基于强度体积方法的戈壁砾石基层骨架密实级配优选

沙波; 冯宁阳; 陈杰; 宋波; 窦珩源; 王永学; 司伟

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500440

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (1) :331-340 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500440

交通运输

基于强度体积方法的戈壁砾石基层骨架密实级配优选

沙波 ¹ ,
冯宁阳 ¹ ,
陈杰 ¹ ,
宋波 ¹ ,
窦珩源 ² ,
王永学 ³ ,
司伟 ²^,^*

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Optimization of Gravel Skeleton Compaction Gradation for Gobi Gravel Base Layer Based on Strength-volume Method

SHA Bo ¹ ,
FENG Ning-yang ¹ ,
CHEN Jie ¹ ,
SONG Bo ¹ ,
DOU Heng-yuan ² ,
WANG Yong-xue ³ ,
SI Wei ²^,^*

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摘要

为探究新疆戈壁砾石用作道路粒料基层的性能并优选其级配,选取4种骨架密实型级配,采用击实和振动两种成型工艺进行成型试验和加州承载比(California bearing ratio,CBR)试验,分析级配参数和成型方式对天然级配和骨架密实型级配戈壁砾石体积和强度特征的影响,明确骨架密实型戈壁砾石基层的级配组成,并据此进行工程验证。结果表明:相比于天然级配,骨架密实型级配戈壁砾石更能达到密实特点,其中嵌锁密实级配在成型性和强度方面都表现最佳;采用不均匀系数、粗细比等级配参数量化级配,发现级配粗细比与振动成型强度有较强关联,级配的4.75 mm筛孔平均通过率与粗细比存在最佳值。另一方面,戈壁砾石的最佳含水率与级配平均粒径呈负相关,与4.75 mm以下筛孔的平均通过率呈正相关;击实成型戈壁砾石最大干密度与CBR稍差于碎石,但其性能变化规律与碎石基本相同。研究表明,采用戈壁砾石用作路面基层,级配设计尤为重要,嵌锁密实级配戈壁砾石CBR相较天然级配戈壁砾石提升了69%,且施工效果与服役性能更优。

Abstract

In order to investigate the performance of Xinjiang Gobi gravel as a road base aggregate and recommend its gradation, four types of dense-graded mixtures were selected. Compaction and vibration molding techniques were employed to conduct molding and California bearing ratio (CBR) tests. The effects of gradation parameters and molding methods on the volume and strength characteristics of natural and dense-graded Gobi gravel were analyzed to determine the optimal gradation for the gravel base. Based on these findings, engineering validation was subsequently conducted. The results indicate that, compared to natural gradation, dense-graded Gobi gravel achieves better compaction, with the interlocking dense gradation exhibiting the best performance in terms of moldability and strength. It is concluded that the gradation can be quantified using the uniformity coefficient and coarse-to-fine ratio, with the coarse-to-fine ratio showing a strong correlation with vibration molding strength. Additionally, the optimal coarse-to-fine ratio corresponds to the average passing rate of the 4.75 mm sieve. Moreover, the optimal moisture content of Gobi gravel is negatively correlated with the average particle size of the gradation and positively correlated with the average passing rate of sieves below 4.75 mm. While the maximum dry density and CBR value of vibration-molded Gobi gravel are slightly lower than those of crushed stone, their performance trends are similar. The study concludes that gradation design is crucial when using Gobi gravel for road base applications. Research shows that the gradation design is particularly important when using Gobi gravel as a pavement base. The interlocked dense gradation of Gobi gravel improves the CBR by 69% compared to naturally graded Gobi gravel, and also results in superior construction performance and service life.

Graphical abstract

关键词

路面工程 / 戈壁砾石 / 级配优选 / 成型试验 / CBR试验

Key words

pavement engineering / Gobi gravel / gradation optimization / molding test / CBR test

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沙波, 冯宁阳, 陈杰, 宋波, 窦珩源, 王永学, 司伟. 基于强度体积方法的戈壁砾石基层骨架密实级配优选[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 331-340 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500440

SHA Bo, FENG Ning-yang, CHEN Jie, SONG Bo, DOU Heng-yuan, WANG Yong-xue, SI Wei. Optimization of Gravel Skeleton Compaction Gradation for Gobi Gravel Base Layer Based on Strength-volume Method[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 331-340 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500440

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自“十四五”规划实施以来,新疆地区交通建设在既有基础上迎来了新一轮发展机遇。经济、绿色、因地制宜的交通建设需求,为建设者和研究人员赋予了新的使命。新疆地区戈壁地貌丰富,拥有大量原生戈壁砾石^[1],广泛分布的戈壁砾石属于级配优良的特殊粗粒土填料,其含水率低、抗剪强度高、孔隙比适中、渗透系数大、灵敏度低,是一种优良的筑路材料^[2-3]。新疆地区戈壁砾石取料方便,力学性能良好,在铁路路基、公路路基、飞机跑道基床、房屋基础、江堤坝体、土石坝护岸抛石体、河堤和海湾防波堤等建筑工程均有应用,目前针对其工程应用的研究主要聚焦新疆地区路基填筑、边坡动力响应以及回填等方面^[2],并开展了戈壁砾石在路基中的回弹模量与在边坡中的稳定性研究^[1,4]。道路路面基层通常采用碎石集料,但戈壁地区优质碎石资源匮乏、运距远且现场破碎工艺复杂,将戈壁砾石用于道路基层材料不仅具有显著的经济效益,还能有效减少资源浪费。然而,围绕戈壁砾石用作道路粒料基层的研究相对较少,对戈壁砾石的级配优化工作也不足,而级配优化后的效果和砾石在基层替代碎石的可行性尚不明确。

砾石基层物理力学特性及路用性能很大程度依赖于选定的级配组成,而戈壁砾石的棱角特点和堆积特性与碎石不同,仅依赖于规范推荐的级配可能无法满足高性能戈壁砾石基层的要求,具体效果尚需进一步验证。级配碎石用作路面基层时其强度主要取决于集料自身性质和集料间的嵌挤作用^[5],已有研究表明,采用骨架密实型结构的级配碎石具有更大的干密度和整体强度^[6]。级配碎石与混合料常用的级配设计方法包括以最大密实度为目标的密实度法和直接选用规范推荐级配的经验法,这些方法主要考虑了级配碎石的体积特性,但缺乏对级配骨架构成的研究。赵明志等^[7]研究了细粒含量对级配碎石力学特性的影响,发现细粒含量不同级配碎石的强度特性是由其结构特征决定的,在达到骨架密实结构时级配碎石强度特性最优。罗立峰^[8]提出了以加州承载比(California bearing ratio,CBR)值作为指标评估骨架强度、以骨架空隙体积为填充指标的强度体积设计法(CBR-V法),首先通过CBR试验设计高强骨架,之后进行次一档集料填充并通过CBR验证强度,表明CBR-V法设计的级配具有更高的强度,采用骨架密实型级配是一种可行方案。在级配碎石成型方式方面,谢康等^[9]使用重型击实成型的最佳含水率进行振动成型试验,发现临界含水率时振动成型的击实能量和颗粒破碎达到最优。岳夏冰等^[10]在室内采用离散元方法模拟分析级配碎石CBR试验过程中颗粒接触力场的变化,探明了法向刚度、摩擦因数与黏结强度参数对接触力场的影响情况。Deng等^[11]采用自研垂直振动压实机具(vertical-vibration compaction method,VVCM)模拟现场振动压实成型,发现VVCM成型的级配碎石CBR值较现场测量值增大92%,且破碎情况更少。马骁尧等^[12]讨论了6种级配下击实成型级配碎石的CBR强度变化规律,指出碎石最大粒径的大小是影响其抗剪强度的关键因素。通过已有研究可以发现,良好的级配可以设计出高强度的级配碎石基层,且通过体积验证和强度验证方法可以有效评估级配碎石性能。

针对新疆地区戈壁砾石基层的特殊工程需求,现基于骨架密实型粒料基层的级配设计理论,系统筛选出4种典型骨架密实级配方案。以天然级配戈壁砾石为对照组,研究戈壁砾石基层击实和振动压实成型后的体积特征和强度特征,同时与级配碎石强度进行对比,明确级配特征与骨料类型之间交互关系,最终确定出最适合戈壁砾石的骨架密实级配类型并进行工程验证。研究成果可为干旱地区特殊骨料道路基层的工程应用提供理论依据与施工指导。

1 原材料及级配

1.1 原材料

所用戈壁砾石(图1)采自新疆阿克苏地区柯坪县,其棱角较少,整体强度较低,大部分为砾(卵)石,戈壁石料整体粒径大多分布在31.5 mm以下,且土粒含量偏多。参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)对戈壁砾石的基础性能进行试验,其压碎值为18.62%,针片状颗粒含量为21.23%。所用碎石取自乌鲁木齐地区料场破碎石料,碎石呈颗粒状、干燥,无杂质,其压碎值为14.9%,针片状颗粒含量为7.3%。

1.2 级配设计方法

级配设计是保证戈壁砾石基层力学性能的有效方法,以骨架密实型级配碎石研究常用级配设计方法为参考,进行优缺点分析,选取得到逐级填充法、折断级配变i法、嵌锁密实法和规范推荐级配中值法4种骨架密实型级配设计方法,对戈壁砾石的适应程度进行研究。

1.2.1 逐级填充法

逐级填充理论认为^[13],相同粒径的颗粒排列时,空隙率与其粒径的大小无关,仅与排列和填充方式有关;间断填充比逐级填充得到的空隙率更小,故间断级配较连续级配更能形成更小的骨架间隙率,具有更加密实的骨架结构。

采用逐级填充法进行骨架密实型碎石级配设计^[14],首先将最大粒径的两档石料按照不同比例混合,对不同质量比例下的捣实密度和空隙率进行分析,确定最佳比例。然后将这两档石料按照最佳比例混合成为新一档料,再与次一档的石料进行第二级填充,重复上述过程,经过多级填充,形成良好的粗集料嵌挤骨架。对于细集料,采用调整n法确定细集料的级配,根据试验确定其干密度及空隙率。最后,按照混合料的目标空隙率,采用空隙填充法确定粗细集料之间的质量比。

1.2.2 折断级配变i法

折断级配变i法是由同济大学林绣贤教授在20世纪70年代提出^[15],以通过百分率的递减率i为参数,即

(1)${p}_{x}=100{i}^{x}$

式(1)中:i为通过百分率的递减率;x=3.32lg(D/d_x),且各级粒径d_x与最大粒径D的关系是d_x=D/2^x,x为级数,说明此式只适用于各级粒径以1/2递减时的情况。

陈忠达等^[16]提出,在粗集料级配和细集料级配采用不同的i值,更符合我国方孔筛划分标准,更能使设计出来的级配有较高的使用品质。涂帅^[14]在i法的基础上,以9.5 mm为折断点,折断点以上采用i₁,折断点以下采用i₂,在不同的i值之下进行折断级配计算,发现i₁为0.6、i₂为0.75时CBR值最大。

1.2.3 嵌锁密实法

马骉等^[17]以单档料、两档料和三档料进行多级振动填充试验,提出以粒径不具有1/2倍关系的骨架颗粒用近1/2倍的填充颗粒来填充,即16 mm颗粒、13.2 mm颗粒分别用9.5 mm颗粒、4.75 mm颗粒填充,确定了混合料的嵌锁骨架临界状态,取集料填充比40%为最佳(2.36~4.75 mm为60%),并根据粒径与振实填充密度确定了不同粒径的组成比例,提出嵌锁密实型级配设计方法。

1.2.4 规范推荐中值法

为了与3种骨架密实型级配相对比,采用《公路路面基层施工技术细则》(JTG-T-F20—2015)中级配碎石基层和底基层的推荐级配范围中值作为第四种级配。

1.2.5 天然级配

为与4种骨架密实型级配砾石进行对比,将天然砾石中31.5 mm以上的颗粒剔除,形成戈壁砾石天然级配,分析戈壁砾石天然级配的物理力学性能。

采用上述方法得到戈壁砾石的天然级配和设计级配,各级配的级配曲线如图2所示。同时,采用相同设计级配配置级配碎石。

2 试验方法与方案

2.1 成型方式

粒料材料常用的室内成型方式主要有重型击实成型和振动压实成型。重型击实成型依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中的击实方法进行击实试验,采用北京世纪诚达公司生产的CSK-VI型多功能电动击实仪,锤重4.5 kg,落高450 mm,试模直径152 mm,试样体积1 277 cm³,试样分三层击实,每层击实98次。振动压实成型采用北京世纪诚达公司生产的ZY-4型振动压实成型机,采用29 Hz的振动频率对试件进行振动压实试验,激振力在6 800~6 900 N。

2.2 CBR试验

CBR试验由美国加州公路局首次提出,其有设备简单、操作便捷、数据易处理等优点。CBR表征了散体压实材料的竖向刚度及抗剪切能力,反映路基或路面结构层的承载能力和骨架强度^[18]。采用北京路达仪器厂生产的LD127-Ⅱ型路面材料强度试验仪进行CBR试验,CBR试验按照材料分为戈壁砾石组和碎石对照组,每组材料根据级配类型分为天然级配(仅戈壁砾石)、逐级填充级配、变i法级配、嵌锁密实级配和规范推荐级配共5个级配。在进行CBR试验前,成型的CBR试件需要泡水4个昼夜并测定膨胀量。戈壁砾石组试件泡水后,试件高度分别下降0.012、0.005、0.002、0.006、0.010 mm。5组试件均发生了极其微小的压缩变形,可认为戈壁砾石基层的膨胀性满足要求。

2.3 试验方案

试验共分为三步:第一步,对5种级配戈壁砾石进行振动成型和击实成型试验,对比不同成型方式下含水率-密实度变化特征,及其与不同级配之间的差异;第二步,按最佳含水率成型级配砾石并进行CBR试验,对比不同级配成型后体积特性与CBR强度的关系,分析密实程度对强度的贡献程度;最后,对与级配砾石相同级配组成的级配碎石进行CBR试验,对比碎砾石之间、不同级配之间的强度差异,明确集料类别与级配组成对强度的影响,确定适合戈壁砾石材料特性的级配组成。

3 试验结果与分析

3.1 成型方式对最大干密度和最佳含水率的影响

采用重型击实和振动压实两种成型方式,得到5种级配的最大干密度与含水率关系如图3所示。可知,随含水率增大,两种成型方式得到的干密度呈抛物线形分布,抛物线陡缓程度与级配类型密切相关,其中骨架密实型级配含水率对干密度影响较天然级配影响更大。

根据图3中的拟合数据,计算各级配的最佳含水率与最大干密度,结果如表1所示。

根据图3(a)中结果可知,重型击实成型嵌锁密实级配的最大干密度最大,其最佳含水率和最大干密度分别为5.48%和2.387 g/cm³,而变i法级配的最佳含水率和最大干密度分别为4.49%和2.294 g/cm³,其最大干密度最小。除天然级配外,其他骨架密实型级配的最佳含水率与最大干密度有较好的线性关系,最大干密度随着最佳含水率的增大而增大。这是因为天然级配在2.36 mm筛孔的通过率较大,而其他级配的通过率较小且相差不大,随着细集料增多,级配砾石达到最佳干密度的需水量增大。值得注意的是,逐级填充级配和变i法级配所得到的最大干密度小于天然级配的最大干密度,

表明在重型击实作用下逐级填充级配和变i法级配虽然具有更好的骨架嵌锁结构,但细集料分布不均、水分迁移等原因造成其干密度较小。如图3(b)所示,振动压实成型嵌锁密实级配的最大干密度值最大,天然级配的最大干密度最小,这是由于相比于其他级配,天然级配的4.75 mm以上粒径颗粒较少,振动压实促使大颗粒改变方位角,从而整体更加密实,而细颗粒受到的影响较小,故天然级配的最大干密度值较小。

采用两种成型方式,进行试样的最佳含水量与最大干密度对比分析,不同成型方式下五种级配的最大干密度和最佳含水率关系如图4所示。

由图4(a)可知,振动压实成型试样的最大干密度均大于重型击实成型试样,二者比值在1.047~1.090浮动;由图4(b)可知,振动压实成型所对应的最佳含水率大部分小于重型击实成型得到的最佳含水率,二者比值在0.92~1.01浮动。振动压实成型过程中,不仅给材料施加了竖向压力,同时在材料的表面施加振动^[19],能够使颗粒位置更容易进行小角度微调,从而得到更加紧密的颗粒结构。振动作用下水分与颗粒表面贴合更加紧密,从而增大水分与颗粒接触面积,空隙减小,故最大干密度更大。

同时,更高的水分利用效率使振动压实的最佳含水率均小于重型击实试验的含水率。从级配粒径角度看,相比于重型击实成型,振动压实成型对原始级配的影响更小,粒径重组现象少,更符合级配设计的初衷。

3.2 级配组成对最大干密度和最佳含水量影响

常采用不均匀系数C_u和曲率系数C_c评价级配组成,反映粒料级配的优良程度。已有研究采用4.75 mm关键筛孔的通过率来评价级配,但该评价方法未对粗集料骨架的整体占比情况进行评估^[20],故引入13.2~26.5 mm的平均通过率作为粗集料骨架含量评价指标,4.75 mm以下筛孔的平均通过率作为细集料的整体占比指标;此外,将13.2~26.5 mm平均通过率与2.36 mm以下的筛孔平均通过率的比值定义为粗细比,并采用级配的平均粒径表征整体粗细分散度。采用上述方法,计算5种级配的级配组成评价参数,结果如表2所示。

平均粒径按式(2)计算,公式为

(2)${D}_{\mathrm{a}}=\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{D}_{i}{V}_{i}$

式(2)中:D_a为级配的平均粒径,mm;D_i为每一档集料的级配范围中值,mm;V_i为每一档集料的含量占比,%;n为级配分档的总档数。

根据不均匀系数C_u和曲率系数C_c的评价标准:当C_u≥5、且C_c=1~3时,土的级配良好,不同时满足则为级配不良;C_u<5的土称为匀粒土,级配不良; C_u>10时,土的级配良好,总体上C_u越大则粒径分布越广,但C_u过大时中间粒径可能缺失,属不连续级配,故需同时用曲率系数来评价。由表2中的C_u和C_c可知,4种设计级配属于不连续级配,这与骨架密实结构的级配组成特征相符。其次,天然级配的平均粒径和粒径粗细比最小,而4种设计级配的平均粒径和粒径粗细比存在一定规律。以粗细比为指标,分析其与振动和重型击实最大干密度比值的关系,结果如图5所示。可知,最大干密度比值与粗细比有较好的线性关系,这也证明了粗集料含量在振动压实进一步密实中所起的关键作用。而以13.2~26.5 mm平均通过率表征级配粗骨架强度可以发现,粗骨料相对较多的逐级填充级配和变i法级配最大干密度并不理想,这是由于在级配戈壁砾石粗骨料过多形成了干涉,没有达到骨架密实结构,表明这两种级配对戈壁砾石适应性较差。

就最佳含水率来看,其与颗粒平均粒径具有良好的负相关性,即级配的平均粒径越大其最佳含水率越小。这是因为平均粒径越大,级配整体的比表面积越小,表面接触时达到润滑状态需要的水分也越少,故最佳含水率越小。另一方面,4.75 mm以下筛孔通过率越大,级配的最佳含水率越大,表明整体粒径越细的级配需要更多的水分,进行集料包裹与润湿,以达到最大干密度。

3.3 CBR与最大干密度的关系

依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)T0134方法进行CBR试验,每种级配进行 3 组平行试验,5种级配砾石的CBR均值及变异系数如表3所示。

由表3可知,规范推荐级配戈壁砾石的变异系数为13.6%,故对数据进行处理,舍去了偏离较大的第3次试验175.3%,取1、2次试验的结果平均值229%。结果表明,天然级配戈壁砾石的CBR值为127%,已经满足规范基层中、轻交通量的要求;4种骨架密实级配的CBR值分布在200%~230%,满足基层极重、特重交通量的要求。

在最佳含水率下采用重型击实成型,5种戈壁砾石CBR与其最大干密度关系如图6所示。可知,除天然级配戈壁砾石的CBR强度较低外,其他级配戈壁砾石CBR随着最大干密度值的增大而增大。当采用线性拟合时,CBR与最大干密度的相关系数为0.683 1,表明戈壁砾石的承载能力与其最大干密度具有一定相关性,但并非强相关,还需要考虑其他因素,如关键筛孔通过率、粗细比等。

3.4 戈壁砾石与碎石力学性能比较

为对比戈壁砾石与碎石的力学性能,对4种级配碎石进行击实成型与CBR试验,结果如表4所示。可知,级配碎石的CBR均高于戈壁砾石,其中嵌锁密实级配碎石CBR较级配砾石提升60%左右,且在碎石级配中CBR最大,表现出比戈壁砾石更优的强度特性。

相同的试验条件下,级配碎石的CBR均大于级配砾石,这是由于骨架密实型级配方法均是基于碎石材料所设计,对于级配碎石具有更好的适应性,且碎石相比于砾石具有更强的棱角特征,碎石颗粒表面更加粗糙,故碎石颗粒在接触时颗粒间的摩擦系数更大,棱角接触处产生滑移需要更高的荷载,嵌锁后往往要破坏其棱角才能发生结构破坏。

相同级配的碎石和砾石CBR的对比结果如图7所示。对于4种级配,级配碎石CBR与戈壁砾石CBR的比值为1.04~1.30,其中逐级填充法的CBR变化最小,嵌锁密实法的CBR变化最大。这是因为嵌锁密实级配是根据每档集料的表观密度和堆积密度计算得来,对于具体颗粒具有更强的适应性,且其设计方法也是根据碎石相关试验得到,所以CBR提升最大。

3.5 CBR与级配特征参数的关系

前文考虑了CBR与干密度、材料类型的关系,而级配组成对材料骨架的形成也起到了关键作用。针对级配特征参数对材料承载能力的影响,现将戈壁砾石CBR、级配碎石CBR和成型后CBR的差值与不同骨架密实型级配的级配特征参数进行比对,分析级配组成对承载能力的影响。

天然级配的不均匀系数(C_u)最大,曲率系数(C_c)最小,表明其粒径分布范围最广且符合良好级配土的标准。然而,天然级配的CBR却是所有级配中最低的,且其他级配的不均匀系数和曲率系数无明显分布规律,表明用于评估土体级配的不均匀系数和曲率系数与其承载能力之间并无良好的对应关系。由图8(a)可知,不管是级配碎石CBR、级配戈壁砾石CBR以及碎砾石CBR差值,均与级配4.75 mm以下筛孔平均通过率之间均存在良好的二次线性关系。根据拟合曲线可知,砾石最佳强度对应的4.75 mm以下平均通过率要比碎石更大,这是由于砾石有天然级配的相关参数作为数据基础,且其棱角性更小,更易在空隙中进行填充,从而达到最密实状态时4.75 mm筛孔以下的集料更多。粗细比与CBR的关系如图8(b)所示,结果表明粗细比与碎石和砾石CBR均有二次抛物线关系,即集料粗细比例存在最佳情况:当粗集料较少时粗料悬浮在细料当中,CBR较低,而当粗料较多时又发生干涉现象,CBR也较低,只有当粗细比合适且达到骨架密实状态才获得最大的CBR。

3.6 骨架密实型戈壁砾石级配组成确定

为确定骨架密实型戈壁砾石的最佳级配,需要考虑如下几方面因素:①级配对最大干密度、最佳含水率的影响;②级配组成对CBR的影响;③级配组成受成型工艺的影响;④考虑戈壁砾石与碎石的差异性影响。

对比可知,规范推荐级配戈壁砾石的CBR最大,但其最大干密度却相对较小,且成型工艺对最大干密度的影响较大;而嵌锁密实级配戈壁砾石的CBR与规范推荐级配戈壁砾石相当,仅相差13,但嵌锁密实级配戈壁砾石的最大干密度高于规范推荐级配戈壁砾石,且两种成型工艺对最大干密度的影响相对较小。由图7可知,嵌锁密实级配下级配碎石的CBR比级配砾石提高幅度较大,而其他级配下级配碎石与级配砾石的CBR相差不大。表明嵌锁密实级配下的CBR受集料类型影响较大,在真实施工过程中砾石中也必然会存在碎石,且部分条件下碎石占比可能较高,故而当采用嵌锁密实级配作为戈壁砾石的级配组成设计时可显著提高其CBR,保证其具有足够的承载能力。另一方面,粗细比与4.75 mm以下平均通过率均在嵌锁密实级配的参数附近达到最大的CBR,这也从级配组成的角度验证了嵌锁密实级配的优越性。

综上所述,嵌锁密实级配戈壁砾石的最大干密度和CBR最大,且力学性能满足各等级公路基层的要求。尽管嵌锁密实级配的戈壁砾石可以满足规范对于公路基层的要求,但本文研究级配的选型和试验均是基于已有的骨架密实型级配开展,只讨论了砾石与碎石在成型特性与级配组成之间的关联性与差异,并未考虑砾石形态特点和嵌挤方式,故而未能形成完善的关于戈壁砾石基层的级配设计方法,会造成骨架密实型级配砾石在使用时仍会存在适应性等问题,后续研究将针对戈壁砾石的低棱角形态、密实特性以及砾石破坏特征对级配的影响开展,探讨颗粒形态对级配组成的影响,形成完善的戈壁砾石基层的级配设计方法,提高新疆地区戈壁砾石基层的应用水平。

4 应用实例

2023年10月在新疆阿克苏市柯坪县一段低等级公路进行了柔性基层试验段的铺筑,对比所研究的骨架密实型级配与天然级配砾石基层应用效果。依托工程公路等级为四级,试验路路段里程桩号为K7+500~K7+900,其中两种基层各200 m,路基宽度6.5 m,路面宽度6.0 m。

4.1 现场实施

级配砾石基层和天然砾石基层试验段的施工流程遵循下承层准备、试验路材料备料、测量放线、砾石拌和、砾石运输、摊铺、整平、砾石碾压、封层施工、开放交通的顺序。在确保前序工作完成后,采用水稳拌合机厂拌设备拌制级配砾石,根据配合比设计的最佳含水量,拌和时加水量高出最佳含水量1%左右。采用尺寸为6 185 mm×2 500 mm×3 077 mm的ABG8620型沥青混凝土宽幅摊铺机一次摊铺,级配砾石层的摊铺厚度按松铺系数1.35控制。根据拌和能力和运输能力,摊铺速度按照2.5 m/min进行调整。级配砾石层摊铺整形后,立即进行碾压。压路机在碾压过程中按照“稳定-振动-收面”的原则进行碾压,碾压长度为50~80 m,碾压时控制级配砾石层的含水量处于最佳值,施工过程如图9所示。

4.2 试验段参数检验

依照《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)对铺筑完成的骨架密实型级配砾石和天然砾石基层压实度、平整度及弯沉值进行检测,结果如表5所示。

由表5试验检测结果可知,在工程上应用强度体积方法优选得到的骨架密实型级配铺筑戈壁砾石基层,具有干密度、压实度更高、平整度优异且回弹弯沉值良好的应用特点。相比于天然级配砾石,骨架密实型级配砾石从施工效果与服役保持性能两个方面均更优,同时因其细粒土含量更少,施工需水量也较少,更为适应新疆地区干旱的环境特点,经济效益更佳。

5 结论

通过强度体积方法探讨4种骨架密实型级配对新疆戈壁砾石基层的适应情况,分析级配组成特点与成型方式两种因素对戈壁砾石成型特点的影响,并对比了不同级配戈壁砾石与碎石的强度关系,确定骨架密实型戈壁砾石的级配组成,并依托实例工程进行应用评价,得到以下结论。

(1)戈壁砾石采用骨架密实型级配可以获得更大的密实度,其最大干密度从大到小依次为嵌锁密实级配、规范推荐级配、逐级填充级配和变i法级配。振动压实成型的戈壁砾石基层相比于重型击实成型具有更大的干密度,且最佳含水率更小。

(2)成型特性方面,级配的粗细比特征与振-重成型干密度比值具有良好的线性关系,级配的最佳含水率与颗粒平均粒径呈负相关、与4.75 mm以下筛孔平均通过率呈正相关;在强度特性方面,为使粒料CBR达到最大,可通过调整级配的4.75 mm以下筛孔平均通过率与粗细比进行级配优化。

(3)天然级配戈壁砾石CBR为127,4种骨架密实级配的CBR分布在200%~230%,碎石CBR均大于戈壁砾石CBR;嵌锁密实级配砾石能获得更大的密实度和CBR,推荐采用嵌锁密实级配作为骨架密实型戈壁砾石基层的级配组成,戈壁砾石可满足道路基层的使用要求。

(4)从工程应用结果来看,骨架密实型戈壁砾石基层施工效果与性能均较天然级配更优,且施工需水量更小,更适用于新疆等干旱地区的道路建设。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

中国博士后科学基金(2022MD713805)

中国博士后科学基金(2023T160538)

新疆西域公路建设集团有限责任公司科研项目(220221230614)

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Received	Published
2025-01-17	2026-01-08
Online Date
2026-05-27

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