第十章碎、砾石路面 §10-1碎、砾石路面的力学特性 碎、砾石路面的强度构成 碎、砾石路面通常是指水结碎石路面、泥结碎石路面以及密级配的碎(砾)石路面等 数种,这类路面通常只能适应中低等交通量的公路 碎、砾石路面结构强度形成的特点是:矿料颗粒之间的联结强度,一般都要比矿料颗粒 本身的强度小得多;在外力作用下,材料首先将在颗粒之间产生滑动和位移,使其失去承载 能力而遭致破坏。因此,对于这种松散材料组成的路面结构强度,其中矿料颗粒本身强度固 然重要,但是起决定作用的则是颗粒之间的联结强度。凡在强度特性上具有上述特点的材料, 均属于松散介质的范畴。对于松散介质范畴的材料,其抗剪强度可用库仑公式表示。因此, 由材料的粘结力和内摩阻角所表征的内摩擦力所决定的颗粒之间的联结强度,即构成了路面 材料的结构强度。下面就各类碎砾石材料的抗剪特性和影响因素分述如下 (一)纯碎石材料 纯碎石材料是按嵌挤原则产生强度,它的抗剪强度主要决定于剪切面上的法向应力和材 料内摩阻角。由下列三项因素构成: (1)粒料表面的相互滑动摩擦; (2)因剪切时体积膨胀而需克服的阻力 (3)因粒料重新排列而受到的阻力 单一粒料在另一有粗糙面但表面平整的粒料上滑动,其摩阻角大多在30°以下;许多粒 料相互紧密接触,沿某一剪切面相互变位时,因体积膨胀和粒料重新排列而多消耗的功,可 使摩阻角增至40~50°。 纯碎石粒料摩阻角的大小主要取决于石料的强度、形状、尺寸、均匀性、表面粗糙度以 及施工时的压实程度。当石料强度高、形状接近正立方体、有棱角、尺寸均匀、表面粗糙、 压实度高,则内摩阻力就大 (二)土一碎(砾)石混合料 这类材料含土少时,也是按嵌挤原则形成强度:当含土量较多时,则按密实原则形成强 度。土一碎(砾)石混合料的强度和稳定性取决于内摩阻力和粘结力的大小。为得到最大强 度和稳定性而设计的颗粒材料,应具有高内摩阻力来抵抗荷载作用下的变形。内摩阻力和由 此而产生的抗剪力在很大程度上取决于密实度、颗粒形状和颗粒大小的分配。在这些因素中 以集料大小的分配,特别是粗细成分比例为最重要。图10-1表示土一碎(砾)石混合料的 三种物理状态
299 第十章 碎、砾石路面 §10-1 碎、砾石路面的力学特性 一、碎、砾石路面的强度构成 碎、砾石路面通常是指水结碎石路面、泥结碎石路面以及密级配的碎（砾）石路面等 数种，这类路面通常只能适应中低等交通量的公路。 碎、砾石路面结构强度形成的特点是：矿料颗粒之间的联结强度，一般都要比矿料颗粒 本身的强度小得多；在外力作用下，材料首先将在颗粒之间产生滑动和位移，使其失去承载 能力而遭致破坏。因此，对于这种松散材料组成的路面结构强度，其中矿料颗粒本身强度固 然重要，但是起决定作用的则是颗粒之间的联结强度。凡在强度特性上具有上述特点的材料， 均属于松散介质的范畴。对于松散介质范畴的材料，其抗剪强度可用库仑公式表示。因此， 由材料的粘结力和内摩阻角所表征的内摩擦力所决定的颗粒之间的联结强度，即构成了路面 材料的结构强度。下面就各类碎砾石材料的抗剪特性和影响因素分述如下： （一）纯碎石材料 纯碎石材料是按嵌挤原则产生强度，它的抗剪强度主要决定于剪切面上的法向应力和材 料内摩阻角。由下列三项因素构成： （1）粒料表面的相互滑动摩擦； （2）因剪切时体积膨胀而需克服的阻力； （3）因粒料重新排列而受到的阻力。 单一粒料在另一有粗糙面但表面平整的粒料上滑动，其摩阻角大多在 30以下；许多粒 料相互紧密接触，沿某一剪切面相互变位时，因体积膨胀和粒料重新排列而多消耗的功，可 使摩阻角增至 40～50。 纯碎石粒料摩阻角的大小主要取决于石料的强度、形状、尺寸、均匀性、表面粗糙度以 及施工时的压实程度。当石料强度高、形状接近正立方体、有棱角、尺寸均匀、表面粗糙、 压实度高，则内摩阻力就大。 （二）土－碎（砾）石混合料 这类材料含土少时，也是按嵌挤原则形成强度；当含土量较多时，则按密实原则形成强 度。土－碎（砾）石混合料的强度和稳定性取决于内摩阻力和粘结力的大小。为得到最大强 度和稳定性而设计的颗粒材料，应具有高内摩阻力来抵抗荷载作用下的变形。内摩阻力和由 此而产生的抗剪力在很大程度上取决于密实度、颗粒形状和颗粒大小的分配。在这些因素中， 以集料大小的分配，特别是粗细成分比例为最重要。图 10—1 表示土－碎（砾）石混合料的 三种物理状态
留 图10-1土一碎(砾)石混合料三种物理状态 第一种(图10-1a),不含或含很少细料(指0.074mm以下的颗粒)的混合料,它的 强度和稳定性依靠颗粒之间摩阻力获得。这类的混合料其密实度较低,但透水性好,不易冰 冻。由于这种材料没有粘结性,施工时压实困难 第二种(图10—1b),含有足够的细料来填充颗粒间的空隙的混合料,它仍然能够从 颗粒接触而获得强度,其抗剪强度、密实度有所提高,透水性低,施工时较第一种情况易压 第三种(图10-lc),含有大量细料而没有粗颗粒与粗颗粒的接触,集料仅仅是“浮” 在细料之中。这类混合料施工时易压实,但其密实度较低,易冰冻,难于透水,强度和稳定 性受含水量影响很大。 图10-2表示不同细料含量时土一砾石混合料的密实度和CBR的试验结果,图中CBR 值为试件浸湿后的测定结果。由图可知,随压实功能增加,密实度和CBR值均增加,而且 都存在一个相应的最佳细料含量。最大密实度时的最佳细料含量为8~10%,而最大CBR 值时的最佳细料含量为6~8%;前者的细料含量的状况可代表图10—1b状态,而最大值左 右两侧的曲线部分则代表图10-1a)和c)两种状态。 图10一3示用土一碎石混合料的试验结果。由图可见,细料成分对碎石集料CBR的影 响一般比对砾石的影响小。对于同一粒径分配,由有棱角颗粒组成混合料的CBR值通常也 比圆滑颗粒混合料的CBR值稍大一些。 图10-4是几种粒状材料用 AASHO标准压实法成型后测得的CBR值和干密度的试验 结果。密实度和CBR值都是随集料尺寸增大而增大,但最佳细料含量则降低。此外,细料 含量小于最大密实度时的含量,其CBR值最大,因而其强度和稳定性也最大。 细料(<0074mm)含量(%) 图10—2土一砾石混合料密实度和CBR随细料含量而变化
300 a ） b） c） 图 10—1 土－碎（砾）石混合料三种物理状态 第一种（图 10—1a），不含或含很少细料（指 0.074mm 以下的颗粒）的混合料，它的 强度和稳定性依靠颗粒之间摩阻力获得。这类的混合料其密实度较低，但透水性好，不易冰 冻。由于这种材料没有粘结性，施工时压实困难。 第二种（图 10—1b），含有足够的细料来填充颗粒间的空隙的混合料，它仍然能够从 颗粒接触而获得强度，其抗剪强度、密实度有所提高，透水性低，施工时较第一种情况易压 实。 第三种（图 10—1c） ，含有大量细料而没有粗颗粒与粗颗粒的接触，集料仅仅是“浮” 在细料之中。这类混合料施工时易压实，但其密实度较低，易冰冻，难于透水，强度和稳定 性受含水量影响很大。 图 10—2 表示不同细料含量时土－砾石混合料的密实度和 CBR 的试验结果，图中 CBR 值为试件浸湿后的测定结果。由图可知，随压实功能增加，密实度和 CBR 值均增加，而且 都存在一个相应的最佳细料含量。最大密实度时的最佳细料含量为 8～10%，而最大 CBR 值时的最佳细料含量为 6～8%；前者的细料含量的状况可代表图 10—1b 状态，而最大值左 右两侧的曲线部分则代表图 10—1a）和 c） 两种状态。 图 10—3 示用土－碎石混合料的试验结果。由图可见，细料成分对碎石集料 CBR 的影 响一般比对砾石的影响小。对于同一粒径分配，由有棱角颗粒组成混合料的 CBR 值通常也 比圆滑颗粒混合料的 CBR 值稍大一些。 图 10—4 是几种粒状材料用 AASHO 标准压实法成型后测得的 CBR 值和干密度的试验 结果。密实度和 CBR 值都是随集料尺寸增大而增大，但最佳细料含量则降低。此外，细料 含量小于最大密实度时的含量，其 CBR 值最大，因而其强度和稳定性也最大。 细料（＜0.074mm)含量（％） 图 10—2 土－砾石混合料密实度和 CBR 随细料含量而变化
细料(<0.074mm)含量(%) 图10-3土一碎石混合料密实度和CBR随细料含量的变化 细料(<0.074mm)含量(%) 图10-4混合料密实度和CBR随细料和最大粒径的变化 (按 AASHO标准密实度为100%的试验) 细料(<0.42mm)含量(%) 图10-5塑性指数对砾石(最大粒径2.54cm)三轴强度的影响 由上述分析可知,只有在已知粒径分配的情况下,密实度才可以作为衡量强度和稳定性 的依据。细料含量偏多的混合料强度和稳定性大大低于细料含量偏低的原因,是由于如图 (10-1c)的情况,强度和稳定性受结合料的影响很大,而在图(10-1a)的情况下,强
301 细料（＜0.074mm)含量（％） 图 10—3 土－碎石混合料密实度和 CBR 随细料含量的变化 细料（＜0.074mm)含量（％） 图 10—4 混合料密实度和 CBR 随细料和最大粒径的变化 （按 AASHO 标准密实度为 100%的试验） 细料（＜0.42mm)含量（％） 图 10—5 塑性指数对砾石（最大粒径 2.54cm）三轴强度的影响 由上述分析可知，只有在已知粒径分配的情况下，密实度才可以作为衡量强度和稳定性 的依据。细料含量偏多的混合料强度和稳定性大大低于细料含量偏低的原因，是由于如图 （10—1c）的情况，强度和稳定性受结合料的影响很大，而在图（10—1 a）的情况下，强
度和稳定性受结合料的影响很小,大部分取决于大颗粒之间的接触。 室内试验和工地实践都表明,集料为碎石时,由于颗粒嵌挤作用的增强,其强度和稳定 性较圆滑砾石集料为好,渗透系数亦高,更易排水。此外,细粒土的物理性质对混合料的强 度和稳定性也有很大影响,特别是集料颗粒间的接触破坏时影响更大。图10-5示细料的塑 性指数对砾石混合料三轴强度的影响。由图可知,当小于0.42mm的细粒土少时,其塑性指 数对强度的影响很小;而当细粒土的含量增加时,其塑性指数的影响便越来越大。因此,对 于细料含量多的混合料,必须限制细料的塑性指数。 碎、砾石材料的应力一应变特性 碎、砾石材料的显著特点之一是应力一应变的非线性性质,回弹模量在很大程度上受竖 向和侧向应力大小的影响。图10-6表示三轴试验中,轴向应变E1同偏应力G(=1-σ3) 与侧向应力σ3的关系。由图可看出,同一侧向应力σ3作用下回弹模量Er随偏应力增大而逐 渐减小:不论轴向应变多大,当侧向应力增大时,回弹模量值也增大。根据试验研究结果, 回弹模量E值可用下式表示: Er=K,02(Mpa) (10-1) 式中K1、k2一与材料有关的试验参数 0—一主应力之和,即θ=c1+23 E=斜串 0205010020050010002000 轴向应变 0=G,+6,P) 图10—6碎、砾石材料应力一应变 图10—7干的轧制集料回弹模量随主应力和的变化 图10—7表示某一轧制集料的回弹模量值同主应力和的关系。试验还表明,应力重复次 数、荷载作用时间及频率对回弹模量的影响甚小。 颗粒材料的模量决定于材料的级配、形状、表面构造、密实度和含水量等。一般密实度 愈高,模量值愈大:棱角多,表面粗糙者有较高模量:当细料含量不多时,含水量仅有甚小 影响 、碎、砾石材料的形变积累 良好级配砾石在保证良好排水条件下塑性形变的发展如图10-8所示。由图可见,当应 力作用次数达到104次时,形变已基本上不发展;但当应力较大,超过材料的耐久疲劳应力, 则到一定次数后,形变随应力作用次数而迅速发展,最终导致破坏。级配组成差的粒料,即 302
302 度和稳定性受结合料的影响很小，大部分取决于大颗粒之间的接触。 室内试验和工地实践都表明，集料为碎石时，由于颗粒嵌挤作用的增强，其强度和稳定 性较圆滑砾石集料为好，渗透系数亦高，更易排水。此外，细粒土的物理性质对混合料的强 度和稳定性也有很大影响，特别是集料颗粒间的接触破坏时影响更大。图 10—5 示细料的塑 性指数对砾石混合料三轴强度的影响。由图可知，当小于 0.42mm 的细粒土少时，其塑性指 数对强度的影响很小；而当细粒土的含量增加时，其塑性指数的影响便越来越大。因此，对 于细料含量多的混合料，必须限制细料的塑性指数。 二、碎、砾石材料的应力－应变特性 碎、砾石材料的显著特点之一是应力－应变的非线性性质，回弹模量在很大程度上受竖 向和侧向应力大小的影响。图 10—6 表示三轴试验中，轴向应变1 同偏应力d（=1 － 3 ） 与侧向应力3 的关系。由图可看出，同一侧向应力3 作用下回弹模量 Er随偏应力增大而逐 渐减小；不论轴向应变多大，当侧向应力增大时，回弹模量值也增大。根据试验研究结果， 回弹模量 Er值可用下式表示： Er＝K1 K2 （Mpa） （10—1） 式中 K1、k2——与材料有关的试验参数； ——主应力之和，即＝1+23。 图 10—6 碎、砾石材料应力－应变 图 10—7 干的轧制集料回弹模量随主应力和的变化 图 10—7 表示某一轧制集料的回弹模量值同主应力和的关系。试验还表明，应力重复次 数、荷载作用时间及频率对回弹模量的影响甚小。 颗粒材料的模量决定于材料的级配、形状、表面构造、密实度和含水量等。一般密实度 愈高，模量值愈大；棱角多，表面粗糙者有较高模量；当细料含量不多时，含水量仅有甚小 影响。 三、碎、砾石材料的形变积累 良好级配砾石在保证良好排水条件下塑性形变的发展如图 10—8 所示。由图可见，当应 力作用次数达到 104 次时，形变已基本上不发展；但当应力较大，超过材料的耐久疲劳应力， 则到一定次数后，形变随应力作用次数而迅速发展，最终导致破坏。级配组成差的粒料，即
使应力作用了很多次,仍继续有塑性形变的增长,但欲获得低的塑性形变,级配料中的细料 含量必须少于获得最大密实度的含量。 应力作用次数 图10—8砾质材料在良好排水条件下塑性形变的发展 §10-2碎石路面与基层 碎石路面是用加工轧制的碎石按嵌挤原理铺压而成的路面。碎石路面按施工方法及所 用填充结合料的不同,分为水结碎石、泥结碎石、级配碎石和干压碎石等数种。碎石路面通 常用砂、砾石、天然砂石、或块石为基层,有时亦可直接铺在路基上。碎石路面的优点是投 资不高,可以随交通量的增加分期改善:缺点是平整度差,易扬尘,泥结碎石路面雨天还易 泥泞 碎石路面的强度主要依靠石料的嵌挤作用以及填充结合料的粘结作用。嵌挤力的大小主 要取决于石料的内摩阻角。粘结作用(用材料的粘结力表示)的大小主要取决于填充结合料 本身的内聚力及其与矿料之间的粘附力大小。 碎石颗粒尺寸大致为0~75mm,通常按其尺寸大小划分为六类,如表10-1所示 各种碎石尺寸与分类 石名称 粒径范围mm) 粗碎石 中碎石 50~35 骨料 细碎石 嵌缝料 封面料 水结碎石路面 水结碎石路面是用大小不同的轧制碎石从大到小分层铺筑,经洒水碾压后而成的一种结 构层。其强度是由碎石之间的嵌挤作用以及碾压时所产生的石粉与水形成的石粉浆的粘结作 用而形成的。由于石灰岩或白云岩石粉的粘结力较强,是水结碎石的常选石料。水结碎石路 面厚度一般为10-16cm
303 使应力作用了很多次，仍继续有塑性形变的增长，但欲获得低的塑性形变，级配料中的细料 含量必须少于获得最大密实度的含量。 图 10—8 砾质材料在良好排水条件下塑性形变的发展 §10-2 碎石路面与基层 碎石路面是用加工轧制的碎石按嵌挤原理铺压而成的路面。碎石路面按施工方法及所 用填充结合料的不同，分为水结碎石、泥结碎石、级配碎石和干压碎石等数种。碎石路面通 常用砂、砾石、天然砂石、或块石为基层，有时亦可直接铺在路基上。碎石路面的优点是投 资不高，可以随交通量的增加分期改善；缺点是平整度差，易扬尘，泥结碎石路面雨天还易 泥泞。 碎石路面的强度主要依靠石料的嵌挤作用以及填充结合料的粘结作用。嵌挤力的大小主 要取决于石料的内摩阻角。粘结作用（用材料的粘结力表示）的大小主要取决于填充结合料 本身的内聚力及其与矿料之间的粘附力大小。 碎石颗粒尺寸大致为 0～75mm，通常按其尺寸大小划分为六类，如表 10—1 所示。 各种碎石尺寸与分类 表 10—1 编号 碎石名称 粒径范围(mm) 用途 1 2 3 粗碎石 中碎石 细碎石 75～50 50～35 35～25 骨料 4 5 石渣 石屑 25～15 15～5 嵌缝料 6 米石 0～5 封面料 一、水结碎石路面 水结碎石路面是用大小不同的轧制碎石从大到小分层铺筑，经洒水碾压后而成的一种结 构层。其强度是由碎石之间的嵌挤作用以及碾压时所产生的石粉与水形成的石粉浆的粘结作 用而形成的。由于石灰岩或白云岩石粉的粘结力较强，是水结碎石的常选石料。水结碎石路 面厚度一般为 10—16cm