季天一，許峻倫，陶竟成，唐小軍，劉阿兵，夏邵君，張振宇

(1.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.句容市市政建設(shè)服務(wù)所，江蘇 句容 212400；3.句容市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇 句容 212400；4.中交第四公路工程局有限公司，北京 100020)

縫隙式透水路面是海綿城市建設(shè)中常用透水鋪裝之一，主要由面層、找平層、基層和路基組成。其面層主要由砼路面磚及磚體間的接縫組成，通過(guò)在接縫內(nèi)填充散粒狀材料實(shí)現(xiàn)路面的透水功能，一般接縫面積占鋪裝總面積的5%～15%，整個(gè)路面結(jié)構(gòu)具有承載力高、耐久性好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。級(jí)配碎石柔性基層具有空隙率高、透水性好等優(yōu)點(diǎn)，是縫隙式透水鋪裝常用基層類型，但與剛性和半剛性基層材料相比其強(qiáng)度較低、剛度較小，在荷載作用下極易產(chǎn)生豎向永久變形，影響路面的承載穩(wěn)定性。目前對(duì)粒料類柔性基層永久豎向變形的研究大多集中在荷載作用次數(shù)和大小及材料的物理性能對(duì)變形的影響方面，很少針對(duì)碎石空隙率變化進(jìn)行試驗(yàn)研究。在縫隙式透水路面結(jié)構(gòu)中，基層不僅是重要的承重層，更是主要的蓄水和儲(chǔ)水層，而碎石基層的空隙率是影響路面儲(chǔ)水能力的關(guān)鍵指標(biāo)，也直接影響路面的承載性能。該文以適用于輕型荷載的縫隙式透水路面為研究對(duì)象，以路面豎向位移為指標(biāo)，通過(guò)室內(nèi)豎向循環(huán)加載試驗(yàn)研究不同碎石基層空隙率對(duì)路面承載穩(wěn)定性的影響，探究碎石基層的受力特點(diǎn)和承載機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽?/h3>

試驗(yàn)采用的縫隙式透水路面結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。碎石采用玄武巖，找平層及填縫材料采用2.36～4.75 mm單粒徑碎石。

圖1 縫隙式透水路面結(jié)構(gòu)模型

模型試件制作時(shí)，先在模具內(nèi)鋪設(shè)底基層，按其厚度分3層將碎石裝入試驗(yàn)?zāi)＞咧?，每層裝入后用HCD90型振動(dòng)沖擊夯振動(dòng)壓實(shí)，壓實(shí)度在95%以上；之后進(jìn)行下一次裝填并再次壓實(shí)，直至達(dá)到底基層設(shè)計(jì)厚度，并按同樣的方法依次鋪設(shè)基層及找平層；鋪設(shè)完找平層后，用水準(zhǔn)尺檢查是否整平，隨后按人字式鋪設(shè)方式鋪設(shè)砼路面磚，并預(yù)留10 mm縫隙；最后將填縫材料填充到縫隙中，完成路面模型試件鋪裝。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為研究不同碎石基層空隙率在荷載作用下對(duì)縫隙式透水路面承載穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)15%、20%、25%、30%和35% 5種空隙率，每種空隙率的碎石分別由3種級(jí)配組成(見(jiàn)表1)。

表1 基層碎石的級(jí)配

通過(guò)伺服作動(dòng)器對(duì)路面結(jié)構(gòu)施加豎向循環(huán)荷載，模擬車輛對(duì)縫隙式透水路面的荷載作用，并以路面的豎向永久變形為指標(biāo)評(píng)價(jià)路面的承載穩(wěn)定性，試驗(yàn)方法見(jiàn)圖2。根據(jù)《城市道路:透水人行道鋪設(shè)》，輕型荷載透水路面采用汽車標(biāo)準(zhǔn)軸載Bzz40，試驗(yàn)過(guò)程中所加循環(huán)荷載采用余弦波形，上限為40 kN，下限取上限的1/10即4 kN，荷載頻率為1 次/s，重復(fù)加載5 000 次，由位移傳感器實(shí)時(shí)采集每次荷載作用下路面的豎向位移。

圖2 豎向循環(huán)加載試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載作用次數(shù)與鋪面豎向變形的關(guān)系

不同空隙率時(shí)碎石基層鋪面豎向變形與荷載作用次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖3～7。從圖3～7可看出：雖然每組碎石基層的空隙率不同，但鋪面結(jié)構(gòu)的豎向變形發(fā)展趨勢(shì)相同。縫隙式透水路面的豎向變形隨著荷載作用次數(shù)的增加而增加，在荷載作用初期，路面豎向變形量增長(zhǎng)速率較高，隨后增加速度逐漸降低。荷載作用次數(shù)從100次增加到500次時(shí)，豎向變形量的平均增長(zhǎng)率為30%；荷載作用次數(shù)由500次增加到1 000次時(shí)，變形量的平均增長(zhǎng)率為25%。荷載作用次數(shù)達(dá)到3 000次時(shí)，鋪面的豎向變形曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著荷載作用次數(shù)的增加，豎向變形的增長(zhǎng)率顯著減小，每千次荷載作用次數(shù)，路面豎向變形的增長(zhǎng)率穩(wěn)定在2%～3%。荷載作用次數(shù)達(dá)到5 000次時(shí)，豎向變形增長(zhǎng)率在1%以內(nèi)，變形增量不超過(guò)0.1 mm，鋪面結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 空隙率15%時(shí)加載次數(shù)與豎向位移的關(guān)系

圖4 空隙率20%時(shí)加載次數(shù)與豎向位移的關(guān)系

圖5 空隙率25%時(shí)加載次數(shù)與豎向位移的關(guān)系

圖6 空隙率30%時(shí)加載次數(shù)與豎向位移的關(guān)系

圖7 空隙率35%時(shí)加載次數(shù)與豎向位移的關(guān)系

縫隙式透水路面鋪筑完成后，各粒料類結(jié)構(gòu)層存在一定的壓實(shí)空間，故在荷載作用初期，路面的豎向變形急劇增加。隨著荷載次數(shù)的增加，豎向變形的增長(zhǎng)速度逐漸減小，表明路面結(jié)構(gòu)層逐漸密實(shí)，整個(gè)鋪面結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。作用次數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，鋪面的豎向變形增長(zhǎng)量已很小，縫隙式透水路面結(jié)構(gòu)已形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)層，面層的“拱效應(yīng)”也已形成，在控制最大載荷不變的情況下，繼續(xù)增加荷載作用次數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響已微乎其微?？梢?jiàn)，實(shí)際施工過(guò)程中保證粒料類結(jié)構(gòu)層一定的壓實(shí)度及填縫材料的密實(shí)度是重中之重。此外，前期車輛荷載的反復(fù)作用使鋪面進(jìn)一步壓實(shí)，路面磚的位置調(diào)整，與填縫材料的嵌擠作用增加，鋪面結(jié)構(gòu)的整體性進(jìn)一步增強(qiáng)，可認(rèn)為縫隙式透水路面初期變形是使整個(gè)路面結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定狀態(tài)所必須的。

2.2 基層空隙率與鋪面豎向變形的關(guān)系

不同基層空隙率與鋪面豎向變形的關(guān)系見(jiàn)圖8。由圖8可知：隨著基層空隙率的增大，縫隙式透水路面的豎向變形增加。基層空隙率分別為15%、20%、35%時(shí)，鋪面的平均豎向變形分別為2.67、3.06和4.02 mm，且碎石基層的空隙率越小，豎向變形曲線的拐點(diǎn)位置越靠前。表明空隙率越小，路面越容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。可見(jiàn)，碎石基層空隙率對(duì)縫隙式透水路面的承載性能有較大影響，在滿足一定儲(chǔ)水能力的前提下，采用空隙率較小的級(jí)配碎石能顯著降低鋪面的豎向變形，提高路面的承載穩(wěn)定性。

圖8 不同基層空隙率與豎向變形的關(guān)系

碎石基層的強(qiáng)度主要由集料形成的骨架結(jié)構(gòu)提供，骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱主要與集料的自身強(qiáng)度及集料間的摩阻力和嵌擠力有關(guān)。根據(jù)Fuller最大密度曲線理論及近年來(lái)常用的逐級(jí)填充理論，當(dāng)粗骨料形成緊密嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)且含有適量的細(xì)集料填充骨架中的間隙時(shí)，所形成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)空隙率最小，密實(shí)度最大。空隙率越小，集料之間接觸點(diǎn)越多，從而能形成良好的嵌擠作用，提供較好的抗變形能力?？障堵手饾u增大時(shí)，骨架結(jié)構(gòu)的可壓縮空間增多，雖然透水性能較優(yōu)但穩(wěn)定性降低，碎石基層的永久變形增大。

3 豎向變形預(yù)估模型

縫隙式透水路面基層的儲(chǔ)水量主要與級(jí)配碎石的空隙率有關(guān)，即如果材料的空隙率為30%，則理論上每100 mm的儲(chǔ)水層可容納30 mm的降水，每100 mm3的基層材料可儲(chǔ)水30 mm3，從水文性能角度考慮，采用大空隙率的級(jí)配碎石基層有利于鋪面的蓄水能力。但從圖8來(lái)看，隨著基層空隙率的增大，鋪面的豎向位移增大，級(jí)配碎石的空隙率對(duì)路面承載穩(wěn)定性有較大影響。

為便于在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)基層材料的空隙率預(yù)估路面的整體豎向變形，評(píng)價(jià)選用的透水材料是否適合實(shí)際需求，在透水路面的水文性能及承載性能兩個(gè)相矛盾的設(shè)計(jì)指標(biāo)上尋找共通點(diǎn)，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，采用SPSS軟件對(duì)基層材料空隙率與鋪面的豎向變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析(見(jiàn)圖9)，得到如下關(guān)系式：

圖9 空隙率與豎向變形的擬合曲線

L=0.065 54P+1.650 7，R2=0.987 34

(1)

式中：L為鋪面的豎向變形量(mm)；P為級(jí)配碎石基層空隙率(%)。

式(1)的相關(guān)系數(shù)為0.987，擬合準(zhǔn)確度較高，豎向位移的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值誤差較小。

4 結(jié)論

(1)縫隙式透水路面的豎向變形隨荷載作用次數(shù)的增加而增加，在加載初期變形增長(zhǎng)較快；加載次數(shù)達(dá)到3 000次時(shí)，路面的豎向變形曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，變形增長(zhǎng)速度逐漸變緩；荷載次數(shù)達(dá)到5 000次時(shí)，路面結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，每加載千次，變形增量不超過(guò)0.1 mm。

(2)縫隙式透水路面的豎向變形隨碎石基層空隙率的增加而增大，基層空隙率越小，豎向變形曲線拐點(diǎn)位置越靠前，路面越容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，路面的承載穩(wěn)定性越高。

(3)建立縫隙式透水路面的豎向變形與碎石基層空隙率之間的數(shù)學(xué)模型，模型計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。