路面机械与施工技术
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沥青路面级配碎石基层材料及路面结构的分析
牟燕波!!赵
昕"!吴
梁#
贵州#贵阳#.3,4((；#)陕西黄延高速公路有限责任公司，陕西#西安#4!((.,；$!!贵州赤水河航道处，
重庆#,(((4,%&)重庆交通大学土木建筑学院，
摘要!从级配碎石基层的研究现状出发，讨论了级配碎石在级配良好并得到充分压实的情况下，利用
嵌挤作用能否使其具有良好的承载能力、排水性能的问题。并且深入分析了级配碎石基层的力学特性
和材料组成设计，对级配碎石广泛应用于路面基层具有一定的指导意义。关键词!沥青路面；级配碎石基层；组成设计；力学特性
中图分类号!5,!3)#!,
文献标识码!6
文章编号!!((("(&&7$#((3%!("((!."(&
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"引言
在中国高等级公路中由于“半刚性基层路面”具有较高的强度和承载能力，被广泛地用于中国的高速公路中。但在实际使用过程中，也暴露出一些严重问题，如路面裂缝严重，路面结构排水条件差。采用优质级配碎石基层不仅能对反射裂缝的产生具有抑制作用，
［!"#］
同时对改善其水温状况具有明显的作用。现就以下几个方面谈一下级配碎石的研究现状。
德国艾森曼教授认为%动力’$!!#-#!.%!/#$!/#指平板加载试验所得的模量%。
英国偌丁翰大学佩尔教授取!’#.(("路基模量即认为粒状材料的模量仅与路基模量有关。$012*#%，
比利时采用共振法对,(种不同的粒状材料$石料、砾石、砂、烧过的页岩%进行动态模量的测定，最后得出下列关系式
（!2!(）!’&%(式中：——标准压力，等于!((012*#；!(—
——!’!(时的模量；%(—
——指数，对于砂，对于石料&’(!!-&—&’(!#-(!.；
它可近似地表示为&’!("#(，(是空隙(!&，
率，!。
澳大利亚沥青路面设计认为，未处治粒料$包括碎石和砾石%的模量不仅与材料本身的特性有关，而且还与应力水平及下卧层刚度有关。因此，竖向荷载下，粒
!
!!!
级配碎石基层的力学特性研究分析
国外规定的级配碎石模量范围
在国外，对粒料材料的研究就不如对路基那样广泛，当然其确定方法也不尽相同。意大利和壳牌设计
法认为无结合料基层的模量$!#%取决于它的厚度"#和其下路基的模量$!&%式中：$#’()#
!#’##!&
，"#以**计，#+"#+,。
１５
路面机械与施工技术
12?02@AB>=CDEFG>H?CI@?BG>J=@A>GKGLD
不同粒径的碎石按级配组成拌和均匀并振动成型料层模量随深度而降低，并受到土基刚度的影响，其设
后，粗细集料在压密、嵌挤和填充作用下形成密实的级计采用了弹性层状体系模型，根据下列步骤将粒料层
配碎石混合料。混合料中部分较大的碎石紧密接触形细分为几层，并且各层有相应模量值。!"#如果粒料层直接置于刚度较大的无机结合料
稳定土之上无需分层分析。
应分层分析，!$#如果粒料层直接置于土基之上，
步骤如下：
"#将粒料层沿深度划分为%等厚度的分层。
$#最上面粒料分层的竖向模量可利用以下公式计算或查相应的手册，取$者之间的小值
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(#相邻粒料分层的模量比为
$)&!"上分层’!"土基#"’%
可根据上式计算其上面一层的*+土基模量已知，
模量，以此类推，计算出每个分层的模量。美国沥青协
会!,-+沥青路面设计方法认为粒料材料的模量是与应力水平相关，应力对回弹模量的影响为
!#%"!%$式中：——第一应力不变量；!—
——实验得到的系数，系数%"选用的范围%"、%$—
为%"$./$"/012。!!#
中国对级配碎石回弹模量的研究
成骨架，空隙被细集料填充；部分较大粒径的碎石被细集料包围，处于悬浮状态。如图"所示，当试件在一定的围压作用下沿,9,面上下错动剪切时，阻止产生剪切面上的"、$等较大粒径的颗粒在周围集料的骨架嵌挤和紧密填充约束下，阻止产生剪切移动的阻力&"；另一部分是处于剪切面上的较小粒径颗粒(组成的混合料在围压作用下，相互挤密形成阻止试件滑动的摩阻力在’值!泰勒指数+相同的情况&$。对于连续级配而言，
下，最大粒径(:2;越大，混合料中较大粒径的粗颗粒含量越多，嵌挤骨架作用越明显，有利于提高阻力&"；但随较小粒径颗粒含量的减少，骨架空隙的填充程度逐渐降低，对阻力&"会起到负面影响。
中国的一些道路工程专家根据调查研究发现级配
碎石属嵌挤密实型结构，其强度主要来自于集料良好级配提供的骨料嵌锁力作用。回弹模量具有依赖应力状态而变的非线形，通过室内试验和理论分析$方面深
［(］入研究，得到了以下结论。
图!级配碎石剪切强度原理
因此，分析得出级配碎石基层抗剪能力具有明显的尺寸效应，与最大粒径和’值密切相关。
&"#级配碎石柔性基层弹性模量依赖受力状态而变，具有明显的非线性，其表现形式为!#%"!%$式中：——第一应力不变量!#""3$"(4012；!—
——回归系数。%"、%$—
对于石灰岩、玄武&$#通过室内重复动三轴试验，岩级配碎石找出了动模量回归系数%"动、%$动和静模量
回归系数%"静、%$静之间的回归关系
（$$)8#78）%"动)$#5(%%"静367/8$$
%$动)8#/*5%$静98#88%%$$（$$$$)8#7$）
$级配碎石材料组成设计
级配碎石材料的强度、模量较各种有机、无机结合
料稳定的基层差，因此对级配碎石基层的研究和应用，
需要特别注意它的适用性。通常在级配碎石基层上的沥青层必须有足够的厚度，同时致力于提高级配碎石的强度和稳定性，以降低行车作用下的变形和永久变形。国内外成功经验表明，严格材料技术要求，选择合理的级配以及严格施工工艺控制是提高级配碎石强度和稳定性的关键。$!!
材料技术性能要求
#级配碎石剪切强度原理
级配碎石是一种散体材料，凭借其应力应变非线形特性、良好的排水性能等优点被广泛应用于路面结构；但作为柔性结构层，主要缺陷在于易产生较大的塑性变形，这种塑性变形的本质是粒料之间的剪切变形。
１６
原材料的技术性能对级配碎石强度、稳定性能影
响较大。国外通常采用塑性指数对材料质量进行限制。凡是塑性指数超过规定值的路段，沥青路面明显降低抗塑性变形能力而产生车辙，发生结构性破坏。同时
路面机械与施工技术
B-C9)9DE;-F7GD9
取低值；在干旱地区，则重点考虑提高结构强度，塑性指数较高的细料，遇水易膨胀，影响材料的透水性3!3("
和水稳定性，有较高的冰冻敏感性。许多国家对于级))的通过率可取高值。
塑性指数不大于#!，配碎石基层要求液限不大于!"!，!"""!!颗粒粒径小于)"%&’’的含量和!颗粒粒径小于""!*甚至无塑性要求。#!$
级配碎石配合比设计
级配是影响级配碎石强度与刚度最重要的因素之一。一般说来，密实的级配易于获得高密度，从而使级配碎石获得高的$%&值、回弹模量及抗永久变形能力。通常能获得最密实集料，并使之具有较好透水性的级配，即是最佳级配。一些研究成果表明，影响集料级配的主要因素为公称最大粒径、’!("))、!!*+))和
,!,("))的通过率。!"""#
最大粒径!)-.
’’的含量
’!("))以下颗粒含量与干密度、$%&值、三轴抗剪切强度之间的关系是驼峰关系。如图*所示，随着
干密度逐渐增加，再继续增’!("))颗粒含量的增加，
加超过顶峰后则反而下降。一些实验表明，’!("))的
筛孔通过率在*(!5’"!，1!*+))的筛孔通过率在1"!"(5*("3!时!各指标达到最大值。
最大粒径!)-.对密度及强度也有很大的影响，最大
粒径大，集料中起骨架作用的粗集料相对较多，如上面分析对抗剪切能力有很大的帮助。但是，!)-.太大易导致集料离析和不均匀，从而影响其强度和刚度。一些实验研究表明级配碎石的最大粒径宜为*/!"))0图12。
图#
碎石粒径%!(&’’和$!#)’’
基于以上原因，级配碎石在级配设计时必须控制公称最大粒径和关键筛孔通过率。
%结语
>62关于级配碎石的力学特性的研究还在不断地深入，但其非线性的力学特性已基本上达成了共识，当其作为道路基层材料时必须要保证路肩和下垫层有一定的强度和刚度，其优良的力学特性才能充分发挥。
作为柔性结构层，>12级配碎石是一种散体材料，
图$
碎石粒径#!!&’’
!""""!颗粒粒径小于$"$%&’’的含量
一些研究认为，小于3!,("))颗粒的含量为4!5
63!的级配碎石密实度最大，而$%&值则以+(54!为
最大。$7-89:&・;-$%&值2以小于3!3("))含量’!5"!为最大。但是对于同一料源的材料，级配碎石基层的冻胀值也越3!3("))通过率越大，大且水稳定性也越差，尤其是3!3("))通过率过大，将严重影响渗水性。因此为了提高路面的强度，需适当增加3!3("))颗粒的含量，以获得高密度、高$%&值、高回弹模量及抗永久变形能力，而太密实又不利于级配碎石材料的抗冰冻性能及渗水功能。
基于以上分析，实践中需要平衡1者的关系。一般在多雨潮湿地区、冰冻地区应该充分考虑材料的抗冰冻性能及渗水性能，适当降低材料3!3("))的通过率，
主要缺陷在于易产生较大的塑性变形，这种塑性变形
的本质是粒料之间的剪切变形。其抗剪切能力与材料的级配组成和最大粒径密切相关。
>*2由于’!("))、1!*+))和3!3("))筛孔通过率对级配碎石的力学特性有显著影响，在级配组成设计时必须作为关键筛孔通过率予以控制。
参考文献!
［6］曹卫东，薛立疆!碎石化施工技术应用探讨［?］!筑路机械与施工机械
化，133"，11>62：1+@14!
［1］沈金安!国外沥青路面设计方法总汇［;］人民交通出版社，!北京：
133’!
［*］何兆益!高等级柔性基层的半刚性沥青路面［;］中国科学文!北京：
化出版社A!,,!!
收稿日期：!,,+@,!@,(
"责任编辑!林通#
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路面机械与施工技术
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沥青路面级配碎石基层材料及路面结构的分析
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摘要!从级配碎石基层的研究现状出发，讨论了级配碎石在级配良好并得到充分压实的情况下，利用
嵌挤作用能否使其具有良好的承载能力、排水性能的问题。并且深入分析了级配碎石基层的力学特性
和材料组成设计，对级配碎石广泛应用于路面基层具有一定的指导意义。关键词!沥青路面；级配碎石基层；组成设计；力学特性
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级配碎石基层的力学特性研究分析
国外规定的级配碎石模量范围
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路面机械与施工技术
12?02@AB>=CDEFG>H?CI@?BG>J=@A>GKGLD
不同粒径的碎石按级配组成拌和均匀并振动成型料层模量随深度而降低，并受到土基刚度的影响，其设
后，粗细集料在压密、嵌挤和填充作用下形成密实的级计采用了弹性层状体系模型，根据下列步骤将粒料层
配碎石混合料。混合料中部分较大的碎石紧密接触形细分为几层，并且各层有相应模量值。!"#如果粒料层直接置于刚度较大的无机结合料
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中国对级配碎石回弹模量的研究
成骨架，空隙被细集料填充；部分较大粒径的碎石被细集料包围，处于悬浮状态。如图"所示，当试件在一定的围压作用下沿,9,面上下错动剪切时，阻止产生剪切面上的"、$等较大粒径的颗粒在周围集料的骨架嵌挤和紧密填充约束下，阻止产生剪切移动的阻力&"；另一部分是处于剪切面上的较小粒径颗粒(组成的混合料在围压作用下，相互挤密形成阻止试件滑动的摩阻力在’值!泰勒指数+相同的情况&$。对于连续级配而言，
下，最大粒径(:2;越大，混合料中较大粒径的粗颗粒含量越多，嵌挤骨架作用越明显，有利于提高阻力&"；但随较小粒径颗粒含量的减少，骨架空隙的填充程度逐渐降低，对阻力&"会起到负面影响。
中国的一些道路工程专家根据调查研究发现级配
碎石属嵌挤密实型结构，其强度主要来自于集料良好级配提供的骨料嵌锁力作用。回弹模量具有依赖应力状态而变的非线形，通过室内试验和理论分析$方面深
［(］入研究，得到了以下结论。
图!级配碎石剪切强度原理
因此，分析得出级配碎石基层抗剪能力具有明显的尺寸效应，与最大粒径和’值密切相关。
&"#级配碎石柔性基层弹性模量依赖受力状态而变，具有明显的非线性，其表现形式为!#%"!%$式中：——第一应力不变量!#""3$"(4012；!—
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对于石灰岩、玄武&$#通过室内重复动三轴试验，岩级配碎石找出了动模量回归系数%"动、%$动和静模量
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$级配碎石材料组成设计
级配碎石材料的强度、模量较各种有机、无机结合
料稳定的基层差，因此对级配碎石基层的研究和应用，
需要特别注意它的适用性。通常在级配碎石基层上的沥青层必须有足够的厚度，同时致力于提高级配碎石的强度和稳定性，以降低行车作用下的变形和永久变形。国内外成功经验表明，严格材料技术要求，选择合理的级配以及严格施工工艺控制是提高级配碎石强度和稳定性的关键。$!!
材料技术性能要求
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级配碎石是一种散体材料，凭借其应力应变非线形特性、良好的排水性能等优点被广泛应用于路面结构；但作为柔性结构层，主要缺陷在于易产生较大的塑性变形，这种塑性变形的本质是粒料之间的剪切变形。
１６
原材料的技术性能对级配碎石强度、稳定性能影
响较大。国外通常采用塑性指数对材料质量进行限制。凡是塑性指数超过规定值的路段，沥青路面明显降低抗塑性变形能力而产生车辙，发生结构性破坏。同时
路面机械与施工技术
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取低值；在干旱地区，则重点考虑提高结构强度，塑性指数较高的细料，遇水易膨胀，影响材料的透水性3!3("
和水稳定性，有较高的冰冻敏感性。许多国家对于级))的通过率可取高值。
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级配碎石配合比设计
级配是影响级配碎石强度与刚度最重要的因素之一。一般说来，密实的级配易于获得高密度，从而使级配碎石获得高的$%&值、回弹模量及抗永久变形能力。通常能获得最密实集料，并使之具有较好透水性的级配，即是最佳级配。一些研究成果表明，影响集料级配的主要因素为公称最大粒径、’!("))、!!*+))和
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’!("))以下颗粒含量与干密度、$%&值、三轴抗剪切强度之间的关系是驼峰关系。如图*所示，随着
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最大粒径!)-.对密度及强度也有很大的影响，最大
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碎石粒径%!(&’’和$!#)’’
基于以上原因，级配碎石在级配设计时必须控制公称最大粒径和关键筛孔通过率。
%结语
>62关于级配碎石的力学特性的研究还在不断地深入，但其非线性的力学特性已基本上达成了共识，当其作为道路基层材料时必须要保证路肩和下垫层有一定的强度和刚度，其优良的力学特性才能充分发挥。
作为柔性结构层，>12级配碎石是一种散体材料，
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碎石粒径#!!&’’
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一些研究认为，小于3!,("))颗粒的含量为4!5
63!的级配碎石密实度最大，而$%&值则以+(54!为
最大。$7-89:&・;-$%&值2以小于3!3("))含量’!5"!为最大。但是对于同一料源的材料，级配碎石基层的冻胀值也越3!3("))通过率越大，大且水稳定性也越差，尤其是3!3("))通过率过大，将严重影响渗水性。因此为了提高路面的强度，需适当增加3!3("))颗粒的含量，以获得高密度、高$%&值、高回弹模量及抗永久变形能力，而太密实又不利于级配碎石材料的抗冰冻性能及渗水功能。
基于以上分析，实践中需要平衡1者的关系。一般在多雨潮湿地区、冰冻地区应该充分考虑材料的抗冰冻性能及渗水性能，适当降低材料3!3("))的通过率，
主要缺陷在于易产生较大的塑性变形，这种塑性变形
的本质是粒料之间的剪切变形。其抗剪切能力与材料的级配组成和最大粒径密切相关。
>*2由于’!("))、1!*+))和3!3("))筛孔通过率对级配碎石的力学特性有显著影响，在级配组成设计时必须作为关键筛孔通过率予以控制。
参考文献!
［6］曹卫东，薛立疆!碎石化施工技术应用探讨［?］!筑路机械与施工机械
化，133"，11>62：1+@14!
［1］沈金安!国外沥青路面设计方法总汇［;］人民交通出版社，!北京：
133’!
［*］何兆益!高等级柔性基层的半刚性沥青路面［;］中国科学文!北京：
化出版社A!,,!!
收稿日期：!,,+@,!@,(
"责任编辑!林通#
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