淺談砌塊路面設(shè)計(jì)與破壞分析

彭小東，劉望坤

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院，四川成都 610081）

0 引言

砌塊路面是建造成本最低、板厚最薄、使用壽命最長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)最便捷、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用最省、最古老、最環(huán)保、最美觀的中、高級(jí)路面結(jié)構(gòu)形式,是目前已知的最節(jié)約資源和能源、減排、減碳、可持續(xù)發(fā)展的路面結(jié)構(gòu)形式。砌塊路面在我國(guó)已有幾千年的歷史，改革開放后，隨著我國(guó)水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面技術(shù)的發(fā)展，砌塊路面在我國(guó)使用得越來越少；近年來，隨著隨著城市的發(fā)展，為了滿足城市景觀要求，砌塊路面又開始越來越多的應(yīng)用于城市道路的路面。特別是景觀道路。但是目前對(duì)此類路面的設(shè)計(jì)還缺少相關(guān)的規(guī)范和規(guī)定,也無(wú)現(xiàn)行的計(jì)算方法可遵。本文簡(jiǎn)要闡述砌塊路面的設(shè)計(jì)方法，并以西南地區(qū)某砌塊道路為例，分析砌塊路面的破壞原因，探討處理方法。

1 砌塊路面設(shè)計(jì)方法[1-3]

雖然砌塊道路已應(yīng)用了幾千年，然而砌塊路面優(yōu)勢(shì)并沒有得到充分的挖掘，其設(shè)計(jì)理念并沒有完全成熟，砌塊路面尚無(wú)公認(rèn)的設(shè)計(jì)理論和方法，目前砌塊路面結(jié)構(gòu)的分析方法有彈性層狀理論、有限元方法和板的破裂理論。層狀彈性理論是將砌塊層和砂墊層等效為一個(gè)各向同性的均勻體材料，雖然對(duì)砌塊層間的荷載擴(kuò)散能力有所擴(kuò)大，但仍是設(shè)計(jì)中通常采用的設(shè)計(jì)方法。所以《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ169-2012（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）中建議通過修正瀝青路面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。修正方式有三種：一是采用等效層的方法，以 2.1～2.9倍塊體厚度的碎礫石代替砌塊層，或以1.1～1.5倍砌塊厚度的密級(jí)配瀝青混凝土層作為砌塊層的等效層；二是認(rèn)為砌塊層的相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)為1.02～1.08；三是采用 16 cm厚度的瀝青混凝土代替砌塊層和砂墊層，沿用以層狀彈性體系理論為基礎(chǔ)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法。但是因?yàn)槠鰤K路面的頂層是離散和不連續(xù)的，在世界各地進(jìn)行的試驗(yàn)表明,砌塊路面對(duì)交通的反應(yīng)方式在某種程度上與傳統(tǒng)意義上的柔性或剛性路面的反應(yīng)不同。砌塊層間荷載擴(kuò)散性主要取決于其各個(gè)組成部分之間的相互作用，所以在實(shí)際應(yīng)用中，一般利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型，比如材料類型和不同結(jié)構(gòu)層的層厚根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇。

2 砌塊路面破壞實(shí)例分析與對(duì)策

2.1 路面現(xiàn)狀

西南地區(qū)某道路路面，車行道路面結(jié)構(gòu)采用刨除原有舊路面層后，加鋪30 cm級(jí)配碎石+15 cmC15混凝土墊層+5 cm花崗石面磚，花崗石面磚尺寸為長(zhǎng)×寬×高=30 cm×15 cm×5 cm?；◢徥娲u與C15混凝土墊層之間用水泥砂漿粘結(jié)。

道路于2013年投入使用，服務(wù)一年后局部路段出現(xiàn)路面面板與水泥砂漿發(fā)生松動(dòng)脫離，路面面板斷裂、路面沉陷等病害（見圖1、圖2），鉆心取樣發(fā)現(xiàn)基層基本完整。

圖1 路面破壞現(xiàn)狀

圖2 面層破壞處鉆孔取芯圖

2.2 路面破壞分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析，發(fā)現(xiàn)本道路存在以下幾個(gè)方面的問題：

（1）路面類型

根據(jù)《規(guī)范》及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有如下幾點(diǎn)問題：砌塊路面適用于支路、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、人行道與步行街。這些街道都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即機(jī)動(dòng)車流量不大，行車速度較慢。而本道路位于商業(yè)中心，是南北方向的交通干道，同時(shí)隨著這幾年汽車保有量迅猛增加，導(dǎo)致通過本道路的交通量很大,并且通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本道路還有大型公交通過。大量交通的重復(fù)荷載作用，使得路面破壞。

（2）面磚接縫

本道路采用的是水泥混凝土墊層上鋪設(shè)花崗石面磚，面磚與墊層之間采用水泥砂漿粘結(jié)。花崗石面磚、水泥砂漿以及混凝土墊層這三者中，由于面磚與水泥混凝土墊層的抗壓強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度相對(duì)水泥砂漿來說都較高，所以在汽車荷載作用下，最具破壞力的是面磚底的拉應(yīng)力，由于面磚底與混凝土之間存在一層抗拉強(qiáng)度較小的水泥砂漿，故最先破壞的即是水泥砂漿層。同時(shí)，由于汽車對(duì)路面的沖擊力是隨著車速的增大而增大，路面不平整度的增加而惡化。本道路是一條主干道、車速較快，剎車也很頻繁，面磚接縫的存在不可避免的造成平整度較差，這樣就加大了汽車對(duì)路面的沖擊力，容易造成水泥砂漿的脫落、面磚松動(dòng)。面磚松動(dòng)后，在汽車荷載、雨水侵蝕、冷熱不均等各種因素的共同作用下發(fā)生剝落。

（3）面磚尺寸

現(xiàn)狀5 cm厚花崗巖面磚（長(zhǎng)30 cm、寬15 cm、厚5 cm），作為路面直接受力層。根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)水泥混凝土基層的砌塊路面，應(yīng)按水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法，在確定水泥混凝土板厚度后，應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中：hs——砌塊路面塊體厚度（mm）；

hh——水泥混凝土板厚度（mm）；

b——換算系數(shù)可取0.5～0.65，采用的砌塊面積尺寸較小時(shí)取低值，采用的砌塊面積尺寸較大時(shí)取高值。

如按照混凝土墊層厚度為15 cm計(jì)算，則花崗石面磚的厚度應(yīng)為7.5～9.75 cm。且規(guī)范要求石材砌塊的實(shí)用性及最小厚度宜符合表1要求。

（4）車行道路面結(jié)構(gòu)

花崗巖面磚+15 cmC15素混凝土+30cm級(jí)配碎石+壓實(shí)路基。

結(jié)構(gòu)分析：15 cmC15素混凝土作為持力層，相對(duì)于路面結(jié)構(gòu)稍顯薄弱，雖然目前C15混凝土墊層還未破壞，但是對(duì)于路面的使用壽命有很大的影響；建議混凝土厚度為20 cm，標(biāo)號(hào)等級(jí)不小于C30級(jí)，28 d抗折強(qiáng)度不小于4.5 MPa，這樣既能保證路基的強(qiáng)度，避免道路面層受到車行荷載的作用發(fā)生破壞，又能延長(zhǎng)路面的使用壽命。

（5）鋪筑工藝

砌塊路面的鋪筑工藝一般有編織形、人字形、延伸形等（見圖3～圖5），本道路花崗石面磚采用的是延伸型鋪筑，且采用的是未有錯(cuò)縫的延伸型，有研究表明，三種鋪設(shè)方式中，采用人字形鋪設(shè)時(shí)傳遞到基層的應(yīng)力最小，而延伸鋪設(shè)時(shí)傳遞到基層的應(yīng)力最小。人字形鋪設(shè)，塊的安排使塊之間的相互作用更加有效，一個(gè)塊的旋轉(zhuǎn)和位移影響路面上更多的塊。因此，比延伸式鋪設(shè)擁有更多的塊分擔(dān)載荷。

2.3 對(duì)策

根據(jù)前面分析，要解決該道路病害，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）更換路面類型，采用瀝青混凝土或者水泥混凝土面層。

（2）更換粘結(jié)材料：如采用現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)類型，建議將普通水泥砂漿更換成環(huán)氧樹脂水泥砂漿重新鋪筑花崗石面磚，由于環(huán)氧樹脂水泥砂漿具有強(qiáng)度高，粘結(jié)力強(qiáng)、抗蠕變性能優(yōu)越、耐腐蝕以及防水等性能，能有效解決本道路面磚松動(dòng)脫落問題。

表1 石材砌塊常用尺寸表

圖3 編織形

圖4 人字形

圖5 延伸型

（3）調(diào)整路面結(jié)構(gòu)，要想獲得長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命，必須保證足夠的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，建議增加水泥混凝土墊層厚度。

（4）更換花崗石面層的尺寸，根據(jù)前述分析，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際，建議采用長(zhǎng)×寬×厚=10cm×10cm×8 cm或者長(zhǎng)×寬×厚=30 cm×30 cm×10 cm的面磚。

（5）調(diào)整鋪筑工藝，根據(jù)前述分析，建議采用人字形鋪筑工藝。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然砌塊路面具有建造成本最低、使用壽命最長(zhǎng)、景觀效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但在使用過程中應(yīng)根據(jù)不同的交通量、使用環(huán)境、氣候等各種因素因地制宜，有針對(duì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制，優(yōu)化面磚鋪筑工藝，并在施工時(shí)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，方能達(dá)到最佳效果。

[1]CJJ169-2012,城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[3]蘇衛(wèi)國(guó),任岐崗.混凝土砌塊路面荷載擴(kuò)散能力和彎沉影響因素分析[J].中外公路,2012(2):77-80.