周震，王萌，于群丁，鄭可揚，肖源杰，陳曉斌

透水性級配碎石路基力學性能的直剪試驗研究

周震1，王萌2，于群丁2，鄭可揚2，肖源杰2，陳曉斌2

(1. 廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

透水性級配碎石路基(UPAB)由于其較高的孔隙率和滲透性開始被用于替代傳統(tǒng)的密級配路基，并能夠以經濟環(huán)保的方式改善路基結構的排水性能，從而延長路基結構使用壽命。透水性級配碎石路基層多由開級配碎石集料組成，相較于傳統(tǒng)的密級配碎石集料而言存在結構強度和力學穩(wěn)定性欠佳等問題，開展級配優(yōu)化對增強顆粒間的相互嵌擠咬合作用并形成荷載傳遞骨架結構至關重要。為驗證一種可以增強透水性級配碎石路基結構強度的級配設計新方法，在規(guī)范范圍內設計5個具有代表性的不同級配方案，開展擊實及大型直剪等一系列室內試驗，對比不同級配下透水性級配碎石路基材料的抗剪性能，并對試驗前后的試樣分別進行顆粒分析，探討透水性級配碎石顆粒破碎規(guī)律及其影響因素?；谑覂仍囼灲Y果，確定并驗證由級配設計新方法得出的最優(yōu)級配設計。最優(yōu)級配設計所對應的顆粒破碎程度也最低，可為透水性級配碎石基層的設計提供技術參考。

透水性級配碎石；路基；級配；直剪試驗；剪切強度；滲透系數

對于水泥混凝土路面而言，混凝土板下方的路基層質量至關重要，除了滿足所需的排水性和均勻性之外，還需要在混凝土板正常服役期乃至后期的養(yǎng)護維修作業(yè)中保持一定的結構強度和力學穩(wěn)定性。如果路基層的剛度和抗剪強度較低，會導致重復交通荷載作用下路基層塑性變形不斷發(fā)展，從而在混凝土板和下臥基層間出現脫空現象，增大混凝土板內部的彎曲應力和表面彎沉[1]。為了保證混凝土板的均勻支撐和變形可控，一個穩(wěn)定的、不易侵蝕的、排水性好的路基層是必不可少的。目前已經開展了許多研究工作旨在改善路基結構內部的排水性能，例如采用滲透性較高的透水性路基(含水泥/瀝青穩(wěn)定碎石、無黏結級配碎石等)來提高排水效率[2?5]，然而截至目前很少有研究關注透水性路基的結構穩(wěn)定性問題，在透水性(無黏結)級配碎石路基(UPAB)的結構分析和設計方面仍缺乏必要的理論指導和技術依據。Tutumluer等[6]在路基穩(wěn)定性、剛度和滲透性等3個方面研究改進了美國明尼蘇達州交通運輸部(MnDOT)現行的級配和材料設計規(guī)范，在保證排水性能滿足規(guī)范要求的同時，分別采取了3種不同的分析方法優(yōu)化級配等設計參數，以確保路基剛度和穩(wěn)定性盡可能最優(yōu)化。上述3種不同的分析方法依次為最佳顆粒堆裝法[7]、基于離散元的顆粒配位數(即顆粒與周圍其他顆粒的接觸數目)分析法[8]和基于概率分布的力學?經驗路面設計(MEPDG)分析法[9]。肖源杰等[10]對比分析了現有的級配量化參數并基于最優(yōu)顆粒堆裝理論提出了“石砂比(G/S)”這一級配量化參數，發(fā)現該參數可有效地控制級配碎石抗剪強度。這一關鍵級配參數可以由Talbot方程[11]的2個變量(max和)推導得出，其中G/S為“石砂比”，p為通過篩孔直徑的質量百分率，max為最大顆粒粒徑以及為級配曲線的形狀因子。該參數所用到的“石(gravel)”、“砂(sand)”的分類沿用Unified Soil Classification System (USCS)的定義而確定。因此，包括#4 (4.75 mm)和No. 200 (0.075 mm) 篩孔在內，所有篩孔尺寸及其所對應的累計通過百分率都被使用[7]。通過采用石砂比參數，他們還確定了足尺模型試驗中新建水泥混凝土板下透水性級配碎石路基的最佳級配[6, 11]。通過采用基于顆粒真實幾何形狀的三維多面體顆粒單元離散元程序數值模擬，該方法得到進一步證實[7?8, 11]。離散元數值模擬結果表明石砂比可以用于規(guī)范所規(guī)定的典型級配范圍內的集料級配設計優(yōu)化，且前2種分析方法均得到石砂比的最優(yōu)范圍為1.4~1.6。Wilde等[9]通過MEPDG軟件和級配碎石路基層回彈模量預測模型，得到石砂比的最優(yōu)范圍為0.8~1.4，這與前2種分析方法得到的結果相比偏小但仍相近。綜上，上述3種確定最優(yōu)級配的分析方法均認同對所研究的級配碎石而言#4(4.75 mm)篩孔為最重要的控制篩孔[6]。在透水性級配碎石路基的力學穩(wěn)定性方面，考慮到其作為空隙率較大的松散顆粒材料，剪切破壞仍是重復交通荷載作用下所產生的主要破壞形式，故本文以透水性級配碎石的抗剪強度為主要研究對象，介紹了初期的室內大型直剪試驗結果。首要目的是為了進一步證實前面提到的增強結構強度(或穩(wěn)定性)的“石砂比”概念。本文根據UPAB的現行級配曲線范圍，選用了5個不同的代表性級配，通過大型直剪試驗儀研究不同的UPAB級配對抗剪強度的影響。但是，排水性能優(yōu)化不在本文的討論范圍之內，故級配調整限定在滿足排水性能要求的級配范圍內進行。

1 試驗材料與試驗設計

1.1 試驗材料

為了進一步證實上述“石砂比”這個級配概念，且為了與離散元數值模擬[7, 10]保持一致，本文選取5個不同的級配進行試驗[8]。如圖1所示，5個級配的“石砂比”分別為1.0，1.6，2.0和2.5，其中一組級配(max=16 mm且G/S=1.6)是為了研究最大顆粒粒徑的影響，其余4組級配的最大顆粒粒徑均為25 mm。圖1中還繪制了目前規(guī)范里對應的級配曲線范圍，由于計算出的該級配范圍的最小石砂比為1.4，故石砂比為1.0的級配曲線在此范圍外。試驗選用我國高速公路普遍采用的壓碎石灰?guī)r集料，根據所選級配，試驗第一步為碎石集料的篩分，為了去除常規(guī)干篩分過程中大顆粒上附著的粉料(通過0.075 mm篩孔)，試驗過程中采用濕篩分。

圖1 直剪試驗所采用的5個不同級配

1.2 含水率—干密度關系曲線試驗

根據規(guī)范[23]中的擊實試驗方法，對于每一種級配設計方案，由至少5個數據點構成的壓實曲線上的峰值點代表該級配試樣的最優(yōu)含水率和最大干密度的值。同時，為了保證試驗的可重復性和減小實驗誤差，每一種級配取2個平行試樣并以其平均值作為最終試驗結果。擊實試驗前后試樣的級配變化可用于研究后續(xù)的顆粒破碎程度。

1.3 大型直剪試驗

5種不同級配分別在各自的最優(yōu)含水率狀態(tài)下制樣并進行大型直剪試驗以測試其抗剪強度。大型直剪儀控制部分包括測控單元、伺服液壓單元和荷載單元，可以模擬單調荷載或者加載頻率為0~5 Hz的循環(huán)荷載。試驗預設的主要參數包括：最大荷載為800 kN，荷載變化范圍為最大荷載的1%~100%，精度水平為±0.5%，荷載增量為總荷載的1/180 000，位移范圍為0~600 mm以及位移增量為0.001 mm[24]。另外，試驗中大型直剪儀施加的單個荷載的偏差小于3%，符合規(guī)范[25]的要求。上剪切盒的幾何尺寸為500 mm×500 mm×150 mm，下剪切盒的幾何尺寸為500 mm×670 mm×150 mm。試驗過程中，正應力施加于試樣頂部的鋼板，豎向變形由LVDT記錄，剪應力在豎向變形穩(wěn)定后施加于上剪切盒，剪切速率為1.0 mm/min，當切向位移達到75 mm時(約15%的切應變)，標志剪切過程結束。

對于每種設計級配，3個在最優(yōu)含水率下制作的試樣分別在100，250和350 kPa 3種正應力水平下進行剪切，以確定似黏聚力()和內摩擦角()。對于松散顆粒材料而言，似黏聚力實際上為顆粒互相交錯鑲嵌排列而產生的抗剪切阻力，也稱鑲嵌力或咬合力。試驗中試樣分6層裝入剪切盒，每裝一層，振搗密實后刮毛，再裝填下一層，確保試樣頂部平整。直剪試樣制作過程中用重錘而不是氣動振動壓實儀擊實，是為了避免由于水濺出而造成過多的水分損失及其對試樣力學性質產生的副作用。此外，直剪試驗結束后測定試樣的級配，用于后續(xù)的顆粒破碎分析。

2 試驗結果與討論

2.1 含水率—干密度關系曲線試驗結果

表1為室內擊實試驗得到的5種不同級配的最佳含水率和最大干密度結果。圖2所示為最大干密度與石砂比的關系曲線。從中可以看出，堆積最密實的級配的“石砂比”值介于1.0和1.6之間，而最大干密度的峰值出現在“石砂比”為1.0處，并非1.6處(預期抗剪強度最大的“最優(yōu)”級配)，可見最大密實度與最大抗剪強度之間并不具備完全的一致性。這也是目前研究者試圖將抗剪強度或模量(而非密實度)作為級配碎石設計的主要評定標準的原因之一[21, 26]。

另外，盡管石砂比均為1.6，最大顆粒粒徑為16 mm的級配對應的最大干密度值遠小于最大顆粒粒徑為25 mm的級配。這表明在其他條件保持不變時，最大顆粒粒徑減小，對應級配的最大干密度也隨之減小。由于本試驗樣本數相對較少，故該結論目前仍有待更多的試驗進一步證實。

表1 最佳含水率和最大干密度值

圖2 最大干密度與石砂比關系曲線

2.2 大型直剪試驗結果

圖3(a)和3(b)分別顯示了石砂比為1.0和2.5的直剪試驗試樣，可以明顯看出石砂比為2.5的級配粗骨料占的比例較大。

直剪試驗結果可以采用界面剪切強度峰值、剪應力?水平位移關系曲線來表達。圖4所示為直剪試驗中5種不同級配試樣在不同豎向荷載作用下剪應力?水平位移關系曲線。從中可以看出，各級配的試樣在3個垂直壓力下剪切力隨水平剪切位移增大而增加，但并沒有明顯峰值，表現出明顯的應變硬化特征，這與之前的粗粒土和級配碎石研究結果相吻合[18?21]。通過對比可以看出，石砂比為1.6時試樣有最佳的剪應力?水平位移關系。除了級配的影響，圖4(f)還顯示了壓實過程中試樣的壓實度對UPAB材料抗剪強度的影響。由于重錘擊實只能達到約為85%的壓實度，試驗中特別增加了一個石砂比為2.5且壓實度為90%的試樣進行直剪試驗。通過對比圖4(d)和4(f)，試樣壓實度相對較小的增量(大約5%)使試樣的抗剪性能顯著增加，尤其是在較低的正應力水平下(如100 kPa)，這也表明增加壓實度是增強透水性級配碎石抗剪強度的有力措施。

(a) G/S=1.0；(b) G/S=2.5.

通過-曲線形式表達的直剪儀試驗結果可以獲得剪切面的摩擦特性，計算出的摩爾?庫倫抗剪強度參數即咬合力()和內摩擦角()見表2，圖5分別繪制了不同正應力作用下剪切應力峰值隨石砂比變化曲線圖。

從圖4可以看出，石砂比為1.6的級配不僅在3種正應力下均有最大的剪切應力峰值，而且有較好的抗剪強度參數，因此，試驗結果進一步證實了采用“石砂比”這一級配參數進行級配設計優(yōu)化可以增強UPAB材料強度(或結構穩(wěn)定性)。此外，盡管石砂比值同為1.6，最大粒徑為16 mm的級配在任何一個正應力下的剪切應力峰值均遠遠小于最大粒徑為25 mm的級配，可以據此推斷減小最大顆粒粒徑會相應地降低UPAB材料抗剪強度。該結論基于本文有限的試驗數據，與直觀認識以及相關研究結論[27]相一致，但似乎與Lindly和Elsayed[28]的研究相矛盾(即最大顆粒尺寸與級配碎石基床材料的回彈模量和抗剪強度沒有明顯的關系)。因此，該結論仍需要更多的室內試驗來進一步證實。

(a) G/S=1.0；(b) G/S=1.6；(c) G/S=2.0；(d) G/S=2.5； (e) G/S=1.6且Dmax=16 mm；(f) G/S=2.5且壓實度為90%

表2 直剪試驗得到的抗剪強度參數

2.3 顆粒破碎結果

級配碎石顆粒在高應力水平作用下易發(fā)生破碎，導致受力前后顆粒級配發(fā)生變化，進而影響其工程性能。因此，研究透水性級配碎石在高應力水平下的顆粒破碎規(guī)律具有重要的理論意義和工程應用價值。現有的顆粒破碎研究大多是通過三軸試驗，所施加的應力水平也相對較低。本文對在350 kPa正應力條件下完成直剪試驗后的不同級配試樣進行重新篩分，對比分析了直剪試驗前后顆粒級配變化，并量化評價了其顆粒破碎規(guī)律。

(a) 100 kPa；(b) 250 kPa；(c) 350 kPa

Marsal[29]提出了定量的指標來分析顆粒破碎程度。Hall等[30]通過試驗發(fā)現級配良好的砂較級配不良的砂更不容易破碎。郭慶國[31]發(fā)現顆粒破碎程度也受粗粒土顆粒形狀的影響，表面粗糙且有棱角的顆粒更容易破碎。胡萬雨等[32]通過對不同粒徑粗粒土試樣開展大型直剪試驗，研究了高法向應力下粗粒土的顆粒破碎規(guī)律，結果表明相同法向應力下，粒徑越大則破碎率也越大，級配越良好則破碎率越小。目前常用的量化顆粒破碎的指標主要有Hardin[33]提出的相對破碎率r和Marsal[29]提出的顆粒破碎指數g等。由于Hardin[33]提出的r計算公式中各參數含義明確且使用簡便，故本文采用r指標來分析大型直剪試驗中的顆粒破碎規(guī)律。

圖6顯示了不同級配試樣的顆粒破碎指數r值隨石砂比的關系曲線。可以看出，當法向應力相同時，剪切破壞之后石砂比為1.6的級配其顆粒破碎程度最小，而細顆粒所占比例較高的石砂比為1.0的級配其顆粒破碎程度最高。結果表明石砂比為1.6(最大粒徑25 mm)的級配最為良好，粗、細顆粒含量搭配得當，能產生較好的抗剪切性能，同時顆粒破碎程度也最小，顆粒嵌擠咬合排列情況較為穩(wěn)定。

圖6 不同級配的顆粒破碎指數與石砂比關系曲線

2.4 滲透系數預測結果

如前文所述，滲透系數的大小直接影響到透水性級配碎石基層的排水性能和其他服役性能等。由于缺乏大型滲透儀來測定本文所研究的不同級配UPAB試樣的滲透系數(sat)，故只能采用常用的經驗性滲透系數模型例如Hazen模型[34]和MEPDG EICM模型[35]等來粗略地評價。圖7分別給出了這2個模型預測的不同級配的滲透系數值(sat)與石砂比關系曲線。根據規(guī)范要求，UPAB基層滲透系數至少應為0.35~1.06 cm/s[6, 10]，而除石砂比為1.0的級配外，其余級配的滲透性或排水性能均大致滿足這一要求。

綜合本文研究結論，石砂比為1.6的級配力學穩(wěn)定性較好，如式(1)所示(基于Hazen模型)，可在規(guī)范級配范圍內進一步優(yōu)化其滲透性或排水性能。

Max10

Subject to:

3 結論

1) 室內擊實試驗結果表明顆粒堆積最密實的級配的“石砂比”介于1.0和1.6之間，最大密實度與最大抗剪強度之間并不具備完全的一致性，而是呈現出復雜的相關關系，故有必要將抗剪強度而非密實度作為級配碎石設計的主要評定標準。

2) 直剪試驗結果表明各級配的試樣在3個垂直壓力下剪切力隨水平剪切位移增大而增加，但并沒有明顯峰值，表現出明顯的應變硬化特征，且石砂比為1.6的級配(最大粒徑25 mm)不僅在3種正應力水平下均有最大的剪切應力峰值，而且有較好的抗剪強度參數。

3) 直剪試樣壓實度的一個相對較小的增量(大約5%)使試樣的抗剪性能顯著增加，特別是在較低的正應力水平下，表明增加壓實度是增強透水性級配碎石材料抗剪強度的有力措施。

4) 直剪試驗前后顆粒級配變化結果表明石砂比為1.6(最大粒徑25 mm)的級配最為良好，粗、細顆粒含量搭配得當，能產生較好的抗剪切性能，同時顆粒破碎程度也最小，顆粒嵌擠咬合排列情況較為穩(wěn)定。

5) 大型直剪試驗結果證實了采用“石砂比”這一參數優(yōu)化級配設計能夠增強UPAB材料結構強度(或穩(wěn)定性)，且經驗模型的預測結果表明本文所研究的不同級配方案中除石砂比為1.0的級配之外，其他均滿足規(guī)范所要求的滲透性或排水性能要求，后續(xù)也可繼續(xù)在規(guī)范范圍內根據本文的研究結論和方法進一步優(yōu)化滲透性或排水性能。

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Mechanical behavior of unbound permeable aggregate base materials studied from large-scale direct shear tests

ZHOU Zhen1, WANG Meng2, YU Qunding2, ZHENG Keyang2, XIAO Yuanjie2, CHEN Xiaobin2

(1. Guangdong Communication Planning & Design Institute Co. Ltd, Guangzhou 510507, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Unbound permeable aggregate base (UPAB), due to its relatively high porosity and permeability, has been emerged as an alternative to traditional impervious or dense-graded bases for controlling subsurface drainage and pavement longevity in an economical and environment-friendly fashion. The UPAB layer generally consists of open-graded unbound aggregates and thus tends to suffer from insufficient structural strength and stability. Aimed at further validating a new gradation concept for enhanced structural strength, this paper presented preliminary findings from a series of laboratory large-scale direct shear tests conducted to evaluate various gradation designs of UPAB materials in relation to mechanical stability. Five representative gradations were selected according to the current UPAB gradation band, and the effects of different UPAB gradation designs on the shear strength properties were investigated using a large-scale direct shear test device. The particle breakage potential of UPAB specimens were also evaluated by performing sieve analyses before and after the tests. Based on the experimental results, the optimum aggregate gradation design recommended by the new gradation concept for enhanced stability was proposed and consequently validated with minimized particle breakage potential. The findings can provide technical reference and guidance to the UPAB design.

unbound permeable aggregate base; embankment; gradation; direct shear test; shear strength; permeability

TU411.7

A

1672 ? 7029(2019)09? 2175 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.09.007

2019?06?02

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB1201204)；國家自然科學基金資助項目(U1734208，51878673)；湖南省自然科學基金項目(2018JJ3658)

肖源杰(1984?)，男，湖南衡陽人，副教授，從事路基工程和巖土工程等方面的研究工作；E?mail：yjxiao@csu.edu.cn

(編輯 蔣學東)