CN103342483A - 一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，采用贝雷法提出的动态控制粗细集料划分标准，对粗细集料进行粒径分界，粗集料作为骨架，细集料作为填料；粗集料的设计采取分级嵌挤的方法，以加州承载比和骨架间隙率为设计指标，确定出粗集料比例；粗集料骨架部分设计完成以后，按照粗集料比例下的粗集料骨架空隙计算细集料用量，计算方法参考贝雷法中细集料的计算方法，其中，为了确保充分的填充，细集料的密度选取紧装密度为设计密度。本发明是一种能够满足工程要求、具有可操作性、较为完善的级配碎石设计方法，能够保证级配碎石具有较好的力学性能和耐久性，不仅为级配碎石的应用提供技术支持，而且对相关规范的完善提供参考。

Description

一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法

技术领域

本发明属于路面级配碎石基层技术领域，涉及一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，具体涉及一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法。

背景技术

由于级配碎石中不含有任何胶结料，其强度来源只是碎石颗粒之间的嵌挤和碎石本身的强度。为了提高级配碎石的强度，只能从碎石本身的强度和碎石之间的嵌挤强度入手。对于碎石本身的强度，主要与原材料质量有关。因此，在原材料满足规范要求的基础上，应从第二个方面入手，即提高级配碎石的嵌挤强度，来实现级配碎石强度的提高。

众所周知，级配碎石的嵌挤强度主要是通过石料粗细颗粒之间的分布来实现的，通过调整各档集料之间的比例，确保集料之间充分的嵌挤。即，级配碎石的级配对其强度有主要的影响。根据对级配理论的分析可知，骨架密实型级配具有较大的优势，其混合料中有足够的粗集料以形成骨架，还含有足够的细集料来填充粗集料所形成的骨架间隙，形成密实的结构。

骨架密实结构中，粗集料形成的骨架具有较大的内摩擦角，稳定性好；足够的细集料提高了混合料的密实度，会明显的提高混合料的耐久性。粗集料与细集料共同作用，在形成稳定骨架的同时又保证了密实性，两者形成的稳定结构共同抵御外界荷载的作用。

鉴于骨架密实型级配的优越性，工程应用中级配碎石常采用骨架密实结构，但《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）推荐的级配碎石范围仍然是连续密级配，即形成的结构是悬浮密实结构，且推荐范围较为宽泛。为了保证级配碎石的力学强度和使用性能，需要对骨架密实型级配碎石的级配设计方法进行研究，研究成果不仅为级配碎石的应用提供技术支持，而且对相关规范的完善提供参考。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，该方法可以保证级配碎石具有较好的力学性能，并且满足工程要求，具有可操作性。

为解决上述目的，本发明采用的技术方案：

一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，包括如下步骤：

1）采用贝雷法提出的动态控制粗细集料划分标准，对粗细集料进行粒径分界，定义粗细集料的分界点为0.22倍的公称最大粒径，粗集料作为骨架，细集料作为填料；

2）粗集料的设计采取分级嵌挤的方法，以加州承载比和骨架间隙率为设计指标，将粗集料的第一档料和第二档料分别按照多种比例进行配制，并分别进行加州承载比试验和捣实试验，测骨架间隙率，最后选取加州承载比值最大的和骨架间隙率小的比例作为第一档料和第二档料的比例；

3）将第一档料和第二档料按比例配成一档料，将第三档料与配置好的一档料按照步骤2）的方法进行配制，最终确定出粗集料比例；

4）粗集料骨架部分设计完成以后，按照粗集料比例下的粗集料骨架空隙计算细集料用量，计算方法参考贝雷法中细集料的计算方法，其中，为了确保充分的填充，细集料的密度选取紧装密度为设计密度。

所述步骤1）中第一控制筛孔尺寸为0.22倍的混合料的公称最大粒径，由下式计算：

PCS=NMPS×0.22

式中：PCS为第一控制筛孔尺寸；NMPS为公称最大粒径。

所述步骤2）中当第一档料和第二档料配置的混合料CBR值最大时，第一档料和第二档料配置的混合料的骨架间隙率是最小的，则以CBR为设计指标和骨架间隙率为设计指标；如果当第一档料和第二档料配置的混合料CBR值最大时，第一档料和第二档料配置的混合料的骨架间隙率不是最小的，则以CBR为设计指标，确定第一档料和第二档料的比例，然后对第一档料和第二档料的比例考虑骨架间隙率的因素，对第一档料和第二档料的比例进行微调。

所述公称最大粒径为26.5mm。

本发明具有以下有益效果：

1）本发明在进行骨架结构设计时，采用力学指标—加州承载比（CBR）作为设计指标，对细集料进行填充设计时，采用贝雷计算方法进行设计。这种力学经验法与计算相结合的方法，在骨架结构设计过程中，可以直观的评价出骨架的受力性能。

2）本发明采用加州承载比（CBR）和粗集料的骨架间隙率（VCA）作为级配碎石粗集料的评价指标，两个指标相关性很强，可以起到相互验证的作用。与传统方法相比，该方法更符合实际，更能准确地放映粗集料的力学强度的指标。

3）在进行细集料填充设计时，参考了贝雷法中细集料设计方法，主要是采用计算的方法。为了使骨架填充密实，选择细集料的紧装密度为计算密度。其中，细集料的紧装密度通过试验来确定。计算本身具有科学性和精确性，能准确的计算出骨架结构需要的细集料用量，能有效的保证骨架被密实的填充，从而确保了级配碎石混合料具有良好的路用性能。

本发明采用了贝雷法提出的动态控制粗细集料的划分标准，对粗细集料进行了重新的定义，是根据实际的嵌挤、填充情况，从实际需要的角度出发来划分的，克服了传统的粗细集料划分标准都只是以固定的筛孔作为粗细集料的分界点，并没有考虑到不同公称最大粒径的影响，从而都具有一定的片面性和相对性的问题。

本发明是一种能够满足工程要求、具有可操作性、较为完善的级配碎石设计方法，能够保证级配碎石具有较好的力学性能和耐久性，不仅为级配碎石的应用提供技术支持，而且对相关规范的完善提供参考。

附图说明

图1为一级嵌挤混合料CBR值变化图。

图2为一级嵌挤混合料骨架间隙率变化趋势图。

图3为二级嵌挤后混合料CBR值变化图。

图4为二级嵌挤后混合料骨架间隙率变化图。

图5为嵌挤设计后级配曲线图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

1）首先，根据贝雷法关于粗细集料的划分进行粗细集料分界点的选取。贝雷法提出了划分粗细集料的关键性筛孔―第一控制筛孔，该筛孔尺寸的确定为0.22倍的混合料的公称最大粒径，可用如下公式表述。

PCS=NMPS×0.22

式中：PCS—第一控制筛孔尺寸（Primary Control Sieve）；

NMPS—公称最大粒径（Nominal Maximum Primary Sieve）。

根据贝雷法理论，考虑到我国常用混合料的公称最大粒径，提出常用混合料的粗细集料分界点—第一控制筛孔，具体如表1所示。

表1各公称最大粒径下的粗细集料分界点

2）粗集料的骨架设计：根据上面确定的第一控制筛孔，分别划分粗细集料。根据传统的筛孔划分标准，将粗集料划分为不同的几档，然后将粒径最大的两档集料（即第一档料和第二档料）分别按照多种比例配制在一起，并分别进行加州承载比（CBR）试验和捣实密度试验（测骨架间隙率即VCA）。进行CBR试验的目的是评价骨架承受荷载的能力，故试验时并不要求浸水，只是在成型试件之后就可进行CBR试验。而且，由于所成试件只是含有粗集料，试件中的空隙也比较大，表面也比较松散，为了防止表面松散对试验的影响，本试验采取5.0mm处的CBR值作为本次试验的最终结果。

一般来说，当两档料配置的混合料CBR值最大时，其骨架间隙率也是最小的，如果两个指标出现冲突，应以CBR为主要设计指标，骨架间隙率为次要设计指标。

前两档料（即第一档料和第二档料）比例确定以后，将其按得出的比例配成一档料，并将该档料与粗集料的第三档集料分别按照一定比例配制在一起，并分别进行加州承载比（CBR）试验和捣实密度试验（测骨架间隙率即VCA）。试验时并不要求浸水，采取5.0mm处的CBR值作为本次试验的最终结果。

当第一档料和第二档料配置的混合料CBR值最大时，第一档料和第二档料配置的混合料的骨架间隙率是最小的，则以CBR为设计指标和骨架间隙率为设计指标；如果当第一档料和第二档料配置的混合料CBR值最大时，第一档料和第二档料配置的混合料的骨架间隙率不是最小的，则以CBR为设计指标，确定第一档料和第二档料的比例，然后对第一档料和第二档料的比例考虑骨架间隙率的因素，对第一档料和第二档料的比例进行微调。

如果粗集料还有第四档甚至更多档，就按照上述方法进行配比，最终确定出粗集料最佳比例。

3）细集料的填充设计：本发明关于细集料的设计思路参考了贝雷法中细集料设计方法，主要是采用计算的方法。各档粗集料的比例确定以后，可按照比例进行混合，再通过捣实试验确定出整个粗集料的骨架间隙率，并将此骨架空隙的体积视为应填充的体积。为了使骨架填充密实，选择细集料的紧装密度为计算密度。其中，细集料的紧装密度通过试验来确定。通过粗集料的骨架间隙的体积和细集料的计算密度，可以计算出细集料的质量，由于粗集料的比例都是质量比，因此通过粗细集料的质量比，就可以确定出各档集料的比例，至此完成粗细集料的组成设计。

粗细集料的比例都分别确定好以后，按此比例通过重型击实成型试件，进行加州承载比试验，以评价混合料的整体性能，使之满足规范值。

下面结合实施例，对本发明进一步详细说明。

本实施实例中采用的级配碎石的公称最大粒径为26.5mm，根据贝雷法的粗细集料的划分标准，粗细集料的分界点为4.75mm筛孔。工程用料主要分为四档，具体粒径为：0～4.75mm、4.75mm～9.5mm、9.5mm～19mm和19mm～26.5mm。

由上述各档料的粒径可以看出，粗集料有三档，细集料只有一档。由于粗集料有三档，故其骨架设计过程中需进行两次骨架嵌挤设计，也可称两级骨架嵌挤设计，分别为9.5mm～19mm和19mm～26.5mm骨架嵌挤设计、4.75mm～9.5mm和9.5mm～26.5mm骨架嵌挤设计。

1）Ⅰ级骨架嵌挤设计

将9.5mm～19mm和19mm～26.5mm两档集料分别按照一定比例配置在一起，并分别进行CBR试验和捣实密度试验（测VCA）。在骨架结构设计中，粗集料的作用是显而易见的，参考国内外许多成熟的经验，最大一档料的比例一定多于次级料的比例，因此，初定前两档集料的比例定为：5:5、6:4、7:3、8:2、9:1。

在骨架间隙率的计算过程中，计算密度的选取是至关重要的。为了使骨架能够较紧密的排列，本次试验选择捣实密度作为骨架间隙率的计算密度。在捣实试验前，先分别进行各档粗集料的毛体积密度试验，按照试验结果分别计算出在相应比例下的混合料的毛体积密度，供骨架间隙率计算使用。国内外相关研究表明，贝雷法设计的细集料偏少，故在进行捣实试验时，并没有选择规范要求的每层插捣25次，而是减少为每层15次，以增加混合料的间隙。

对成型好的试件进行分别进行CBR试验和捣实试验，具体数据及处理结果分别见表2、图1和表3、图2。

表2一级嵌挤混合料的CBR值

表3一级嵌挤后混合料的体积指标

兼顾以上两个指标，CBR值在各比例中并没有出现明显的峰值，但在6:4和7:3处明显比其他比例时测得值大，故最佳的比例应该在两个比例之间；对于骨架间隙率指标，虽然在7:3处出现了最低值，但是跟附近的两个比例也相差较小，故对于骨架间隙率指标，最佳比例在6:4到8:2之间都是合适的。考虑以上两个指标的范围，取最佳范围为6:4和7:3间。由于粗集料粒径较大，单个石料对比例的确定影响也较大，因此，这里取这个范围的中间值（65:35）再进行试验。

按照65:35的比例分别进行CBR试验和捣实试验，其2.5mm处CBR值为38.77%，5.0mm处CBR值达到了56.41%，较6:4和7:3都有较大的提高，提高幅度达到35%左右。该比例下的骨架间隙率也有了提高，但幅度不大，为37.63%。综合以上两个指标，65:35这个比例下的性能都较好，因此确定9.5mm～19mm和19mm～26.5mm两档料的比例为65:35。

2）Ⅱ级骨架嵌挤设计

前两档集料的比例确定以后，按照65:35的比例将两档混合料配成一档混合料，将这档集料和4.75mm～9.5mm的集料按照上述方法进行设计。参考已有研究资料，定两档料的比例为90:10、92:8、94:6和96:4。按照Ⅰ级骨架嵌挤设计的方法，将上述比例分别进行CBR试验和捣实密度试验。经过上述试验，具体试验数据和结果如表4和图3。

表4二级嵌挤后混合料CBR值

关于体积指标，具体测试数据见表5和图4。

表5二级嵌挤后体积指标

由实验结果可知，在92:8的比例下，二级嵌挤后的混合料的骨架间隙率最小，较其他几个比例小1～2个百分点，达到了最密实的程度。同时，其CBR值也比其他比例下提高了很多，这两个指标都表现出了最佳的性能。因此，确定9.5mm～26.5mm和4.75mm～9.5mm两档料的比例为92:8。至此，完成了所有粗集料的级配设计。

3）细集料的填充设计

①Ⅱ级骨架的填充

首先按照粗集料比例进行配料，之后将配置好的集料进行捣实试验，测出该比例条件下的捣实密度，进而算出其骨架间隙率。由试验数据可知，二级嵌挤后的捣实密度为1.640g/cm³，计算出的毛体积密度为2.606g/cm³，故骨架间隙率为37.06%。

其次进行细集料紧装密度试验。取一份细集料，分两层放入容量筒，在筒底放一根10mm的钢筋，将筒按住，左右交替颠击地面25下，然后再装入第二层，第二层用相同方法颠实，但第二次钢筋的方向应该与第一次垂直。最后称量，计算紧装密度。本试验所用细集料的紧装密度为1.776g/cm³。

Ⅰ级骨架、Ⅱ级骨架分别按照65:35、92:8比例填充后的各档比例的具体计算过程如下：

19mm～26.5mm档料所占比例：1.640×0.92×0.65=0.981

9.5mm～19mm档料所占比例：1.640×0.92×0.35=0.528

4.75mm～9.5mm档料所占比例：1.640×0.08=0.131

由试验结果可知，粗集料的骨架间隙率为37.06%，假设上述空隙都由细集料填充，那么单位体积内需要的细集料质量为1.776×0.3706=0.659（g/cm³），则单位体积内需要的粗细集料总量为0.981+0.528+0.131+0.659=2.299（g/cm³），那么粗细集料的组成为：

19mm～26.5mm档料所占比例：0.981／2.299×100%=42.6%

9.5mm～19mm档料所占比例：0.528／2.299×100%=23.0%

4.75mm～9.5mm档料所占比例：0.131／2.299×100%=5.7%

0～4.75mm档料所占比例：0.659／2.299×100%=28.7%

②Ⅰ级骨架的填充

进行完二级嵌挤的填充之后，发现四档集料的比例分布较不均衡。其中最大档用量最多，第二档和最后一档比例相差不多，第三档用量只有5.7%。第三档用量如此少，部分施工设备较难控制的如此精确，为此，本方法设计了间断第三档集料的骨架密实结构。此外，参考《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）关于骨架密实型级配碎石级配范围的要求，不难发现，规范中建议4.75mm～9.5mm也较少使用，因为此档集料对混合料的骨架影响较大。

由试验结果可知，一级嵌挤后，骨架的捣实密度为1.627g/cm³，骨架间隙率为37.63%。由于细集料的紧装密度为1.776g/cm³，故各档比例计算过程如下：

19mm～26.5mm档料所占比例：1.627×0.65=1.058

9.5mm～19mm档料所占比例：1.627×0.35=0.569

由试验结果可知，粗集料的骨架间隙率为37.63%，假设上述空隙都由细集料填充，那么需要的细集料质量为1.776×0.3763=0.668（g/cm³），则单位体积内需要的粗细集料总量为1.058+0.569+0.668=2.295（g/cm³），那么粗细集料的组成

为：

19mm～26.5mm档料所占比例：1.058／2.295×100%=46.1%

9.5mm～19mm档料所占比例：0.569／2.295×100%=24.8%

0～4.75mm档料所占比例：0.668／2.295×100%=29.1%

4）级配的确定

本发明设计的合成级配与规范推荐的级配范围见表6及图5所示。

表6一级、二级嵌挤级配表

由于现行规范要求级配碎石的CBR不小于100%，故以本发明确定的合成级配，按照规范的要求分别成型CBR试件，饱水4天，分别进行试验，试验结果如表7所示。

表7不同级配的级配碎石CBR试验结果

试验结果表明，两种嵌挤结构设计的混合料都满足规范要求，其中二级嵌挤结构的力学性能更好，较一级嵌挤结构CBR值提高达23.6%。

Claims (4)

1.一种针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采用贝雷法提出的动态控制粗细集料划分标准，对粗细集料进行粒径分界，定义粗细集料的分界点为0.22倍的公称最大粒径，粗集料作为骨架，细集料作为填料；

2）粗集料的设计采取分级嵌挤的方法，以加州承载比和骨架间隙率为设计指标，将粗集料的第一档料和第二档料分别按照多种比例进行配制，并分别进行加州承载比试验和捣实试验，测骨架间隙率，最后选取加州承载比值最大的和骨架间隙率小的比例作为第一档料和第二档料的比例；

3）将第一档料和第二档料按比例配成一档料，将第三档料与配置好的一档料按照步骤2）的方法进行配制，确定出粗集料比例；

4）粗集料骨架部分设计完成以后，按照粗集料比例下的粗集料骨架空隙计算细集料用量，计算方法参考贝雷法中细集料的计算方法，其中，为了确保充分的填充，细集料的密度选取紧装密度为设计密度。

2.根据权利要求1所述的针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，其特征在于，所述步骤1）中第一控制筛孔尺寸为0.22倍的混合料的公称最大粒径，由下式计算：

PCS=NMPS×0.22

式中：PCS为第一控制筛孔尺寸；NMPS为公称最大粒径。

3.根据权利要求1所述的针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，其特征在于，所述步骤2）中当第一档料和第二档料配置的混合料CBR值最大时，第一档料和第二档料配置的混合料的骨架间隙率是最小的，则以CBR为设计指标和骨架间隙率为设计指标；如果当第一档料和第二档料配置的混合料CBR值最大时，第一档料和第二档料配置的混合料的骨架间隙率不是最小的，则以CBR为设计指标，确定第一档料和第二档料的比例，然后对第一档料和第二档料的比例考虑骨架间隙率的因素，对第一档料和第二档料的比例进行微调。

4.根据权利要求1所述的针对级配碎石基层的骨架密实结构级配设计方法，其特征在于，所述公称最大粒径为26.5mm。

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