级配碎石填料压实性能研究综述

级配碎石填料压实性能研究综述

付航吴奇学

关键字：级配碎石填料、级配设计、成型方法、土体结构

引言：

目前，国内外对于级配碎石这种优质粗颗粒填料的物理力学特性方面做了大量研究，由此对级配碎石填料的使用获得了丰富的经验，并且奠定了理论基础。但很少在国内外文献中见到具体有关级配碎石压实特性的研究。本文主要通过对级配碎石填料级配设计，试验成型方法、土体结构等研究进行总结分析，以提高级配碎石填料的压实性能，从而发挥级配碎石作为路基填料的优良力学特性。

1.级配设计

1.1级配

作为一种优质的特殊粗颗粒填料，影响级配碎石填料压实特性和强度的重要因素就是填料的级配。级配是指填料中各个粒径的组成情况。工程上填料的良好级配是指其不均匀系数Cu≥5且曲率系数Cc=1-3。一般而言，级配良好的级配碎石填料能够获得较高的密实度，具有良好的压实性能。因此，具有较大密实度的级配就是我们寻求的具有良好压实特性的最佳级配。

1.2设计方法

对于填料级配的设计，常采用连续级配设计方法[1]以及参考体积设计法设计沥青混合料而引入的填充系数法[2]。国外对级配碎石通常采用ASTM、AASHO等标准，但这些标准都较宽，对级配碎石的要求不甚严格。而目前我国的现行规范对级配碎石没有混合料的设计性能指标要求。因此，研究新的级配碎石填料级配设计方法和标准对于研究级配碎石填料的压实特性和强度等是尤其重要的。

迄今为止，对于粗粒土级配的准确定量描述仍依赖于级配曲线。但同样的级配参数值可能会对应不同的级配曲线。随着分形理论[3]地提出和研究，对于级配碎石填料这种粗粒土的级配设计有了更准确的理论和方法。分形理论的提出并应用于岩土体以来，就有众多学者提出了许多关于岩土体颗粒或孔隙的分形模型，并都取得了较好的成果。目前，适合粗粒土级配的分形模型主要有粒径—数量和质量—粒径两大分形模型。前者由于较难从试验中直接获得数量关系，所以对于粗粒土级配分形特性的研究一般采用质量—粒径分形模型，即

(1)

式中:为直径小于d的颗粒；d为颗粒直径；为颗粒直径小于d的颗粒质量；为颗粒总质量；为最大颗粒尺度；D为分形维数。

研究结果表明：若粒度分形曲线呈直线关系，则各粒组质量分数严格自相似或统计相似，表示颗粒粒径连续，颗粒间填充密实，级配良好；若呈折线关系，则称其具有多重分形相似，表示缺乏中间粒径或颗粒均匀，不易压实，一般级配不良。可见，粒度分形曲线不仅能和级配曲线一样反映各个粒径范围内的颗粒质量分数，且能通过线性拟合程度判断级配的优劣性。同时，对于严格自相似的粒度分形曲线来说，其分形维数是唯一的，同样代表填料的级配曲线也是唯一的。因此，相对于不均匀系数和曲率系数表示级配曲线的不确定性而言，分形维数就能更准确地表示级配曲线。所以说用分形维数来进行级配碎石的优良级配设计和研究粗粒土级配的影响更具有实际工程意义。

2.成型方式

2.1击实成型

早在1933年美国Ｒ.Ｒ.Proctor发明了确定最大干密度和最佳含水率的室内成型试验方法即葡式击实试验法。葡式击实试验就是在一定的击实功下，定向锤击试验土体得到含水率与干密度的击实曲线，从而获得最大干密度和最优含水率的方法。这在当时的压实机械情况下是能得到很好的模拟。但随着压路机吨位的增大，就需要增大压实功才能更好的模拟重型机械设备的现场效果，于是在击实试验方法的基础上进行改进和完善，形成了重型击实和轻型击实两种方式。目前我国现行的基层施工规范里对级配碎石的试验方法采用的是重型击实法，然而随着现在压实工艺不断的发展，重型击实成型法已无法模拟现场的有效碾压实况，导致室内试验与实际碾压出入较大,无法有效的控制级配碎石的施工质量。

2.2振动成型

振动成型方式就是填料采用表面振动或振动台法进行干密度测定。王龙，解晓光等做了关于级配碎石性能的振动和击实成型对比试验。试验结果表明：振动和击实成型方法的物理指标及力学指标具有线性关系。从许多研究结果中来看，对于级配碎石这种粗粒土填料而言，振动成型要比击实成型更加优越。原因在于振动成型的颗粒定向作用优于击实成型。并且由于振动成型对级配碎石原有级配扰动小，基本保持原有级配，而击实成型对级配碎石级配扰动较大，会破坏了原有优良级配中的骨架结构。所以在填料相同级配情况下，振动成型的CBR值要远高于击实成型的CBR值，因此在级配碎石施工中应以振动碾压为主，从而提高级配碎石填料的压实特性。

3.土体结构

级配碎石填料的压实特性还受其土体结构类型的影响。根据粗细颗粒含量的变化，压实后的粗颗粒土填料具有３种典型的土体结构类型:(1)悬浮密实结构,即土体中小颗粒为主，大颗粒悬浮在小颗粒中；（2）骨架密实结构，即土体中大颗粒相互紧密接触，形成稳定的骨架，小颗粒密实地充满大颗粒之间的间隙；（3）骨架孔隙结构，即土体中大颗粒含量较多，小颗粒的含量不足以充满大颗粒之间的间隙。粗颗粒土的土体结构类型不同，其工程

特性表现出明显差异。就压实性能方面，悬浮密实结构表现出良好的压实特性，骨架密实结构具有优良的压实性能，而骨架孔隙结构的级配碎石则难以压实。因而，准确判定粗颗粒土填料的土体结构类型，对掌握粗颗粒土填料尤其像级配碎石这种填料的工程特性具有重要意义。

4.结语

(1)采用分形理论来进行级配碎石填料的级配设计是非常优越的。它能准确的反映填料的组成情况。同时，通过分形维数的变化来研究级配碎石填料在试验或者施工过程中的破碎情况也是一个较好的方法。

(2)对于级配碎石这种填料而言，振动成型方式比击实成型方式要好。因为，振动成型能让级配碎石颗粒之间更容易形成嵌挤骨架密实状态，具有较好的压实特性。

(3)级配碎石填料的压实特性还与它的土体结构有关。因此，判断土体结构类型是非常重要的。目前，初步判断其土体结构类型的方法还并没有完善，可参考陈坚的分界粒径—体积填充原理来初步判断。

参考文献：

[1]林绣贤.沥青混凝土合理集料组成的计算公式.华东公路，2003(1).

[2]张肖宁.按体积法设计沥青混合料.哈尔滨建筑大学学报,1995,28(2).

[3]陈镠芬,高庄平,朱俊高,殷建华.粗粒土级配及颗粒破碎分形特性.中南大学学报,2015,46(9).