砂岩碎石在涪丰石高速公路路面垫层中的应用研究

1、4 砂岩碎石在涪丰石高速公路路面垫层中的应用研究4.1 概述4.1.1 研究背景公路交通是为国民经济，社会发展和人民生活服务的公共基础设施，是衡量一个国家经济实力和现代化水平的重要标志。改革开放以来，是中国公路发展最快，规模最大，最具活力时期。自1998年沈大高速公路，沪嘉高速公路建成通车，中国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的新时代。自1998年以来，中国连续四年以每年2000亿元人民币的投资用于公路建设。2003年公路建设投资达到了3715亿元，高速公路的通车里程，1989年全国仅为271公里，到1999年突破1万公里，2003年近3万公里，首次位居世界第二位。到2

2、010年底全国高速公路总里程达到7.4万公里继续保持世界第二的位置。高速公路的大力建设对于资源的节约化使用提出了更高的要求，同时建设资源节约、环境友好型社会是党中央、国务院明确提出的社会发展长期战略任务。2005年，胡锦涛总书记就提出要努力建设资源节约型、环境友好型社会，通过提高资源利用效率，重视资源节约和生态环境保护，达到节能、节水、节地、节材以及环境保护目的。交通运输是国民经济的基础产业和服务性行业，转变交通运输业发展方式，对于建立资源节约、环境友好型社会，促进现代交通运输业的可持续发展具有重要意义。2011年全国交通运输工作会议提出：要深化资源节约型环境友好型行业建设，鼓励路面材料、施工

3、废料、弃渣、废旧轮胎等资源的再生和综合利用。结合以上情况，应当认识到在新建高速公路中，进行资源节约、环境友好型的开发建设，有其必然性和紧迫性。在重庆涪陵至石柱高速公路的建设中，本研究课题紧紧围绕这一思想，应用当地产砂岩作为路面垫层。重庆涪陵至石柱高速公路由重庆高速公路规划的“十射”（重庆主城涪陵丰都忠县万州开县城口）中的涪陵至丰都段及其支线丰都至石柱段组成，如图4.1.1。该项目的建设，可以促进重庆主城区与渝东北城镇群之间的交通联系，是重庆“一圈两翼”经济圈的重要交通纽带；对重庆主城区向三峡库区的经济辐射起着重要作用。涪陵至石柱高速公路还是重庆市、贵州北部、四川大部分地区出渝入赣最便捷的通道，

4、对重庆逐步发展成为长江上游交通枢纽和经济中心具有十分重要的意义。图4.1.1 涪丰石高速线路示意涪丰石高速公路所处区域自然区划为V3区，沿线地势起伏较大，沟壑发育，降雨丰富且集中，有大量硬质岩挖方路段和隧道，产生了大量砂岩，同时建设区域内缺乏石灰岩等优质石料。本着“因地制宜，节约成本的原则”，综合利用当地盛产的砂岩碎石作为路面结构垫层，可就地取材，降低工程造价，保护环境，节约资源。然而，砂岩是一种天然岩石，它是由千万年前的岩石经风化剥蚀作用，解体为碎屑，或经水流冲蚀溶解后，沉积于石床上，由于地壳运动，受到挤压胶结，及一系列的物理化学作用，使之形成为现在的砂岩矿山。砂岩具有密度较小，单轴抗压强度

5、相对较小，孔隙率和吸水率较大，表面较粗糙，易风化等性质。由于砂岩属沉积岩，不同类型的砂岩物理力学特性有较大差异。因而要对砂岩碎石在高速公路垫层中的合理应用进行研究，提高路面使用性能。本研究课题，将采用砂岩做级配碎石作为高速公路路面垫层，结合半刚性基层，共同承担重载交通压力。4.1.2 砂岩在道路工程中的应用概况4.1.2.1 砂岩概述砂岩是石英、长石等碎屑成分占50%以上的沉积碎屑岩（见表4.1.1），它由源区岩石经风化、剥蚀、搬运在盆地中堆积形成。砂岩的颜色和沙子一样，可以是任何颜色，最常见的是棕色、黄色、红色、灰色和白色。砂岩由碎屑和填隙物两部分构成。碎屑除石英、长石外还有白云母、重矿物、

6、岩屑等。填隙物包括胶结物和碎屑杂基两种组分。常见胶结物有硅质和碳酸盐质胶结；杂基成分主要指与碎屑同时沉积的颗粒更细的黏土或粉砂质物。填隙物的成分和结构反映砂岩形成的地质构造环境和物理化学条件。砂岩按砂粒的直径划分为：巨粒砂岩（21mm）、粗粒砂岩（10.5mm）、中粒砂岩（0.50.25mm）、细粒砂岩（0.250.125mm）、微粒砂岩（0.1250.0625mm），以上各种砂岩中，相应粒级含量应在50%以上；按岩石（矿物）类型划分为：石英砂岩（石英和各种硅质岩屑的含量占砂级岩屑总量的95%以上）和石英杂砂岩、长石砂岩（碎屑成分主要是石英和长石，其中石英含量低于75%、长石超过18.75%）

7、和长石杂砂岩、岩屑砂岩（碎屑中石英含量低于75%，岩屑含量一般大于18.755，岩屑/长石比值大于3）和岩屑杂砂岩。砂层和砂岩构成石油、天然气和地下水的主要储集层。砂和砂岩可用做磨料、玻璃原料和建筑材料。一定产状的砂层和砂岩中富含砂金、锆石、金刚石、钛铁矿、金红石等砂矿。表4.1.1 沉积岩分类简表岩类结构岩石分类名称主要亚类及其组成物质碎屑岩类火山碎屑岩碎屑结构粒径>100mm火山集块岩主要由大于100mm的熔岩碎块、火山灰尘等经压密胶结而成粒径1002mm火山角砾岩主要由1002mm的熔岩碎屑、晶屑、玻屑及其他碎屑混入物组成粒径<2mm凝灰岩由50%以上粒径<2mm的火山

8、灰组成，其中有岩屑、晶屑、玻屑等细粒碎屑物质砾状结构粒径>2mm砾岩角砾岩由带棱角的角砾经胶结而成砾岩由浑圆的砾石经胶结而成沉积碎屑岩砂质结构粒径20.05mm硬质砂岩石英硬质砂岩石英含量>90%、长石和岩屑<10%长石硬质砂岩石英含量<75%、长石>25%、岩屑<10%岩屑硬质砂岩石英含量<75%、长石<10%、岩屑>25%粉砂结构粒径0.050.005mm粉硬质砂岩主要由石英、长石粉、粘粒及粘土矿物组成粘土岩类泥质结构粒径<0.005mm泥岩主要由高岭石、微晶高岭石及云母等粘土矿物组成页岩粘土质页岩由粘土矿物组成碳质页岩由粘土矿物

9、及有机质组成化学及生物化学岩类结晶结构及生物结构石灰岩石灰岩方解石含量>90%、粘土矿物<10%泥灰岩方解石含量75%50%、粘土矿物25%50%白云岩白云岩白云石含量90%100%、方解石<10%灰质白云岩白云石含量50%75%、方解石25%50%4.1.2.2砂岩在道路工程中的应用砂岩在中国四川、湖南、广东、江西等地均有一定分布，在道路工程中有广泛的应用。(1) 石英硬质砂岩作为路面面层集料：江苏省石英硬质砂岩主要分布在宁镇山脉内，苏州、溧阳、宜兴等地区，储量较为丰富，经试验验证石英硬质砂岩可以应用于高速公路上面层。试验路以沿江高速公路凤凰互通204国道高速化改造工程为依

10、托工程，路面结构采用改性沥青AK13A级配类型。试验路铺设完成后，对路面压实度、路面渗水系数、构造深度及现场摩擦系数四项指标进行了检测，合格率均达到技术规范要求。(2) 硬质砂岩作为路面基层、底基层集料：四川省广巴路（广元至巴中）是国家重点公路建设“十三纵十五横”中杭州至兰州横向通道中的重要组成部分，全长148.67公里，沿线优质石料严重匮乏，采用外运集料在经济上难以承受。而沿线广泛分布有石灰岩、辉长岩、硬质砂岩、闪长岩等地方材料，且数量较大。为了缩短运距，节省造价，确保广巴路工程质量，对于硬质砂岩、辉长岩应用于路面基层、底基层及面层的进行了相关研究。(3) 红砂岩作为路基填料：京珠高速公路湘

11、潭至耒阳段沿线约68km通过红砂岩地带，为了避免远距离借土和大量红砂岩弃方占用耕地，节省造价，保护环境，并确保公路施工质量，湖南省交通厅于1996年3月组织成立了“京珠高速公路湘潭至耒阳段红砂岩地带路基修筑技术研究”课题组，对红砂岩的结构、分类、工程性质、填筑机理、填筑方案、施工工艺、质量检测标准等进行了全面系统的研究，并较成功地指导了湘耒高速公路建设。湖南省衡阳市至枣木铺高速公路全长185.427km，设计时速120km/h，路基宽度28m，与国道京珠高速公路和广西全黄高速公路相连结，其中有连续11km必须修建在红砂岩地带上。在施工中要开挖红砂岩10×106m3。红砂岩具有受水浸湿

12、或在大气环境下受干湿循环的作用，岩石发生软化崩解或碎裂崩解，强度降低，工程性质变差，导致产生病害的特性，而很少用作公路路基填料。但衡枣公路建设中，若将上千万方的红砂岩弃之不用，而远运其他材料填筑路基，则不仅弃土和借土的场地难寻，而且会造成环境污染，带来后患，工期难以保证，还要增加约4亿元人民币的建设费用。基于上述情况，通过对红砂岩的崩解特性、颗粒级配、物理性质和状态指标、工程力学性质、模拟路堤和实体试验路段的研究分析，以及大面积实体工程的使用验证，得出红砂岩的路用性能可通过相应的工程技术措施处治而得到改善，变害为利，为其所用。(4) 红砂岩作为边坡防护及绿化材料：红砂岩应用在国道323线南雄头

13、塘铺至古市段一级路改造绿化工程的建设。另外红砂岩作为随(州)岳(阳)高速公路边坡防护材料也得到了试验应用。(5) 砂岩片石在道路构筑物中也有着广泛的应用，如作为修筑涵洞的石材、道路的路缘石等。(6) 因为砂岩强度相对较小，易打磨雕刻，且有层理花纹，所以宜作为雕刻石材。由于砂岩孔隙率较大，具有吸声、吸潮、防火、亚光等特性，这种特性的品种装饰应用到具有吸声要求的影剧院、体育馆、饭店等公共场所效果十分理想，甚至可省去吸声板和拉毛墙。因此，砂岩不仅在道路工程中广泛应用，在其他行业也有广泛应用。4.1.2.3应用中存在的问题虽然砂岩在道路工程及其他行业有一定范围的应用，但也存在一定的问题。(1) 石英砂

14、岩强度较大，可作为高等级道路路面面层原材料，有较好的效果，但是我国储量较小，分布地区较少。经调查仅在江浙局部地区、湖北省建始县、河南渑池县、重庆南川区、陕北地区等极少部分地区有很少量的石英砂岩分布，而且地区石英砂岩性质不同，所以石英砂岩不可能大面积作为筑路原料。(2) 红砂岩在我国分布较广泛，储量大，广泛分布于我国云南、贵州、四川和华南地区的湘、鄂、赣、桂、粤，以及豫、苏、皖、浙、闽等省区。但红砂岩单轴抗压强度低，一般在5MPa20MPa，属于软质岩范畴，大部分为泥质胶结，抗水、抗风化能力差，风化迅速，风化层厚度大且分布不均匀，其风化物的工程性质随母岩性质变化差异大、工程稳定性差，用作路基填料

15、时施工质量难于控制，常出现路基沉陷、路面开裂等工程地质问题。红砂岩遇水有软化、崩解、扩容膨胀等不良工程地质现象。红色砂岩中常发育泥岩夹层或泥岩、砂岩的韵律层。由于泥岩容易风化且遇水软化常形成相对软弱面或泥化夹层，给深基坑工程、高边坡工程、地下工程带来岩体边坡抗滑稳定等工程地质问题。因此，红砂岩只能在相关技术指导下作为路基填料，不能用做路面原料。(3) 砂岩在道路工程中的应用研究还处于初期阶段，国内外对砂岩基本性质及路用性能方面缺乏专业、系统的研究。因此，可借鉴的资料很少，更无设计、施工技术规范和验收标准可循。4.1.3 级配碎石国内外研究现状4.1.3.1 国内研究现状我国早期的沥青路面曾大量

16、采用天然沙砾或搀配沙砾做基层修建沥青路面。随着时代的进步，交通量大，车载质量和轴载量大，重车比例大成为我国近二十年来交通发展的主要特点。加之当时在原材料加工以及施工工艺方面存在的困难，严格意义上讲，我国采用的级配碎石材料并不规范，由于我国当时沥青材料的匮乏，采用粒料材料做基层时，其上面的沥青层一般都很薄。此时，原有的级配碎石基层暴露出明显的弊端，同时新建或改建的高等级公路沥青路面发生一些严重的早期破坏，有的使用不到一年就开始大面积损坏，有的使用35年就发生明显损坏，路面的使用质量和使用寿命普遍不能达到应有的水平。这主要因为级配碎石是一种松散材料，具有塑性变形大、刚度小、应力扩散能力差等缺点，在

17、重交通（交通量大和重车比例多）的情况下，会产生过大的残余变形或工后变形，致使沥青路面的平整度受到影响，严重时进而会发生剪切破坏和疲劳破坏。为了解决这一问题，顺应交通的发展，半刚性基层柔性路面逐渐成为我国的主要道路结构形式。近几年来，由于半刚性基层开裂导致沥青路面结构反射裂缝问题日益突出，路面早期损坏严重，国内一些院校开始对级配碎石材料进行应用研究，其中东南大学、哈尔滨工业大学和交通部公路科学研究所对级配碎石材料的技术要求进行了大量研究，同时铺筑了一些试验路。如“七五”国家攻关项目惠州试验路土工布夹层防裂对比研究，河北正定试验路改性沥青应力吸收膜中间层及级配碎石基层防裂对比研究，西安试验路级配碎

18、石基层防裂对比研究，沪宁高速公路无锡试验路级配碎石基层防裂对比研究，宁连一级公路淮阴试验路段级配碎石基层及土工格栅夹层防裂对比研究。通过对这些试验路的系统观测和分析，目的是针对半刚性基层沥青路面结构早期损坏问题，希望通过对级配碎石材料的研究，将级配碎石材料在我国沥青路面结构设计中得到应用，其中主要的结论如下：东南大学对影响级配碎石级配的主要因素如级配类型、最大粒径及集料中通过不同的筛孔的含量等进行了研究，其结论如下：(1) 0.075mm通过率为810%的级配碎石干密度最大，而CBR值则以68%为最佳。(2) 最大粒径Dmax对密度和强度也有很大的影响，具有较多起骨架作用的粗集料的混合料具有较

19、大的CBR值。但是Dmax太大易导致集料离析，从而影响其强度和刚度。就获得最大密实级配碎石而言，最大粒径4050mm为最佳。(3) 级配类型对级配碎石密实度，强度和透水性有重要影响，级配曲线可用泰波曲线表示，n为0.450.55，时可以获得较粗、密实且透水性好的优质碎石基层。随后何兆益教授通过试验路的观测以及室内试验对级配碎石进行了分析研究。通过不同级配的试验结果对比，得到力学性能良好的级配以及成型方法。由于级配碎石的非线性特性，对其分别进行了动三轴和静三轴的试验。对具有优质级配碎石基层的半刚性沥青路面弯沉、沥青面层底面弯拉应力进行了深入分析，提出级配碎石半刚性基层的合理厚度。并对级配碎石层控

20、制反射裂缝的原因以及施工方法进行了初步的探讨。哈尔滨工业大学对级配碎石材料也进行了研究，主要得出以下结论：(1) 结合国内外研究成果，为了提高级配碎石材料的强度和抵抗变形的能力，须走骨架密实型的级配设计路线，强度要靠密实和骨架两部分来提供，抗变形能力主要靠细集料的填充来承担。(2) 通过对细集料通过率的系统研究，在振动成型工艺下，n=0.55的细集料具有良好的性能。(3) 成型方法对骨架的特性影响较大，应根据交通要求及所在层位选择骨架类型设计，如轻、中交通采用松排或紧排，重交通采用强排，底基层采用松排，基层紧排，过渡层强排。(4) 根据细集料和骨架的研究成果，对骨架密实型级配性能和强度进行评价

21、，综合考虑变形和强度。(5) 对级配碎石施工工艺，提出采用振动压路机和胶轮压路机联合作业得出的效果较好。哈尔滨大学的王哲人就级配碎石基层材料的组成结构和动力特性进行了研究。通过对主骨架、细集料以及混合料的CBR值、回弹模量值的对比研究，得出组成机构是影响物理力学性质的决定性因素。交通部公路科学研究所的严二虎近年来对级配碎石进行了系统研究，主要成果如下：(1) 通过对世界各国级配碎石材料技术要求的研究，在试验研究的基础上推荐了我国级配碎石材料的级配范围和混合料技术要求的建议值。(2) 通过对世界各国级配碎石混合料的室内试件成型方法的研究以及室内试验，表明重型击实成型试件与振动成型试件的干密度、C

22、BR具有较好的相关性;同时世界各国绝大部分国家级配。碎石混合料的室内试件成型采用重型击实成型方法，一般国家没有振动成型设计标准，因此推荐我国级配碎石成型仍然采用重型击实标准。(3) 通过对级配碎石混合料技术指标的研究，推荐我国增加CBR指标来评价级配碎石材料的性能，对我国现行公路路面基层施工技术规范JTJT0342000进行了补充，并建议4大饱水级配碎石的CBR标准大于80%。(4) 通过对级配碎石施工工艺研究，建议在施下中应严格拌和质量，碾压中注意含水量的控制，碾压采用胶轮压路机和振动压路机联合碾压；合理的碾压厚度以及碾压遍数应该根据级配碎石压实性能以及施工单位压路机具的压实特性通过试碾压确

23、定，以保证达到最佳压实效果，同时不产生过压。同济大学的韩志强在分析国内外级配沙砾混合料作为道路基层材料的级配要求的基础上，依据最大密度曲线理论对不同最大公称粒径、不同级配指数的12种沙砾料的理论级配的试验研究，提出了最佳理论级配组成，确定了作为基层用的级配沙砾的设计方法。然后通过对级配沙砾的三轴试验、承载板试验、弯沉测定等试验结果的分析建立了野外试验中承载板回弹模量、弯沉法弯沉之间的乘幂关系。从以上的国内研究现状可以知道，虽然表明柔性基层（级配碎石）可以减少反射裂缝，延长沥青路面的使用年限。但对级配碎石的设计原则并不清楚，对级配碎石这类松散集料的施工方法和质量控制均未提出要求，对级配碎石抗永久

24、变形能力以及永久变形预估等性能没有深入研究，对结构的设计参数以及影响因素有待进一步的研究。4.1.3.2 国外研究现状早在19281929年美国加利福尼亚州交通部就提出了CBR设计法，以材料的贯入抗力与标准碎石贯入抗力的百分比值表示。根据当时的调查，路面破坏的主要类型是：路面因吸水而导致的路基材料的侧向位移；路面下的材料不均匀沉降；路面下材料的过大弯沉。根据这些调查结果，提出了CBR设计法，给出了适用于美国加利福尼亚州交通状况的设计曲线，以控制路基的剪切破坏。1972年，美国全国碎石协会根据美国工程师兵团的CBR法制定了适用于公路的路面CBR设计方法，该方法的设计思想是，路面应提供足够的厚度和

25、质量，以防止任一路面层内产生重复剪切变形。CBR设计法是一种经验性的方法，设计过程简单，概念明确，适用于重载、低等级的路面设计；所提出的CBR指标已被作为路面材料的一种参数指标得到了广泛的应用。在国外级配碎石作为基层，称为粒料基层或无结合料基层，或无结合料粒料基层。粒料基层中以级配严格控制的碎石（有些也包括碎砾石，碎矿渣），通过拌和并按照生产配比、加水拌和、采用施工机械施工、碾压，因其材料均匀、性能良好而成为各国主要道路上普遍采用的基层类型之一。国外一般将级配碎石作为下基层，较厚的沥青混凝土起到了上基层的作用，因此对碎石的级配要求不严，通常采用ASTM、AASHTO等标准作为依据，这些标准较宽

26、，不适于作为基层或过渡层级配碎石的要求。国外近年来主要对级配碎石的力学特性进行了相关研究，对试验条件、设备、试件成型方法、尺寸、材料类型、级配等提出了较明确的要求。但也有尚未解决的问题，如级配碎石的施工方法与控制、压实度的检验方法等。如何通过室内外试验得出级配碎石材料的力学反应特性，以便于应用于我国的设计体系中，也是有待于进一步深入研究的。至于级配碎石的动弹模量，国外已经进行过大量研究，并得到了级配碎石非线性特性的表达式及参数的取值范围，但由于研究试验条件与试验设备不同，材料、试验级配、试件尺寸以及成型方式的差异，所得出的结果变化较大。Bigl与Berg（1996）在开展寒区道路路面试验工程研

27、究中，对试验路路面基层使用的四种不同级配组成的级配碎石，分别进行了不同含水状态下的冻敏感性、水力特性试验，不同含水量下冻结和融化状态的动三轴试验，分析了级配碎石在冻融过程中的特性变化，及含水量、密实度、级配组成对其特性的影响。Janoo与Bayer（2001）在美国宾夕法尼亚州底基层材料研究中，对级配碎石粗集料的形状、表面纹理构造、棱角性进行了试验分析，划分了集料评价指标与等级；进一步通过不同尺寸试样的动三轴试验，分析了级配组成、粒径、集料等级、试样尺寸、含水量、密实度、空隙率等对混合料动弹性模量和剪切性能的影响，提出试样尺寸对混合料的动弹性模量有明显影响，混合料的摩阻角和粘聚力对剪切应变和应

28、力有明显影响，影响程度与空隙率、级配类型相关，集料等级可以表征混合料的性能。A.R.Dawso在Dresden大学对两种级配碎石材料进行了室内三轴试验，他通过试验发现由于松散粒料材料间没有粘结料，在车轮荷载作用下它只能承受压应力而不能承受拉应力，所以松散粒料材料的Shakedown行为不象其它金属类材料那样，而是表现三阶段安定行为：塑性安定阶段（Plasticshakedown），塑性蠕变阶段（plastiecreep），累积破坏阶段（rateheting）。且三阶段安定行为只存在抗压安定上限，而不存在抗拉下限。柔性路面结构的永久变形由路面各组成部分（沥青层、粒料层和土基）永久变形总和而成。级

29、配碎石层和土基的变形是整个路面结构永久变形的一部分，随着沥青层厚度的减低，扩散到级配碎石层的永久变形占总变形量的比例相应增大。美国各州公路官员协会（AASHTO）通过环道试验调查了路面车辙破坏情况，对大量试验环道车辙破坏调查结果表明路面车辙主要由结构组合层的厚度减少所引起的，车辙深度的32%发生在面层，14%发生在基层，45%发生在底基层。粒料层变形占总变形的59%。因此控制路面车辙破坏从粒料层的永久变形性能进行研究对柔性路面设计具有重要的现实意义。4.1.4 研究内容与技术路线4.1.4.1 研究内容(1) 砂岩碎石物理力学参数试验。在施工现场取用实际使用的碎石集料，以规范为标准，测定碎石的

30、液限、塑限、压碎值、针片状含量等相关参数。(2) 级配设计与优化。选定级配类型，试掺碎石形成各级配，并对碎石垫层进行CBR等力学参数试验，分析影响其强度的主要因素，在此基础上优化级配设计。(3) 砂岩级配碎石垫层路用性能评价。对优选砂岩级配碎石的路用性能进行综合评价，主要包括抗剪强度、干密度、回弹模量等。(4) 砂岩碎石垫层对路面结构性能的影响。通过室内试验获得的砂岩碎石模量参数，采用弹性层状理论及数值分析等手段分析砂岩碎石垫层对路面结构性能的影响。(5) 砂岩碎石垫层施工工艺及质量控制指标。通过试验路铺筑，提出砂岩碎石垫层合理的摊铺方法、压实机具的组合及碾压工艺、松铺系数等控制参数。4.1.

31、4.2技术路线优化确定工程设计级配范围、强度标准集料取样，确定料场分级方法确定施工方法分析国内外级配碎石研究现状原材料试验（压碎值、针片状、塑指、液限、各级的筛分等）初拟不同类型掺配比例及合理级配级配做击实试验，确定最大干密度和最佳含水率在最大干密度和最佳含水率状态下做CBR试验、抗剪强度试验完成级配设计砂岩碎石模量试验，砂岩垫层路面力学响应分析试验路铺筑，确定施工工艺及质量控制指标合格图4.1.2 技术路线图4.2 级配碎石材料的基本技术性质分析4.2.1 概述 级配碎石的强度、模量较一般结合料稳定基层低，从结构强度形成上看，碎石基层强度主要来源于碎石颗粒本身的强度以及碎石颗粒之间的嵌挤力。

32、因此，级配碎石基层的良好应用，主要在于通过取得高质量的碎石，获得骨架密实结构的良好级配，良好的施工压实手段来提高级配碎石的强度和稳定性，以降低行车作用下的变形和塑性变形。使用中的粒状材料的性能是很复杂的，它由许多相关的因素控制。(1) 粗颗粒的内在特性例如硬度，表面摩擦力和污染程度它们通常与获得材料的原材料的地质特性、矿物学性质和岩类学性质有关。(2) 生产的集料的特性，例如颗粒形状和大小，大小分布，细料含量，细料塑性等等，它们主要与将原材料生产成适合道路施工材料的生产控制方法有关。(3) 压实层的特性，例如密度、含水量和颗粒的分布它们与施工或者压实方法有关。(4) 边界条件，例如湿度范围，施

33、加在边界的应力和变形。它们与外部因素有关，这些因素确定了道路短期和长期的特性。4.2.2 级配碎石的基本性质及影响因素4.2.2.1抗压强度抗压强度是指材料在被施加应力达到破坏时的最大应力值。级配碎石的强度主要由两方面组成，一个是石料之间的嵌挤力和摩擦力，还有就是细料的微结后，强度会提高，影响粒状材料强度的主要因素有：(1) 颗粒的大小：许多研究人员认为粒状材料的强度随着最大粒径的增大而增大，特别是具有相同数量的细料和相似的级配曲线的时候。对于给定的限制范围，较大的粒径能够提供较大的强度，这主要由于颗粒之间的接触比较少。当荷载通过粗颗粒传递时，颗粒之间的接触点少，整体变形小因此有较大的强度。(

34、2) 颗粒的粗糙程度以及形状：颗粒粗糙程度以及形状对刚度的影响并不十分明确。许多研究人员认为粗糙的颗粒表面将会产生较大的刚度。并且轧制有棱角的以及破碎面多的颗粒与为轧制棱角光滑的颗粒相比能够提供更高的刚度以及较好的荷载分布特性。然而，一些研究人员却认为为轧制的砾石要比轧制的石灰岩要好。(3) 细料含量以及细料的塑性：具有粘性和塑性的细料对吸力有影响，因此可以假设强度同样受到这些因素的影响。特别是当吸力为粘结颗粒的主要应力时（例如在没有限制或者低围压的状况下以及或者干燥的情况下）。在这一情况下，较高细料含量和较高粘性的细料将会导致较高的嵌挤，因此，有较高的强度。然而，当相对于周围应力，吸力很小的

35、时候（例如在浸润的情况下），较高的细料含量和较高粘度的细料会由于上述颗粒大小以及润滑作用导致强度减小。(4) 密度以及含水量：压实层的特性（例如密度，含水量和颗粒的排列方向）对材料的刚度影响很大。当密度增加的时候，材料的刚度也在增加。在湿润程度较高的时候，如果排水以及渗透能力较差，则强度也会降低。道路应该具有足够的强度度以扩散从路面传来的应力和应变并将其传至下面的路层，同时保证下面的各层不会出现较大的变形。4.2.2.2塑性变形塑性变形又叫累积残余变形是指压实材料的体积在施加一段时间应力后卸载，产生的不可恢复的变形。在反复荷载作用下，当累计残余变形达到一定值时，路面会产生沉陷和车辙，这也是沥青

36、混凝土路面出现损坏的情况之一。路面的这种残余变形，是路基和路面结构层发生塑性变形的综合，其中影响级配碎石塑性变形影响的因素有：(1) 颗粒形状：一些研究人员认为，当不同的材料压实成相同的密度，具有棱角的材料与棱角光滑的材料相比永久变形要小。(2) 级配。(3) 细料含量：当细料的含量超过一界限值（8%12%，依材料而定），永久变形:将会增加。在弹性区域（应力远低于剪切强度）细料含量对永久变形的影响不大，但在破坏区域附近则影响很大。这说明细料含量过大会阻止大粒径颗粒之间的嵌锁。(4) 密度和含水量：随着密度的增加，塑性变形显著的减小。在低含水量的情况下永久变形相对比较小。级配碎石材料对结构总变形

37、的抵抗能力分为两部分：1.骨架之间的嵌挤会阻止结构总变形发生的趋势，所以结构中最大粒径越大，嵌挤的作用越明显，总变形会越小；2.细集料的加入也会阻止结构总变形发生的趋势，细集料的填充会使结构更为紧密，减少了颗粒在空隙之间发生位移的可能性。4.2.2.3 剪切强度粒状材料的剪切强度可以被定义为材料抵抗剪切应力的能力。影响剪切强度的因素有：(1) 颗粒形状和表面纹理（摩擦和粗糙程度）：在固定的孔隙度下，颗粒的形状以及表面纹理将会影响无粘结材料的剪切强度。通常认为具有棱角和表面粗糙的轧制岩石抗剪切性能较好，相比较而言，棱角光滑以及光滑表面的河砂则性能较差。(2) 细料的百分含量以及细料的塑性：通常，

38、细料含量过多将阻止大颗粒之间的嵌锁，而细料含量过少则会减少密度。当细料含量在8%和12%之间的时候，材料比较稳定。细料塑性含量大则会降低材料的剪切强度。当细料含量比较少（小于8%）时，则细料的塑性对于材料的剪切强度影响不大。然而，当细料含量大的时候，细料塑性变大时就会减小材料的剪切强度。(3) 颗粒大小或者级配：通常认为材料在最大密度时具有最大的稳定性以及强度。(4) 密度和含水量：随密度的增加以及含水量的减小材料的剪切强度增加。含水量的少量增加会微小减少颗粒之间的摩擦力，但同时也会增加颗粒之间的毛细吸引力。然而，浸润的程度较高会产生较高的孔隙压力（或者是较低的有效应力），这样就会导致较低的剪

39、切强度。因此在施工时应控制目标密度以及含水量。4.2.2.4 耐久性和体积稳定性耐久性即为材料抵抗磨耗和风化的能力，它与材料在重复荷载和长期风化下性能的变化有关。增强材料耐久性可确保材料不会显著的破坏，颗粒大小和形状不受改变，并在道路的施工和使用时期内控制出现细料增加和塑性增加的情况。体积稳定性是指压实土壤的体积由于含水量的改变而变化的性能。这主要由于季节含水量的变化引起的。含水量的变形通常会导致收缩或者膨胀，进而引起相邻层次的破坏，因此应加以控制。细料的含量和质量是影响体积稳定性最主要的因素。4.2.3 材料的物理技术指标对于集料的内在性质和生产工艺的控制通常使用材料的物理技术指标进行评定。

40、评定材材料物理性质的标准一般有：(1)原材料质量（颗粒强度，硬度和耐久性），例如洛杉基磨耗值，华盛顿分解值，百分之十细料值，不佳石料含量（US）以及不佳边角料含量（TOT）(2)颗粒大小和形状，例如针片度指数（FI）(3)细料性能，例如液限（LL），线性收缩（LS），塑性指数（PI），吸水量（WA）。对于我国的控制指标可参照国外的控制指标以及国内的试验条件确定。4.2.3.1 材料的选择级配碎石包括级配砾石、级配碎砾石和级配碎石。作为半刚性基层与沥青面层的中间层，由于受较大的应力作用，应采用高质量的轧制级配碎石。不同的材料类型其性能也会有一定的差异。爱尔兰根据30年无粘结材料使用经验表明，石灰

41、岩是所有作为级配碎石材料中最好的。其原因有以下三点:石灰岩容易轧制成四方形形状，容易达到级配要求，同时其细颗粒中碳酸盐含量较高在拌和中和水一起对粗集料起到胶结料的作用。而对于粗砂岩、变质岩等材料由于针片状颗粒含量较多在施工中容易离析，施工中难压实成密实状态，在行车作用下会产生较大的瞬时变形，因此建议施工时采用轧制的石灰岩作为级配碎石层的材料。4.2.3.2 材料强度美国AASHTOM147-65（1995）以及其他一些国家的规范对强度的评定通常采用洛杉基磨耗值，一般规定磨耗值不应超过50，要求其CBR值不小于80%。我国的公路路面基层施工技术规范（JTJ0342000）规定高速公路和一级公路底

42、基层的级配碎石集料压碎值<30%。4.2.3.3 集料形状、构造富有棱角及表面纹理丰富的轧制碎石，在相同级配及密实度下通常比光滑表面的圆颗粒具有更好的力学性能，因而应采用轧制集料。通常国外的规范，例如加拿大采用4.75mm筛上破裂面作为控制指标，并要求不超过50%。我国的公路工程基层施工技术规范（JTJ0342000）规定，碎石中针片状总颗粒含量应不超过20%。本项目采用沥青路面用粗集料针片状颗粒含量试验（游标卡尺法）（T03122005）测定集料。4.2.3.4 液限、塑限指数研究表明集料中0.5mm含量较大时，其塑性指数对级配碎石性质以及三轴强度有较大的影响。研究表明，对无塑性的级配

43、碎石，通过实验证明，当细粒料含量少时，其塑性指数对强度的影响很小；而当细粒料的含量增加时，其塑性指数的影响会越来越大。细料无塑性时的CBR值及抗永久变形能力远好于有塑性者。此外，塑性细料遇水易膨胀，从而降低透水性和水稳性，并增加了冰冻敏感性。为此，应严格限制级配碎石小于0.5mm颗粒含量及其塑性指数，AASHTO及ASTM均规定其液限应25%，塑性指数4%6%。我国规范JTJ0342000规定液限28%，塑性指数6%。当材料的塑性较高的时候，应限制其细料的含量。砂和石屑的含量对级配碎石影响也较大，有些工程由于石屑的塑性指数较大，为了降低塑性指数，采用掺加砂的方法降低细料的塑性指数，而一般研究表

44、明，级配碎石中加入砂会起润滑作用，不利于集料间形成嵌挤稳定的骨架，而且砂中以下部分胶结作用差，在重型击实试验脱模时发现完全采用石屑的试件基本能够成型，而完全采用机制砂的试件基本不能完整成型。4.2.4 碎石材料技术指标要求国外的各规范级配碎石基层、底基层材料类型和技术要求如表4.2.1所示：表4.2.1 国外各规范级配碎石技术要求国家或部门液限塑指磨耗值砂当量耐久性安定性材料类型要求及其它FHWA25%50%35%12%细料，即4.75mm以下料应该是天然砂或人工砂和细矿料颗粒。粗集料破裂面不小于50%ASTM基层25%4359.5mm以上料至少75%，颗粒必须具有2个或2个以上的破裂面底层2

45、5%630英国基层25%0基层为质量较好的碎石、碎矿渣底层25%06法国基层203050法国集料较硬，级配碎石主要采用两种材料，即粗砂岩和砂质砂砾。不同的交通量其材料要求不同，同时还规定了微型狄法尔磨耗值底层254050南非46我国交通部2000年颁布的公路路面基层施工技术规范（JTJ0342000）关于级配碎石的技术指标如下表4.2.2所示：表4.2.2 级配碎石技术指标石料使用部位石料技术指标压碎值（%）针片状（%）液限（%）塑性指数在塑性指数偏大的情况下，塑性指数与0.5mm以下细土的乘积基层高速公路和一级公路26£20碎石中不应含有粘土块、植物等有害杂质<28潮湿多雨地

46、区小于6非潮湿多雨地区小于9在年降雨量小于600mm的地区，地下水位对土基没有影响时，乘积不应大于120在潮湿多雨地区不应大于100二级公路30二级以下公路35底基层高速公路和一级公路30二级公路35¾¾¾二级以下公路40另外，公路沥青路面设计规范（JTG D502006）中规定，级配碎石作为路面各层位时，液限均应小于25%。通过国内外控制指标的比较，可以看出我国的规范控制试验指标虽然简单，但也能很好的反应材料的基本性能。综合分析，针对本课题，采用表4.2.3所示的物理控制指标，以确保材料的稳定性。表4.2.3 底基层级配碎石物理指标控制指标试验规程取值集料压碎值

47、T0316一2005小于30%针片状颗粒含量T0312一2005£20%液限T0118一2007小于25%塑性指数T0118一2007小于6表观相对密度T03042005¾毛体积相对密度吸水率4.2.5 砂岩碎石物理指标试验4.2.5.1 筛分试验根据试验规程T03022005，采用干筛法筛分所取砂岩碎石，筛分结果如下：表4.2.4 砂岩碎石干筛法筛分记录干燥试样总量(g)第一组第二组平均10000.010000.0筛孔尺寸（mm）筛上重mi（g）分计筛余（%）累计筛余（%）通过百分率（%）筛上重mi（g）分计筛余（%）累计筛余（%）通过百分率（%）通过百分率（%）37.5

48、325.13.33.396.7302.13.03.097.096.931.5521.65.28.591.5531.85.38.391.791.619.0867.18.717.282.8872.38.717.182.982.916.01109.511.128.371.71093.210.928.072.071.913.21224.412.240.559.51238.412.440.459.659.59.51823.218.258.841.21833.718.358.841.241.24.752073.820.779.520.52086.520.979.620.420.42.36739.77.48

49、6.913.1722.47.286.913.113.11.18242.62.489.310.7247.22.589.410.610.70.6205.32.191.48.6209.82.191.48.68.60.3343.73.494.85.2334.63.394.85.25.20.15122.91.296.13.9115.91.296.04.04.00.075324.13.299.30.7330.03.399.30.70.7筛底69.10.7100.00.073.80.7100.00.00.0筛分后总重（g）9992.19991.7损耗（g）7.98.3损耗率（%）0.080.084.2.5.

50、2 粗集料密度及吸水率试验根据试验规程T03042005，粗集料密度及吸水率试验结果如下。表4.2.5 砂岩碎石粗集料及吸水率试验结果筛孔尺寸（mm）31.526.5191613.29.54.75水中质量mw1389.61089.3855.6840.6701.7703.2779.9表干质量mf2292.21803.11411.51382.81158.51158.11298.1烘干质量ma2239.11763.71380.61348.51127.81126.91263.5表观相对密度a2.636 2.615 2.630 2.655 2.647 2.660 2.613 表干相对密度s2.540 2

51、.526 2.539 2.550 2.536 2.546 2.505 毛体积相对密度b2.481 2.471 2.484 2.487 2.469 2.477 2.438 吸水率x（%）2.37 2.23 2.24 2.54 2.72 2.77 2.74 4.2.5.3 压碎值试验根据试验规程T03162005，压碎值试验结果如下，经判定所取砂岩压碎值合格。表4.2.6 砂岩碎石压碎值试验结果编号123仪器设备试样原重(g)3000300030001000kN电液伺服液压万能试验机压碎筛分后试样重量(g)728.8739.4732.5压碎值24.3%24.6%24.4%平均值24.40%规范值小

52、于30%结果判定合格4.2.5.4 针片状颗粒含量试验根据试验规程T03122005，针片状颗粒含量试验结果如下，经判定所取砂岩针片状颗粒含量合格。表4.2.7 砂岩碎石针片状颗粒含量试验结果（游标卡尺法）编号12试验仪器4.75mm以上试样质量(g)829.3891.7针片状颗粒质量(g)114.9106.9针片状含量13.80%11.90%均值12.85%规范值£20%结果判定合格4.2.5.5 液塑限试验根据试验规程T01182007，液限、塑性指数试验结果如下，经判定所取砂岩液限合格，塑性指数偏大。表4.2.8 砂岩碎石液塑限试验结果（液塑限联合测定法）试样说明石屑中0.5m

53、m颗粒 主要仪器液塑限联合测定仪、恒温干燥箱等试验次数试验项目123入土深度(mm)h10.963.5217.42h20.943.4217.501/2(h+h2)0.953.5017.50含水量(%)盒号123456盒质量（g)24.2723.3423.9824.5924.2722.70盒+湿土质量（g)62.6554.9654.8870.5956.8372.37盒+干土质量（g)51.6564.5656.5859.1956.7562.04水份质量（g)2.353.335.816.188.907.98干土质量（g)39.2027.4632.7229.1527.5234.56含水量（%）10.2

54、09.9215.2915.2521.0420.86平均含水量(%)10.0615.2720.95试验结果液限WL=20.8%塑限Wp=12.9%塑性指数Ip=7.9规范值小于25%潮湿多雨地区小于6结果判定合格偏大4.2.5.6 小结整体来讲，砂岩碎石的各项指标均符合规范要求。值得说明的有：(1) 经过对砂岩碎石的各项物理指标的测定，认识到该砂岩的表观密度、毛体积密度较常规应用的石灰岩偏小0.1g/cm3左右，砂岩吸水率均在2.2%以上，远高于普通石灰岩的吸水率水平。说明砂岩的内部孔隙较多，岩石密实程度和强度都较石灰岩有降低。(2) 重庆年均降雨量达到1000mm以上，为潮湿多雨地区。砂岩的塑性指数偏大，少量的塑性细土就能对集料的承载比产生明显的影响，塑性指数愈大，承载比愈小，或水稳性愈不好。结合规范规定“在潮湿多雨地区，塑性指数与0.5mm以下细土含量的乘积不应大于100”，该砂岩0.5mm以下细土含量与塑性指数乘积为77.4，也满足规范要求。但是应当认识到少量的细土，会降低级配集料的承载能力，而且要降低级配集料的刚性和抗变形能力，使得级配集料在相同荷载作用下产生较大的形变。因此必须严格控制砂岩碎石的颗粒组成，并且不能向其中添加任何塑性土。4.3 砂岩级配碎石垫层级配研究4.3.1 级