底部槽型預制塊路面結構承載力試驗研究

李月光,孫 強,周冰清

(武漢理工大學 交通學院,湖北 武漢 430061)

0 引 言

預制塊路面在人行道和城市廣場、農村公路和城市道路、港口碼頭堆場等場合應用廣泛。預制塊路面結構的特殊性在于其面層和砂墊層,在荷載垂直作用下,預制塊塊體間相互擠壓,預制塊與接縫砂和砂墊層三者形成一個整體共同受力[1],達到嵌擠穩(wěn)定狀態(tài),這提高了路面的承載力。同時,也是由于預制塊路面的這種特殊結構,預制塊路面的平整度不高,在行車荷載長期作用下,容易出現塊體松散、斷裂,接縫砂流失等病害[2]。

底部槽型預制塊是在預制塊的底部開設有三角形或矩形的凹槽,筆者所采用的是底部開設有矩形凹槽的預制塊。研究表明,底部槽型預制塊的抗壓強度和抗折強度相比普通預制塊有所下降,但抵抗水平滑動的能力顯著增強[3]。在此基礎上,采用室內承載板法進行底部槽型預制塊路面的結構承載力試驗研究,選用預制塊類型為聯鎖預制塊IB(interlocking precast block)和底部槽型聯鎖預制塊USB(underside shaped interlocking precast block),研究各工況下預制塊路面的結構承載力,比較普通聯鎖預制塊IB和底部槽型預制塊USB路面的性能。

1 預制塊路面承載機理分析

預制塊路面在荷載作用下,砂墊層會被壓密產生豎向位移,預制塊之間也會相互擠壓,從而和接縫砂互相嵌擠形成了一個整體結構,不再是松散的單個塊體,接縫砂除了傳遞水平方向的擠壓力外,還承受著豎向的剪應力,使預制塊可以抵抗豎直方向的位移,形成一種嵌擠穩(wěn)定狀態(tài),這就是預制塊路面的嵌擠效應。嵌擠效應是預制塊路面結構受力的主要特點,而當豎向荷載逐漸增大,預制塊間接縫的剪應力達到了最大,預制塊間發(fā)生豎向滑移,此時,預制塊路面的路表彎沉值迅速增大,將結構受力傳遞到下面的基層或底基層。當基層為級配碎石柔性基層時,土基頂面壓應變超過結構容許壓應變,預制塊路面結構出現破壞;當基層為水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層或水泥混凝土剛性基層時,基層底面彎拉應力達到容許彎拉應力,預制塊路面結構出現破環(huán)[4]。

對于新型底部槽型預制塊路面,需要關注的是預制塊底部開槽的特殊構造,在預制塊路面結構受力時,是否對預制塊路面的嵌擠效應有所幫助,從而改善預制塊路面的力學性能[5]。分析認為,底部開設的凹槽使預制塊和墊層砂能夠更好的結合在一起,當預制塊路面結構在荷載作用下形成嵌擠效應時,預制塊間會有互相分離的趨勢,而在路緣石和砂墊層的約束下,預制塊間無法分離,這種底部開槽的結構實際上是加強了路緣石和砂墊層的約束作用,從而使嵌擠效應更牢固。

王火明等[6-8]對預制塊路面進行了較多的室內結構承載力試驗和永久變形環(huán)道試驗,針對荷載-彎沉曲線,提出了臨界彎沉的概念。在荷載-彎沉曲線中,隨著荷載的增加,彎沉值呈現非線性增加,加載初期,彎沉值迅速增大;隨后,荷載逐漸增大,彎沉值也繼續(xù)增加,但增加幅度很小,達到了嵌擠穩(wěn)定狀態(tài);最后,隨著荷載繼續(xù)增加,彎沉值迅速增大,可以認為預制塊路面結構達到了承載力極限狀態(tài),荷載-彎沉曲線與預制塊路面承載機理有很好的對應,選取荷載-彎沉曲線拐點處的荷載作為承載力極限值,這個極限值對應的拐點彎沉即為臨界彎沉(L)。

筆者通過室內承載板試驗,研究在不同砂墊層厚度、不同砂墊層類型、不同預制塊類型、不同基層類型等各種工況下,預制塊路面的路表彎沉和達到嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時的臨界彎沉,分析這種新型底部槽型預制塊路面的力學性能。

2 試驗準備

筆者首先進行了底部槽預制塊的構造型式及其力學性能的試驗研究,選用聯鎖型預制塊,塊體尺寸為230 mm×115 mm,厚度為60 mm,預制塊上表面邊緣應有3 mm的倒角。底部槽型聯鎖預制塊是在聯鎖型預制塊的底面開設有3個矩形的凹槽,凹槽尺寸為寬25 mm×厚15 mm×長115 mm,聯鎖型預制塊和底部槽型預制塊的構造見圖1和圖2。

圖1 預制塊構造Fig. 1 Structure of precast block

圖2 預制塊實際構造Fig. 2 Actual structure of precast block

室內承載板法是利用液壓千斤頂作用在反力架上,對預制塊路面結構進行加載試驗。試驗時筆者在預制塊面層上放置一塊墊壓板,墊壓板尺寸為20 cm×30 cm,用百分表來測量路表彎沉值,用力傳感器來測量荷載數值。試驗研究基層類型、砂墊層厚度、砂墊層類型和預制塊類型對預制塊路面路表彎沉值的影響。預制塊路面的各種工況分別為:級配碎石基層和水泥穩(wěn)定碎石基層,30 mm和50 mm厚度砂墊層,普通砂墊層和摻入30%碎石的砂墊層,聯鎖預制塊和底部槽型聯鎖預制塊。

2.1 試驗概況

本試驗是在室內一個100 cm×100 cm×60 cm的木箱里進行的,木箱外進行加固,以保證在荷載垂直加載時,預制塊路面結構有很好的穩(wěn)定性。木箱里填充30 cm的土基,15 cm的基層,3 cm或5 cm的砂墊層。預制塊尺寸為230 mm×115 mm,厚度為60 mm。安裝預制塊面層時,控制預制塊塊體間接縫統(tǒng)一為3～5 mm,預制塊鋪筑方式為編織式,即不考慮塊間接縫和預制塊鋪筑方式對預制塊路面結構承載力的影響,試驗路面結構和液壓千斤頂加載情況見圖3。

圖3 液壓千斤頂加載Fig. 3 Loading diagram of hydraulic jack

2.2 試驗路面結構

試驗所用路基土為砂性土,其顆粒級配見表1,根據JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》[9],測得其最佳含水率為10.5%,最大干密度為1.74 g/cm3。按照最佳含水量配置路基土,裝填進木箱,用木錘分層振搗壓實,通過承載板法,測得土基回彈模量為35 MPa。

表1 路基土的顆粒級配Table 1 Particle gradation of subgrade soil

基層所采用的材料為級配碎石和水泥穩(wěn)定碎石兩種,先進行級配碎石基層的各種工況的預制塊路面彎沉試驗,碎石的顆粒級配曲線見表2,待試驗完成后,拆除預制塊面層,砂墊層,級配碎石基層,再填入水泥穩(wěn)定碎石基層。水泥穩(wěn)定碎石基層的含水率為4.5%,水泥為5%,標號為42.5等級的普通硅酸鹽水泥,根據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[10],測得水泥穩(wěn)定碎石基層試件的7 d無側限抗壓強度為2.33 MPa。

表2 級配碎石的顆粒級配Table 2 Particle gradation of graded gravel

預制塊路面的砂墊層有兩種材料,分別為普通河砂和摻入30%最大粒徑為5 mm的碎石的河砂。碎石的顆粒級配見表3。砂墊層的厚度分別為30 mm和50 mm,預制塊路面墊層砂和接縫砂的顆粒級配應符合JTS 168—2017《港口道路與堆場設計規(guī)范》[11]的規(guī)定,分別見表4和表5。

表3 摻入砂墊層碎石的顆粒級配Table 3 Particle gradation of gravel mixed with sand cushion

表4 砂墊層級配要求Table 4 Grading requirements for sand cushion layer

表5 填縫砂級配要求Table 5 Grading requirements for joint filling sand

3 試驗過程

在進行各工況下預制塊路面結構承載力試驗時,要注意處理好砂墊層、接縫砂和預制塊面層,以免影響試驗結果。砂墊層在鋪筑時,應當攤鋪均勻,避免出現不水平的現象,從而影響預制塊面層的鋪筑。在預制塊面層鋪筑完成后,對松散的砂墊層進行第1次振壓,使砂墊層與預制塊面層緊密接觸,特別是對于底部槽型預制塊,要讓墊層砂充分填進預制塊底部的凹槽中。之后,在預制塊面層上均勻撒鋪接縫砂,用毛刷將砂掃進預制塊塊體間的接縫中,然后進行第2次振壓,確保接縫砂、預制塊、墊層砂緊密接觸,形成一個整體。

在預制塊路面荷載中心處安置了2個百分表,用2個百分表的平均值作為預制塊路面結構的彎沉值(0.01 mm)。液壓千斤頂加載時,應先對各類工況下預制塊面層進行預壓,使預制塊路面各結構層之間的相互作用更加緊密,然后進行各工況下預制塊路面垂直加載試驗?？刂萍虞d荷載分別為6、12、18、24、30、36、42、48、54、60 kN,分別對應20 cm×30 cm區(qū)域垂直均布荷載0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 MPa,記錄各荷載對應下百分表的數值,即為不同荷載等級時預制塊路面的彎沉值。

4 結果與討論

預制塊路面的結構承載力試驗主要研究了不同工況下,不同荷載等級時所對應的預制塊路面的彎沉值。試驗結果分4種情況來討論,即不同基層類型、不同砂墊層類型、不同砂墊層厚度和不同預制塊類型。

4.1 基層類型對承載力的影響

不同基層類型對預制塊路面的承載力有較大的影響,王火明的試驗研究[6-8]表明,預制塊厚度16 cm,接縫寬度5 mm,砂墊層厚度20 mm時,級配碎石基層預制塊路面的臨界彎沉值L約為200(0.01 mm),水泥穩(wěn)定碎石基層預制塊路面的臨界彎沉值L約為160(0.01 mm)。

分析筆者研究的各類工況下預制塊路面的荷載-路表彎沉值曲線,見圖4～圖7。

圖4 級配碎石基層不同砂墊層厚度聯鎖預制塊IB荷載-彎沉曲線Fig. 4 IB load-deflection curve of the interlocked precast block of graded gravel base with different sand cushion thickness

可以發(fā)現荷載-彎沉曲線大致分為3個階段:第1階段,即荷載小于0.5 MPa時,隨著荷載的不斷增加,彎沉值迅速增大,屬于荷載初始加載階段;第2階段,即荷載大于0.5 MPa,小于0.8 MPa時,隨著荷載繼續(xù)增大,彎沉值增長趨勢變小,逐漸趨于穩(wěn)定,說明預制塊路面達到了嵌擠穩(wěn)定狀態(tài);第3階段,即荷載大于0.8 MPa時,隨著荷載的繼續(xù)增大,彎沉值又迅速增大,這時候預制塊路面結構的嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)出現破環(huán),預制塊面層不再是一個整體,而是承受荷載的單個塊體將荷載傳遞到下面的基層和底基層。

在預制塊路面結構從第2階段到達第3階段的拐點處,可以認為預制塊路面結構力學性能達到了臨界點,研究這個臨界點處的路表彎沉值可以更直觀地了解預制塊路面力學性能。因此,統(tǒng)一選取0.8 MPa荷載對應的預制塊路面路表彎沉值作為臨界彎沉值L(0.01 mm)。各工況下的預制塊路面的臨界彎沉值見表6、表7。

表6 級配碎石基層預制塊路面臨界彎沉值LTable 6 Critical deflection value L of precast block pavement of grade gravel base

表7 水泥穩(wěn)定碎石基層預制塊路面臨界彎沉值LTable 7 Critical deflection value L of precast block pavement of cement stabilized macstone base

從表6、表7中可以看出,級配碎石基層預制塊路面的平均臨界彎沉值L在235～265之間,可取中間值250,水泥穩(wěn)定碎石基層預制塊路面的平均臨界彎沉值L在59～91之間,可取中間值75。分析基層類型對預制塊路面路表彎沉的影響,在預制塊厚度6 cm,基層厚度15 cm,土基厚度30 cm時,不同的基層類型對路表彎沉值的影響很大,級配碎石基層時臨界彎沉值L是水泥穩(wěn)定碎石基層的3倍多。

因此,對于荷載等級、路面功能要求不同的預制塊路面,應著重考慮基層對預制塊路面力學性能的影響,在人行道和城市廣場這類對荷載等級要求不高的地區(qū),可選用級配碎石基層,在農村公路、城市道路和港口碼頭堆場等交通量較大的場合,應首先考慮水泥穩(wěn)定碎石基層或貧混凝土、碾壓混凝土這類基層。

4.2 砂墊層厚度對承載力的影響

預制塊底部開槽的特殊構造可以使預制塊與砂墊層充分接觸,因此在研究底部槽型預制塊路面的力學性能時,要優(yōu)先考慮砂墊層對底部槽型預制塊的影響。試驗選用了30 mm和50 mm兩種不同砂墊層厚度,進行預制塊路面垂直加載試驗,試驗完成后,在砂墊層中摻入30%碎石,繼續(xù)進行30 mm和50 mm兩種厚度的預制塊路面垂直加載試驗,級配碎石基層試驗結果見圖4,圖5。試驗完成后,拆除級配碎石基層,再填入15 cm厚度的水泥穩(wěn)定碎石基層,填筑時應分層振搗壓實,之后進行養(yǎng)護,養(yǎng)護完成后重復上述試驗,即在30 mm和50 mm砂墊層厚度,不同砂墊層類型,不同預制塊類型時預制塊路面的垂直加載試驗,試驗結果見圖6,圖7。

圖5 級配碎石基層不同砂墊層厚度底部槽型預制塊USB荷載-彎沉曲線Fig. 5 USB load-deflection curve of the underside groove-shaped precast block of graded gravel base with different sand cushion thickness

圖6 水泥穩(wěn)定碎石基層不同砂墊層厚度聯鎖預制塊IB荷載-彎沉曲線Fig. 6 IB load-deflection curve of the interlocked precast block of cement stabilized macadam base with different sand cushion thickness

圖7 水泥穩(wěn)定碎石基層不同砂墊層厚度底部槽型預制塊USB荷載-彎沉曲線Fig. 7 USB load-deflection curve of the underside groove-shaped precast block of cement stabilized macadam base with different sand cushion thickness

比較圖4～圖7可以看出,不論是級配碎石基層還是水泥穩(wěn)定碎石基層,以及不同砂墊層類型和不同預制塊類型,改變30 mm砂墊層的厚度為50 mm時,預制塊路面的彎沉值有明顯的變化,說明砂墊層厚度對預制塊路面路表彎沉值的影響較大。其中,在級配碎石基層普通砂墊層這一工況下,改變30 mm砂墊層的厚度為50 mm,IB的臨界彎沉值L降低19.5,降低了7.1%, USB的臨界彎沉值L降低14,減低了5.5%,但是兩者相差不大,而其他各類工況下,改變30 mm砂墊層的厚度為50 mm,臨界彎沉值L顯著提高,提高范圍為14～117,對應提升幅度為6.0%～76.5%,即50 mm砂墊層厚度對應的預制塊路面臨界彎沉值L明顯大于30 mm時?？梢哉J為當增大砂墊層厚度時,路表彎沉值增大,預制塊路面承載能力出現了降低。

4.3 砂墊層類型對承載力的影響

研究砂墊層類型對預制塊路面力學性能的影響,可以對比圖4～圖7中每一種工況即未摻入碎石的普通砂墊層和摻入30%碎石砂墊層的兩種預制塊路面,再結合表6、表7中各工況下臨界彎沉值L的平均值,可以得出如下結論:不論是不同基層類型,還是不同預制塊類型,摻入30%碎石砂墊層的預制塊路面路表彎沉值相比普通砂墊層的預制塊路面都出現了明顯的下降。其中,級配碎石基層時,IB和USB的臨界彎沉值L的平均值分別降低30和7,分別降低了11.3%、2.8%;水泥穩(wěn)定碎石基層時,IB和USB的臨界彎沉值L的平均值分別降低20和14,分別降低了22%、19.2%,即摻入30%碎石的砂墊層顯著提高了預制塊路面的承載能力。在砂墊層中摻入30%碎石后,改變了原來砂墊層的級配,也增大了砂墊層材料顆粒之間的摩擦作用。因此,在預制塊路面結構形成嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時,摻入30%碎石的砂墊層與預制塊和接縫砂之間的相互作用更穩(wěn)固,預制塊路面力學性能得到了改善。

4.4 預制塊類型對承載力的影響

為了定量分析不同預制塊類型時預制塊路面的力學性能,選用臨界彎沉值L(0.01 mm)來評價,試驗數據結果見表8。

表8 不同類型預制塊路面臨界彎沉值L比較Table 8 Comparison of the critical deflection value L of different types of precast block pavement

從表8中可以看出,當預制塊類型從聯鎖預制塊IB變?yōu)榈撞坎坌皖A制塊USB時,大多數工況下預制塊路面的臨界彎沉值L都有所降低,只是在級配碎石基層30 mm摻入30%碎石的砂墊層厚度這一工況下,底部槽型預制塊USB路面的臨界彎沉值L相比聯鎖預制塊IB提高了32.6%,而其余各工況下USB的臨界彎沉值L相比IB降低了5.6%～36.6%。試驗結果證明了一開始的假設,即預制塊底部開槽的特殊構造可以有效增強預制塊路面的嵌擠效應,降低路表彎沉值,改善預制塊路面的力學性能。

5 結 論

1)不同的基層類型對路表彎沉值的影響很大,采用級配碎石基層時預制塊路面的臨界彎沉值L是水泥穩(wěn)定碎石基層的3倍多,水泥穩(wěn)定碎石基層的預制塊路面結構強度更高。但水泥穩(wěn)定碎石等半剛性基層類路面結構比級配碎石等柔性基層類路面結構對荷載的敏感性更高,采用水泥穩(wěn)定碎石基層更需控制預制塊路面結構的超載超限問題。

2)在采用級配碎石基層+普通砂墊層這一工況下,50 mm厚度砂墊層的預制塊路面臨界彎沉值L要小于30 mm厚度砂墊層的值,但兩者相差不大,而在其他各種工況下50 mm砂墊層厚度對應的預制塊路面臨界彎沉值L都明顯大于30 mm時,增大范圍在6.0%～76.5%。這說明在路面結構其他因素相同的情況下,當增大砂墊層厚度時,預制塊路面的承載能力出現了降低。

3)對于文中試驗研究的幾種基層類型和預制塊類型,在砂墊層中摻入30%相應級配的碎石,摻入30%碎石砂墊層的預制塊路面臨界彎沉值L相比普通砂墊層的預制塊路面出現了明顯的下降,下降范圍在2.8%～22.0%,即摻入30%碎石的砂墊層可以提高預制塊路面的力學性能。

4)在級配碎石基層+30 mm普通砂墊層厚度這一工況下,底部槽型預制塊USB路面的臨界彎沉值L相比聯鎖預制塊IB路面提高了32.6%,其余各工況下預制塊路面的臨界彎沉值L降低了5.6%～36.6%。即底部槽型預制塊USB路面的結構承載力要優(yōu)于聯鎖預制塊IB路面。