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(jì)院有限公司,重慶 400067;3.重慶市水電設(shè)計(jì)院,重慶 400020)

0 引 言

混凝土預(yù)制塊鋪面是由單個(gè)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(shí)踐表明，對(duì)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(jì)指標(biāo)[5,8-10]。

為了對(duì)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(jí)配碎石柔性基層的預(yù)制塊鋪面足尺環(huán)道，測(cè)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(duì)于鋪面永久變形的影響。

1 試驗(yàn)段鋪面結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)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(yàn)段鋪面結(jié)構(gòu)及編號(hào)見(jiàn)表1。

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

Table1Surfacelayerstructureofmacadamprecastblockpavementinringroadtest

注：試驗(yàn)段編號(hào)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(yàn)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(zhǎng)度和規(guī)模，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)束后，將砌塊搬出，挖除砂墊層和級(jí)配碎石基層，重新施工級(jí)配碎石基層和砂墊層，然后鋪筑16 cm砌塊。兩階段為相互獨(dú)立試驗(yàn)，其荷載作用次數(shù)相同。

環(huán)道中心線(xiàn)周長(zhǎng)約36 m，試驗(yàn)開(kāi)始前首先將環(huán)道分為9段，每段長(zhǎng)度約為4 m。然后，按照預(yù)先設(shè)計(jì)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(yàn)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(duì)鋪面外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，對(duì)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(shí)的要進(jìn)行補(bǔ)填。

環(huán)道試驗(yàn)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(yùn)行速度為40 km/h，總運(yùn)行次數(shù)為15萬(wàn)次。采用3 m直尺和鋼尺實(shí)測(cè)不同軸載次數(shù)作用下的鋪面平整度和接縫寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)測(cè)鋪面平整度及接縫寬度的變化

采用3 m直尺對(duì)不同荷載作用次數(shù)過(guò)后的預(yù)制塊路面路表的永久變形進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值為豎向最大間隙值，測(cè)試位置為環(huán)道試驗(yàn)機(jī)輪載作用中心軸線(xiàn)處，測(cè)試方向?yàn)闄M向(即與試驗(yàn)輪運(yùn)行方向垂直方向)；采用鋼尺對(duì)接縫寬度變化進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2預(yù)制塊路面測(cè)試結(jié)果

Table2Testresultsofprecastblockpavement

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(guò)5萬(wàn)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(dòng)，有個(gè)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(lái)看，接縫寬度變化都不大，全部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，接縫寬度最大變化值未超過(guò)±2 mm。

2.2 接縫寬度對(duì)路面永久變形的影響

以S8-2-4、S8-2-6和S8-2-10等3個(gè)試驗(yàn)段的永久變形實(shí)測(cè)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(jiàn)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?。唤涌p寬度越小，永久變形曲線(xiàn)拐點(diǎn)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(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)5萬(wàn)次，鋪面即可形成穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時(shí)鋪面產(chǎn)生的永久變形約為6 mm；當(dāng)接縫寬度為10 mm時(shí)，荷載作用次數(shù)需要達(dá)到10萬(wàn)次,鋪面才能達(dá)到穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時(shí)鋪面產(chǎn)生的永久變形約為9 mm。

由此可見(jiàn)，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(huì)影響鋪面結(jié)構(gòu)的承載力特性，即接縫寬度對(duì)于預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)“拱效應(yīng)”的形成會(huì)產(chǎn)生一定影響。綜合全部試驗(yàn)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(duì)路面永久變形的影響

以S8-2-6、S8-4-6和S8-6-6這3個(gè)試驗(yàn)段的永久變形實(shí)測(cè)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(jiàn)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(wàn)次時(shí)，3條永久變形曲線(xiàn)均出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明砂墊層厚度對(duì)預(yù)制塊鋪面嵌擠狀態(tài)的形成沒(méi)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(wàn)次荷載作用時(shí)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(shí)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(shí)，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)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(wàn)次時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋪面永久變形總量分別為9，10，13 mm。

由此可見(jiàn)，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(yàn)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(duì)永久變形的影響

以S8-4-6、S16-4-6兩個(gè)試驗(yàn)段的永久變形實(shí)測(cè)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(jiàn)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(duì)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(huì)相對(duì)小一點(diǎn)。8 cm厚塊體鋪面在荷載作用次數(shù)為15萬(wàn)次時(shí)，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(wàn)次時(shí)，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(jiàn)，塊體厚度對(duì)于預(yù)制塊鋪面的永久變形沒(méi)有太大影響。試圖依靠增加塊體厚度來(lái)減少鋪面永久變形是不現(xiàn)實(shí)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(xiàn)存在明顯的拐點(diǎn)，在出現(xiàn)拐點(diǎn)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(diǎn)過(guò)后，這種幅度明顯減小。這說(shuō)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(shí)踐中，砂墊層厚度的變化范圍是有限的(環(huán)道試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(guò)統(tǒng)計(jì)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(xiàn)(主曲線(xiàn))，即預(yù)制塊鋪面永久變形與荷載作用次數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖4。

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

由主曲線(xiàn)，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(jiàn)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(yàn)得到的預(yù)制塊鋪面永久變形與實(shí)際工程可能會(huì)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(wú)法模擬出實(shí)際路面在使用過(guò)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(shí)際荷載條件與室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)道的荷載條件也存在差異等。因此，在應(yīng)用式(1)對(duì)預(yù)制塊路面的永久變形量進(jìn)行預(yù)估時(shí)，還必須根據(jù)路面實(shí)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(yàn)場(chǎng)鋪筑混凝土預(yù)制塊鋪面試驗(yàn)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(shì)，但總體上接縫寬度變化都不大，絕對(duì)數(shù)值未超過(guò)2 mm。

2)接縫寬度對(duì)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(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)5萬(wàn)次，鋪面即可形成穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時(shí)鋪面產(chǎn)生的永久變形約為6 mm；當(dāng)接縫寬度為10 mm時(shí)，荷載作用次數(shù)需要達(dá)到10萬(wàn)次時(shí)，鋪面才能達(dá)到穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，此時(shí)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(huì)影響鋪面結(jié)構(gòu)的承載力特性，即接縫寬度對(duì)于預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)“拱效應(yīng)”的形成會(huì)產(chǎn)生一定影響。綜合全部試驗(yàn)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(duì)預(yù)制塊鋪面嵌擠狀態(tài)的形成沒(méi)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(wàn)次荷載作用時(shí)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(shí)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(shí)，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)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(wàn)次時(shí)，對(duì)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(duì)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(duì)于預(yù)制塊鋪面的永久變形沒(méi)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(chē)道鋪面工程實(shí)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(yàn)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(guó)公路學(xué)報(bào),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(chǎng)、道路預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究[R].北京:交通部西部項(xiàng)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(guó)梁.砌塊路面設(shè)計(jì)[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(qiáng)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.