桂增儉

摘 要：基于級配碎石的松散性，提出極限二次松散系數(shù)的概念和試驗方法，并研究了極限二次松散系數(shù)的影響因素，然后利用極限二次松散系數(shù)推導(dǎo)得出了碎石松散區(qū)域的邊界方程，利用邊界方程計算了不同路基最大沉降量下完全緩沖路基差異沉降時所需的級配碎石層理論最小厚度，可為道路結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：公路工程；極限二次松散系數(shù)；級配碎石；厚度設(shè)計

中圖分類號：U416.21 文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1000-033X（2016）05-0047-04

Abstract： The concept of limit coefficient of secondary looseness and test method were proposed based on the looseness of graded gravel， and the impact factors were studied. The coefficient was used to deduce the boundary equation of the loose area of gravel， which would be applied to calculate the minimum thickness of graded gravel layer required to offset the settlement difference of subgrade， which provides reference for road structure design and construction.

Key words： road engineering； limit coefficient of secondary looseness； graded gravel； thickness design

0 引 言

在行車荷載作用下，路基的不均勻沉降會造成路面沉陷、開裂等問題，對于路面結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。多項試驗工程證明，在路基頂面加鋪級配碎石層是緩解路基差異沉降的有效措施[1-2]。

壓實后的級配碎石材料具有體積增大的特性，即松散性。這也是級配碎石層材料能夠緩解路基差異沉降的主要作用機理。但如何評價和應(yīng)用級配碎石的這一特性，一直是工程應(yīng)用過程中的難點。為此，本文提出極限二次松散系數(shù)的概念和試驗方法，實測常用級配碎石材料的極限二次松散系數(shù)，并研究成型方式、級配、粗集料巖性、細(xì)集料類型等因素對這一指標(biāo)的影響。然后，利用極限二次松散系數(shù)推導(dǎo)得出碎石松散區(qū)域的邊界方程，明確沉降發(fā)生時碎石松散區(qū)域的作用范圍，確立求解碎石填充厚度的理論依據(jù)。最后利用邊界方程計算不同沉降量下完全緩沖路基差異沉降的級配碎石層理論最小厚度，為工程設(shè)計與應(yīng)用提供參考[3]。

1 極限二次松散系數(shù)的概念分析

級配碎石材料的松散性是其緩解差異沉降的主要作用機理。文獻[4] 定義散體材料的二次松散系數(shù)K為

由式（2）可知，Kj越大，材料松散后體積增量越大。沉降發(fā)生時，參與補充空隙的碎石量越多，覆平沉降所需的厚度越小，緩沖效果越好。

2 極限二次松散系數(shù)的試驗方法

為了使級配碎石的初始壓實度與現(xiàn)場保持一致，在最佳含水率下按照98%的壓實度成型試件，得到級配碎石發(fā)生二次松散前的體積，記錄下此時的試件高度，然后將碎石從試筒中倒出，并稱量相應(yīng)的級配碎石的質(zhì)量M1；再將倒出的級配碎石分層緩慢松散地裝入試筒中，至相同高度為止，稱量剩余的級配碎石質(zhì)量M2。那么，級配碎石極限二次松散系數(shù)的求解公式可以表達為

3 極限二次松散系數(shù)的影響因素

3.1 成型方式的影響

采用上述試驗方法測試了靜壓成型和振動壓實2種成型方式下級配碎石的極限二次松散系數(shù)，試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知，相同的壓實度和級配、不同成型方式下，級配碎石二次松散系數(shù)的試驗結(jié)果差異較大，振動壓實下級配碎石的松散性較靜壓成型的大3%。這是由于：振動壓實下級配碎石混合料嵌擠密實，相同壓實度下干密度更大一些，但松散后混合料松裝密度卻相近，因此，試筒外剩余集料會更多一些；說明采用振動壓實有利于提高級配碎石混合料的變形協(xié)調(diào)能力[4]。

3.2 級配的影響

振動壓實下2種不同級配類型的級配碎石極限二次松散系數(shù)試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，振動壓實的相同壓實度下，連續(xù)嵌擠級配的極限二次松散系數(shù)略大于規(guī)范級配。這是由于：一方面連續(xù)嵌擠級配壓實后的干密度較大；另一方面，可能是由于連續(xù)嵌擠級配中粗集料數(shù)量更多一些，松散后回填過程中粗集料顆粒嵌擠在一起，阻礙了細(xì)集料的填充。

3.3 粗集料巖性的影響

采用石灰?guī)r、輝綠巖和花崗巖3種巖性的粗集料拌和成型試件，進行極限二次松散系數(shù)試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，采用不同巖性粗集料，其極限二次松散系數(shù)由大到小的排序為：石灰?guī)r、輝綠巖、花崗巖。這是由不同巖性集料的粒形和碎石表面形狀的粗糙程度決定的?；◢弾r最為堅硬，破碎粒形圓棱角偏少，顆粒間的摩阻力較??；輝綠巖居中；石灰?guī)r破碎粒形不規(guī)則棱角較多，表面形狀粗糙，摩阻力大，因此在回填過程中松散性好一些。

3.4 細(xì)集料類型的影響

采用石灰?guī)r機制砂和天然河砂2種細(xì)集料拌和成型試件，進行極限二次松散系數(shù)試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

由表4可知，采用天然河砂作為細(xì)集料的級配碎石極限二次松散系數(shù)略小于采用機制砂作細(xì)集料的級配碎石。這是由于河砂常年被河水沖刷，表面圓潤光滑，顆粒間摩阻力較小，適于填充，所以試筒外剩余集料會少一些。

4 碎石層松散區(qū)域的確定

確定碎石層松散區(qū)域是確定填充厚度的前提條件?，F(xiàn)場觀測和數(shù)值計算獲得的沉降曲線多呈“中間大，兩邊小”的形態(tài)，可用二次拋物線或余弦曲線擬合[5-6]。假設(shè)斷面縱向各面相同，將三維問題簡化為二維問題[7-8]。取路基主要沉降斷面為研究對象，如圖1所示，設(shè)沉降曲線為二次拋物線，公式為

圖1中x軸下方曲線為沉降曲線，x軸上方曲線為碎石松散邊界方程曲線。通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)碎石松散區(qū)域，如圖2所示。也就是說，碎石松散后的體積增量為不均勻沉降發(fā)生的體積，則

由前面的試驗結(jié)果可知，振動壓實條件下級配碎石材料的松散性優(yōu)于靜壓成型，故厚度計算時選取振動壓實條件下的級配碎石極限二次松散系數(shù)，將之分為1.050、1.053、1.056三檔[9-10]。根據(jù)路基設(shè)計規(guī)范的要求，將路基最大沉降量分為0.5、1.0、1.5 cm三檔，代入式（8）中，計算得到完全緩沖路基差異沉降的級配碎石層理論最小厚度，如表5所示。

由表5可知：在路基最大沉降量相同時，Kj越大，級配碎石參與運動的量越多，所需的厚度越小，對差異沉降的緩沖效果越好；在極限二次松散系數(shù)相同時，路基最大沉降量越大，所需的級配碎石層厚度越大。對于常用的級配碎石材料，路基最大沉降量在1.5 cm以內(nèi)時，級配碎石層設(shè)計厚度取30 cm，能夠滿足其緩沖調(diào)節(jié)路基差異沉降的功能要求。

6 結(jié) 語

（1）提出了極限二次松散系數(shù)的概念和試驗方法，并研究了極限二次松散系數(shù)的影響因素。

（2）推導(dǎo)得出了碎石松散區(qū)域的邊界方程，確立了級配碎石層厚度設(shè)計的理論依據(jù)。

（3）對于常用的級配碎石材料，路基最大沉降量在1.5 cm以內(nèi)時，級配碎石層設(shè)計厚度取30 cm，能夠滿足其緩沖調(diào)節(jié)路基差異沉降的功能要求。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]