柔性基層預(yù)制塊鋪面永久變形的環(huán)道試驗研究

王火明,凌天清,周 剛,王 秀

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶 400074;2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶 400067;3.重慶市水電設(shè)計院,重慶 400020)

0 引 言

混凝土預(yù)制塊鋪面是由單個剛性塊體拼裝而成的具有柔性路面特征的一種特殊路面結(jié)構(gòu)[1-2]，其承載力特性和變形破壞規(guī)律與常規(guī)的水泥路面和瀝青路面有較大區(qū)別。研究和實踐表明，對于混凝土預(yù)制塊路面而言，永久變形是其最主要的損壞形式，決定了預(yù)制塊路面的使用性能和壽命，是預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)路用性能的最集中表現(xiàn)[3-7]。因此，有學(xué)者提出將永久變形作為柔性基層預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標(biāo)[5,8-10]。

為了對預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的永久變形特性進(jìn)行研究，筆者在室內(nèi)鋪設(shè)了級配碎石柔性基層的預(yù)制塊鋪面足尺環(huán)道，測試了在不同軸載次數(shù)作用下預(yù)制塊鋪面平整度的衰變情況，研究了荷載作用次數(shù)，接縫寬度，砂墊層厚度和砌塊厚度對于鋪面永久變形的影響。

1 試驗段鋪面結(jié)構(gòu)

試驗段包含了2種塊體厚度、3種砂墊層厚度和3種接縫寬度。試驗段鋪面結(jié)構(gòu)及編號見表1。

表1級配碎石預(yù)制塊鋪面環(huán)道試驗段面層結(jié)構(gòu)

Table1Surfacelayerstructureofmacadamprecastblockpavementinringroadtest

注：試驗段編號為試字拼音首字母+砌塊厚度+砂墊層厚度+接縫寬度組成，例如：S8-2-4，表示試驗段塊體厚度為8 cm，砂墊層厚度為2 cm，接縫寬度為4 mm。以下均以此代碼表示。

限于室內(nèi)環(huán)道長度和規(guī)模，試驗分兩階段進(jìn)行。第1階段：塊體厚度均為8 cm；第2階段：塊體厚度均為16 cm。第1階段試驗結(jié)束后，將砌塊搬出，挖除砂墊層和級配碎石基層，重新施工級配碎石基層和砂墊層，然后鋪筑16 cm砌塊。兩階段為相互獨立試驗，其荷載作用次數(shù)相同。

環(huán)道中心線周長約36 m，試驗開始前首先將環(huán)道分為9段，每段長度約為4 m。然后，按照預(yù)先設(shè)計好的面層結(jié)構(gòu)鋪筑砂墊層和砌塊，控制砂墊層厚度和接縫寬度，并做好試驗段落標(biāo)記。灑布填縫砂，最后采用小型鋼輪壓路機(jī)靜壓3～5遍，使鋪面塊體穩(wěn)定。鋪設(shè)完成后應(yīng)對鋪面外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，對不穩(wěn)定和存在沉陷的塊體要進(jìn)行調(diào)整，接縫砂不密實的要進(jìn)行補填。

環(huán)道試驗機(jī)模擬單軸雙輪作用，輪胎接地壓力為0.7 MPa，軸重為100 kN，設(shè)置環(huán)道運行速度為40 km/h，總運行次數(shù)為15萬次。采用3 m直尺和鋼尺實測不同軸載次數(shù)作用下的鋪面平整度和接縫寬度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 實測鋪面平整度及接縫寬度的變化

采用3 m直尺對不同荷載作用次數(shù)過后的預(yù)制塊路面路表的永久變形進(jìn)行測量，測量值為豎向最大間隙值，測試位置為環(huán)道試驗機(jī)輪載作用中心軸線處，測試方向為橫向(即與試驗輪運行方向垂直方向)；采用鋼尺對接縫寬度變化進(jìn)行測量，測試結(jié)果見表2。

表2預(yù)制塊路面測試結(jié)果

Table2Testresultsofprecastblockpavement

從試驗結(jié)果來看，預(yù)制塊鋪面永久變形隨著荷載作用次數(shù)的增加而增大。在荷載作用初期，永久變形增加幅度最大。當(dāng)荷載作用次數(shù)超過5萬次后，永久變形增加幅度明顯減小。此外，鋪面永久變形與砂墊層厚度有明顯關(guān)系，砂墊層厚度越大，最終永久變形也越大。

隨著荷載作用次數(shù)的增加，鋪面接縫寬度存在一定的波動，有個別接縫寬度在減少，但絕大部分接縫寬度表現(xiàn)為增大?？傮w來看，接縫寬度變化都不大，全部實測數(shù)據(jù)顯示，接縫寬度最大變化值未超過±2 mm。

2.2 接縫寬度對路面永久變形的影響

以S8-2-4、S8-2-6和S8-2-10等3個試驗段的永久變形實測數(shù)據(jù)為例，永久變形隨荷載作用次數(shù)的變化關(guān)系見圖1。

圖1 鋪面永久變形與接縫寬度的關(guān)系Fig.1 Relationship between permanent deformation and joint width of pavement

從圖1可以看出，在塊體厚度和砂墊層厚度相同的條件下，隨著荷載作用次數(shù)的增加，鋪面永久變形逐漸增大。接縫寬度越小，最終路面永久變形越小；接縫寬度越小，永久變形曲線拐點越早出現(xiàn)，表明接縫寬度越小，預(yù)制塊鋪面越早形成嵌擠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)接縫寬度不大于6 mm時，荷載作用次數(shù)達(dá)5萬次，鋪面即可形成穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時鋪面產(chǎn)生的永久變形約為6 mm；當(dāng)接縫寬度為10 mm時，荷載作用次數(shù)需要達(dá)到10萬次,鋪面才能達(dá)到穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時鋪面產(chǎn)生的永久變形約為9 mm。

由此可見，接縫寬度不僅影響預(yù)制塊鋪面最終的永久變形大小，還會影響鋪面結(jié)構(gòu)的承載力特性，即接縫寬度對于預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)“拱效應(yīng)”的形成會產(chǎn)生一定影響。綜合全部試驗結(jié)果，建議預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的接縫寬度控制在3～8 mm，以5 mm為宜。

2.3 砂墊層厚度對路面永久變形的影響

以S8-2-6、S8-4-6和S8-6-6這3個試驗段的永久變形實測數(shù)據(jù)為例，永久變形隨荷載作用次數(shù)的變化關(guān)系見圖2。

圖2 鋪面永久變形與砂墊層厚度的關(guān)系Fig.2 Relationship between permanent deformation and sand cushion thickness

從圖2可以看出，在塊體厚度和接縫寬度相同的條件下，隨著荷載作用次數(shù)的增加，鋪面永久變形逐漸增大。砂墊層厚度越小，最終路面永久變形越?。辉诤奢d作用次數(shù)為5萬次時，3條永久變形曲線均出現(xiàn)拐點，表明砂墊層厚度對預(yù)制塊鋪面嵌擠狀態(tài)的形成沒有影響。在接縫寬度相同的情況下，不同砂墊層厚度的預(yù)制塊鋪面幾乎都是在5萬次荷載作用時出現(xiàn)了穩(wěn)定的嵌擠狀態(tài)。但是，砂墊層厚度不同，出現(xiàn)嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時鋪面的永久變形量是不同的。當(dāng)砂墊層厚度分別為2，4，6 cm時，對應(yīng)出現(xiàn)嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時的鋪面永久變形量分別為7，7，9 mm；在荷載作用次數(shù)為15萬次時，對應(yīng)的鋪面永久變形總量分別為9，10，13 mm。

由此可見，砂墊層厚度主要是影響預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的永久變形量大小，綜合全部試驗結(jié)果，建議預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的砂墊層厚度控制在2～5 cm為宜。

2.4 砌塊厚度對永久變形的影響

以S8-4-6、S16-4-6兩個試驗段的永久變形實測數(shù)據(jù)為例，永久變形隨荷載作用次數(shù)的變化關(guān)系見圖3。

圖3 鋪面永久變形與塊體厚度的關(guān)系Fig.3 Relationship between permanent deformation of pavement and blocks pavement thickness

從圖3可以看出，在砂墊層厚度和接縫寬度相同的條件下，隨著荷載作用次數(shù)的增加，鋪面永久變形逐漸增大。塊體厚度對于鋪面永久變形的影響很小。在相同荷載作用次數(shù)下，塊體厚度大，鋪面永久變形會相對小一點。8 cm厚塊體鋪面在荷載作用次數(shù)為15萬次時，鋪面永久變形量為10 mm；16 cm厚塊體鋪面在荷載作用次數(shù)為15萬次時，鋪面永久變形量為9 mm；即塊體厚度增加了1倍，而鋪面永久變形只減少了10%。

由此可見，塊體厚度對于預(yù)制塊鋪面的永久變形沒有太大影響。試圖依靠增加塊體厚度來減少鋪面永久變形是不現(xiàn)實的。

3 永久變形預(yù)估模型

從圖1～圖3可以看出，隨著荷載作用次數(shù)的增加，預(yù)制塊鋪面的永久變形逐漸增大。永久變形曲線存在明顯的拐點，在出現(xiàn)拐點以前(荷載作用初期)，永久變形隨荷載作用次數(shù)增加而增大的幅度較大；拐點過后，這種幅度明顯減小。這說明預(yù)制塊鋪面的永久變形主要是發(fā)生在荷載作用的初期，亦即鋪面嵌擠狀態(tài)形成以前。此外，預(yù)制塊鋪面的永久變形與塊體厚度、接縫寬度關(guān)系不大，主要是與砂墊層厚度和荷載作用次數(shù)有關(guān)。實踐中，砂墊層厚度的變化范圍是有限的(環(huán)道試驗的砂墊層厚度為2～6 cm)，砂墊層厚度在有限的變化范圍內(nèi)對于預(yù)制塊鋪面的永久變形也是有限的。

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)，可以得到不同鋪面結(jié)構(gòu)在不同荷載作用次數(shù)下的永久變形量。通過統(tǒng)計回歸分析，可以得到預(yù)制塊鋪面永久變形量與荷載作用次數(shù)的代表曲線(主曲線)，即預(yù)制塊鋪面永久變形與荷載作用次數(shù)關(guān)系，見圖4。

圖4 預(yù)制塊鋪面永久變形主曲線Fig.4 Main curve for permanent deformation of precast block pavement

由主曲線，不難得到預(yù)制塊鋪面永久變形與荷載作用次數(shù)的關(guān)系，見式(1)：

(1)

式中：L為永久變形量，mm；N為標(biāo)準(zhǔn)荷載作用次數(shù)，次。

基于室內(nèi)環(huán)道試驗得到的預(yù)制塊鋪面永久變形與實際工程可能會存在一定的偏差，這與路面的邊界條件、使用環(huán)境、荷載狀況等有關(guān)。例如室內(nèi)環(huán)道無法模擬出實際路面在使用過程中因墊層砂流失而導(dǎo)致的永久變形和接縫寬度的變化、實際荷載條件與室內(nèi)試驗環(huán)道的荷載條件也存在差異等。因此，在應(yīng)用式(1)對預(yù)制塊路面的永久變形量進(jìn)行預(yù)估時，還必須根據(jù)路面實際情況加以必要的修正。

4 結(jié) 論

利用室內(nèi)足尺環(huán)道試驗場鋪筑混凝土預(yù)制塊鋪面試驗段，研究了在一定荷載作用次數(shù)下，接縫寬度、砂墊層厚度、塊體厚度與預(yù)制塊鋪面平整度以及接縫寬度的變化關(guān)系，結(jié)論如下：

1)在荷載作用下，預(yù)制塊鋪面的接縫寬度有增大和減小兩種變化趨勢，但總體上接縫寬度變化都不大，絕對數(shù)值未超過2 mm。

2)接縫寬度對于預(yù)制塊鋪面的永久變形有一定影響，接縫寬度越大，鋪面永久變形也越大。當(dāng)接縫寬度不大于6 mm時，荷載作用次數(shù)達(dá)5萬次，鋪面即可形成穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時鋪面產(chǎn)生的永久變形約為6 mm；當(dāng)接縫寬度為10 mm時，荷載作用次數(shù)需要達(dá)到10萬次時，鋪面才能達(dá)到穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時鋪面產(chǎn)生的永久變形約為9 mm。

3)接縫寬度不僅影響預(yù)制塊鋪面最終的永久變形大小，還會影響鋪面結(jié)構(gòu)的承載力特性，即接縫寬度對于預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)“拱效應(yīng)”的形成會產(chǎn)生一定影響。綜合全部試驗結(jié)果，建議預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的接縫寬度控制在3～8 mm，以5 mm為宜。

4)砂墊層厚度對預(yù)制塊鋪面嵌擠狀態(tài)的形成沒有影響。在接縫寬度相同的情況下，不同砂墊層厚度的預(yù)制塊鋪面幾乎都是在5萬次荷載作用時出現(xiàn)了穩(wěn)定的嵌擠狀態(tài)。

5)砂墊層厚度不同，預(yù)制塊路面出現(xiàn)嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時鋪面的永久變形量是不同的。當(dāng)砂墊層厚度分別為2，4，6 cm時，對應(yīng)出現(xiàn)嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時的鋪面永久變形量分別為7，7，9 mm；在荷載作用次數(shù)為15萬次時，對應(yīng)的鋪面永久變形總量分別為9，10，13 mm。

6)砂墊層厚度主要是影響預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的最終永久變形量大小，建議預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)的砂墊層厚度控制在2～5 cm為宜。

7)塊體厚度對于鋪面永久變形的影響很小。即塊體厚度增加了1倍，而鋪面永久變形只減少了10%。因此，塊體厚度對于預(yù)制塊鋪面的永久變形沒有太大影響。

[1] 孫立軍.現(xiàn)代聯(lián)鎖塊鋪面[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2000.

Sun Lijun.Paving for Modern Interlocking Block [M].Shanghai:Tongji University Press,2000.

[2] 王火明,蔡叢兵,熊世銀,等.混凝土預(yù)制塊用于高速公路緊急停車道鋪面工程實踐[J].建筑科技與管理,2011(11): 44-47.

Wang Huoming,Cai Congbing,Xiong Shiyin,et al.Concrete blocks used for highway pavement engineering practice emergency stop road [J].The Building Scientific Technology and Management,2011(11):44-47.

[3] Silfwerbrand J,Wappling M.Parameter study on the design of concrete block pavements[C].Tokyo:Proceedings of 6thInternational Conference on Concrete Block Paving,2000.

[4] Nishizawa T.A tool for structural analysis of block pavements based on 3D FEM [C].Sun City,South Africa: Proceedings of 7thInternational Conference for Concrete Block Paving,2003.

[5] 王火明,王在杭,蔡叢兵,等.混凝土預(yù)制塊鋪面的承載力特性試驗研究[J].公路交通技術(shù),2012(2):24-30.

Wang Huoming,Wang Zaihang,Cai Congbing,et al.Experimental research on bearing capacity characteristics of pavement of prefabricated concrete blocks [J].Technology of Highway and Transport,2012(2):24-30.

[6] 李宇峙,邵臘庚,鄭健龍,等.混凝土嵌擠塊路面結(jié)構(gòu)的模型理論[J].中國公路學(xué)報,1998,11(1):37-44.

Li Yuzhi,Shao Nageng,Zheng Jianlong,et al.Structure model theory for interlocking concrete block pavement [J].China Journal of Highway and Transport,1998,11(1):37-44.

[7] 邵臘庚,周昌棟.砼嵌擠塊路面面層的鋪筑技術(shù)[J].中南公路工程,1997,22(2):10-13.

Shao Nageng,Zhou Changdong. Interlocking concrete block pavement surface paving technique [J]. Central South Highway Engineering,1997,22(2):10-13.

[8] 孫立軍.港區(qū)堆場、道路預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究[R].北京:交通部西部項目辦公室,1997.

Sun Lijun.Study on Design Method of Harbor Yard, Road Pavement Structural Precast Block [R].Beijing:Ministry of Transportation West Head Office,1997.

[9] 李彥,羅國梁.砌塊路面設(shè)計[J].城市道橋與防洪,2006(1):23-25.

Li Yan,Luo Guoliang.Brick pavement design [J].Urban Roads Bridges & Flood Control,2006(1):23-25.

[10] 張毅.高強混凝土聯(lián)鎖塊鋪砌技術(shù)[J].建材技術(shù)與應(yīng)用,2005(1):34-36.

Zhang Yi.Technology of laying the interlocking blocks of high strength concrete[J].Research & Application of Building Materials,2005(1):34-36.