～2.36 mm颗粒含量与松铺系数拟合曲线

由图2拟合方程可知，对于SH组，松铺系数同样随1.18～2.36 mm颗粒含量的增加先增大后减小。这是因为：（1）砂含量较小时，其“滚珠”效果随含量的增加而加强，改善碎石的“滑动”效果；（2）当砂含量达到约18%时，大量的砂或开始聚集，造成局部堵塞，导致碎石无法移动，或开始沉降，降低了具有压实潜力的碎石厚度。在大空隙碎石级配设计时，可添加不超过18%的砂，以备在控制最佳含水率出现意外偏差时，防止级配基层在使用时由于找平层的砂下沉到基层或其他原因给基层带来细颗粒，导致其压实效果改善从而产生沉降，造成道面面层开裂或凹陷影响场道的正常使用。

由表2可知，DA组的松铺系数随着级配碎石平均粒径的增加而减小，但总体较为接近。为分析其规律，将DA组的紧密堆积密度与不同粒径碎石的紧密堆积密度进行对比，结果如表3所示。

表3 DA组与单一粒径碎石紧密堆积密度的对比

由表3可见，DA-Ⅲ的紧密堆积密度比相同粒径范围的单一粒径碎石的紧密堆积密度均值略小；随着粒径的减小，紧密堆积密度的差距逐渐减小，最终DA-Ⅰ的紧密堆积密度超过了相同粒径范围的单一粒径碎石的紧密堆积密度均值。由此可得出，级配碎石平均粒径越小，级配作用越好，压实潜力越大，松铺系数也越大。

（1）锂电池隔膜工程冷负荷设计时需统一考虑用冷单元，供回水温度及温差相差不大情况下，将二者统一设计较为经济，工艺和空调冷源既互为备用，又减少了机器备用台数；

2.3 表观密度

不同粒径碎石与砂的表观密度测试结果如表4所示。

表4 砂与碎石的表观密度

由表4可见，碎石的表观密度随粒径增大而减小，与文献[14]所述一致，这是因为大粒径碎石内部含有更多的封闭孔隙。

级配碎石的表观密度可按式（2）进行计算，以选择较佳的级配。

式中：ρa——级配碎石的表观密度，g/cm3；

ρn——第n档集料的表观密度，g/cm3；

xn——第n档集料的含量，%。

各组碎石的表观密度计算值与试验值对比如表5所示。

表5 各组碎石的表观密度计算值与试验值

由表5可以看出：（1）不同级配碎石的表观密度十分接近；（2）表观密度计算值具有一定的准确度。级配基层的稳定性与碎石的表观密度呈正相关，在低平均主应力作用下，基层回弹模量随着碎石密度的增大而提高[15]，采用单一种类碎石的级配可不考虑表观密度的变化。

2.4 空隙率

不同级配与粒径的碎石空隙率计算结果如表6所示。

表6 不同级配与粒径的碎石空隙率

由表6可见，不同粒径的单粒级碎石与DA组的空隙率非常接近，与文献[11]所述一致，空隙率均值在40.1%，高于SU组与SH组。

图3为级配碎石的粒径-通过率曲线。

由图3可见，SU组中，SU-25%的曲线较为平滑，SU-30%在粒径4.75～9.5 mm处存在“台阶”，SU-35%在粒径13.2～16 mm处存在“台阶”；SH组中，SH-25%的曲线较为平滑，SH-30%在粒径19～26.5 mm处存在“台阶”，SH-35%在粒径1.18～4.75 mm和13.2～16 mm处都存在“台阶”；DA组的曲线则非常“陡峭”。具有平滑、平缓通过率曲线的级配具有更小的空隙率。

图3 不同级配碎石的通过率

对于连续密实级配设计，目前多采用泰波公式[见式（3）]。根据泰波的理论分析和试验验证，n值在0.3～0.5的级配碎石

具有较好的密实度[9，13]。

式中：y——粒径d的通过率，%；

D——集料的最大粒径，mm；

n——泰波指数。

对不同级配进行粒径-通过率的幂函数回归拟合。当因变量包含非正数值时，无法进行对数变换，无法建立幂函数模型，因此SU组暂不考虑2.36mm粒径的通过率，SH组暂不考虑1.18 mm粒径的通过率。回归曲线与拟合方程如图4所示。

图4 SU组和SH组的粒径-通过率幂函数回归曲线

将SU-25%、SU-30%、SU-35%的粒径-通过率曲线按泰波公式进行拟合的幂函数回归方程分别为：

将SH-25%、SH-30%和SH-35%的粒径-通过率曲线按泰波公式进行拟合的幂函数回归方程分别为：

可以看出，6种级配碎石的粒径-通过率按泰波公式拟合的幂函数回归方程存在修正系数，分别为1.093、1.067、1.309、1.075、1.152、1.451，其中级配SU-25%、SU-30%、SH-25%、SH-30%的修正系数接近1，其回归曲线更接近泰波曲线，泰波指数分别为1.021、1.286、0.997、1.155。可以得出，大空隙级配碎石的粒径-通过率曲线越接近泰波曲线、泰波指数越小越密实。对SU组与SH组相同空隙率级配的泰波指数取均值，使用泰波公式进行空隙率为25%、30%的大空隙级配设计时，建议泰波指数分别取1.009、1.221。

3 结论

（1）大空隙级配碎石的松散、紧密堆积密度都随空隙率的增加而减小，但其差值与空隙率无明显关系，建议以松铺系数来衡量压实效果。

（2）大空隙级配碎石的松铺系数随9.5 mm以下颗粒含量及砂含量的增加而先增大后减小，小粒径碎石间的级配效果优于大粒径。建议将9.5 mm以下颗粒含量控制在35%左右，以形成良好的级配，同时添加不超过18%的砂以进一步提高其压实效果。

（3）碎石表观密度随粒径的增大而略有减小，采用单一种类碎石的级配可不考虑表观密度的变化，含有多种类碎石的不同级配可通过表观密度计算以选择较佳的级配。

（4）碎石的空隙率主要取决于级配，大空隙级配碎石的粒径-通过率曲线越平滑平缓、越接近泰波曲线、泰波指数越小越密实。设计空隙率为25%、30%的级配时，建议泰波指数分别取1.009、1.221。