李學(xué)民，盛璐騰，安雪暉，何世欽，張冠方

（1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084；3.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

我國(guó)非常重視城市雨洪問(wèn)題，為了減輕城市排水設(shè)施負(fù)擔(dān)、降低雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，透水鋪裝結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)荷載要求較低的人行步道等道路[1-2]。常規(guī)人行步道的透水鋪裝結(jié)構(gòu)自下而上分為素土墊層、級(jí)配碎石層、透水混凝土層、找平層及面層，承載力設(shè)計(jì)值僅要求達(dá)到3.5～5.0 kPa，屬于Ⅲ型道路，這類人行步道的受力性能一般均能滿足要求，而滲透性能卻較差[3-4]。

本文提出一種改良鋪裝結(jié)構(gòu)：在Ⅲ型道路中增大級(jí)配碎石層的厚度、并采用土工格室對(duì)碎石層進(jìn)行約束加固、同時(shí)完全取代透水混凝土層[5]。由于級(jí)配碎石層孔隙率遠(yuǎn)大于透水混凝土層，改良后鋪裝結(jié)構(gòu)的滲透性能大幅提升，但受力性能可能會(huì)受到一定程度削弱。為了保證改良后鋪裝結(jié)構(gòu)的受力性能仍滿足Ⅲ型道路的需求，針對(duì)幾種改良前后的鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力性能試驗(yàn)研究，得到了承載能力和變形限值均完全滿足Ⅲ型道路要求，且滲透性能優(yōu)越的改良鋪裝方案。改良前后的透水鋪裝結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 兩類透水鋪裝結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Composition of two types of permeable pavement structure

1 受力性能試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)工況

為了研究改良透水鋪裝結(jié)構(gòu)和常規(guī)透水混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的受力性能差異，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的模擬鋪裝，并進(jìn)行了液壓加載試驗(yàn)。考慮土工格室高度與焊距、有無(wú)透水混凝土等因素[6-7]，共設(shè)計(jì)了4 種鋪裝方案，分別是：常規(guī)透水混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，采用高度（焊距）分別為200（445）、150（370）、100（330）的土工格室的3 種改良鋪裝結(jié)構(gòu)。具體鋪裝設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 鋪裝設(shè)計(jì)方案Table 1 Pavement design scheme

1.2 透水鋪裝結(jié)構(gòu)模型

將鋪裝結(jié)構(gòu)鋪筑于模型箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)道路模型制作[8-9]，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)1.2 m、寬1.2 m、高0.7 m 的鋼質(zhì)模型試驗(yàn)箱。試驗(yàn)箱壁外側(cè)采用等邊角鋼豎撐進(jìn)行雙向加固，角鋼截面邊長(zhǎng)為4 cm、截面厚度與模型箱壁厚均為3 mm，鋼質(zhì)模型箱的一側(cè)面板可以打開(kāi)方便出料，另有一側(cè)面板設(shè)有透明有機(jī)玻璃觀察區(qū)，4 個(gè)面板內(nèi)壁均粘貼刻度尺，便于鋪筑過(guò)程中查看各鋪裝層厚度。在模型箱內(nèi)依次按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行素土墊層、級(jí)配碎石基層、透水混凝土層、找平層及透水磚面層的鋪裝。

1.3 試驗(yàn)材料及參數(shù)

鋪裝結(jié)構(gòu)中使用的主要材料及關(guān)鍵性能參數(shù)如下：

1）素土：采用普通種植土，試驗(yàn)測(cè)得的最佳含水率為10.2%，最大干密度為1.89 g/cm3。

2）土工格室：材質(zhì)為聚乙烯，格室片厚度1.0 mm，格室片單位寬度的斷裂拉力245 N/cm，焊接處抗拉強(qiáng)度109 N/cm，極限拉應(yīng)變10%。為增強(qiáng)透水性，選用帶孔的土工格室。

3）級(jí)配碎石：最大粒徑不超過(guò)26.5 mm，小于或等于0.075 mm 顆粒含量不超過(guò)3%，最大干密度為1.87 g/cm3。

4）透水混凝土：設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，水泥標(biāo)號(hào)為P.O42.5，骨料采用粒徑為5～10 mm 的碎石，配合比為：水泥∶碎石∶減水劑∶增強(qiáng)劑∶水=407∶1 720∶10.5∶12.6∶126。

5）找平砂漿：采用干硬性水泥砂漿，水泥標(biāo)號(hào)為P.O42.5，中砂，配合比為：水泥∶砂∶水=1∶6∶0.5。

6）透水磚：采用淄博魯冠鎂鋁耐火材料廠生產(chǎn)的燒結(jié)透水磚，規(guī)格為200 mm×100 mm×50 mm，抗壓強(qiáng)度平均值為50.1 MPa，透水系數(shù)0.664 mm/s。

2 試驗(yàn)

2.1 鋪裝

兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的主要鋪筑流程分別如下：

常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)：1）分層填筑及壓實(shí)素土層；2）分層填筑并夯實(shí)級(jí)配碎石層；3）澆筑透水混凝土層并養(yǎng)護(hù)；4）鋪設(shè)找平層及透水磚。

改良鋪裝結(jié)構(gòu)：1）分層填筑及壓實(shí)素土層；2）張拉、固定土工格室；3）向土工格室內(nèi)填筑碎石并壓實(shí)，土工格室加固層上覆的未加固碎石層需保證同樣的壓實(shí)度；4）鋪設(shè)找平層及透水磚面層。

2.2 加載方案

采用液壓加載方式，通過(guò)剛性承載板施加荷載至鋪裝結(jié)構(gòu)面層[10]。試驗(yàn)對(duì)象為Ⅲ型道路，設(shè)計(jì)承載強(qiáng)度為3.5～5.0 kPa，為了測(cè)試鋪裝結(jié)構(gòu)的承載潛力，最大試驗(yàn)荷載取Ⅰ型道路的設(shè)計(jì)承載力強(qiáng)度（80～100 kPa）上限的2 倍，即200 kPa。終止試驗(yàn)的控制標(biāo)準(zhǔn)有2 個(gè)：1）達(dá)到最大試驗(yàn)荷載強(qiáng)度（200 kPa）；2）相對(duì)沉降量S/D（S為鋪裝結(jié)構(gòu)表層的絕對(duì)沉降量，D為承載板的直徑，試驗(yàn)中為30 cm）超過(guò)0.06，即絕對(duì)沉降量超過(guò)18 mm。經(jīng)換算，最大施加荷載值應(yīng)為18 kN，試驗(yàn)中共分9 級(jí)施加，第1 級(jí)荷載為2 kN，每級(jí)荷載步長(zhǎng)均為2 kN。

2.3 測(cè)試內(nèi)容

1）表層沉降：在透水磚面層中心位置至其中一側(cè)邊緣位置沿直線等間隔布置3 個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，用以測(cè)量結(jié)構(gòu)表層沉降隨荷載的變化及沉降的分布情況，見(jiàn)圖2（a）。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖（mm）Fig.2 Layout of measuring points(mm)

2）基底應(yīng)力：在素土墊層1/4 對(duì)稱區(qū)域，由幾何中心向外呈輻射狀布置7 個(gè)基底應(yīng)力測(cè)點(diǎn)t1—t7，將土壓力計(jì)預(yù)埋于素土墊層表層下5 cm 處，用以測(cè)量基底應(yīng)力隨荷載的變化以及基底應(yīng)力分布情況，測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2（b）。

3）土工格室應(yīng)變：在充分張拉后的土工格室網(wǎng)的1/4 對(duì)稱區(qū)域，由中心向外呈輻射狀布置若干應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)粘貼1 橫1 豎2 個(gè)應(yīng)變片，用H（S）表示，用以測(cè)量土工格室的橫向、豎向應(yīng)變變化，以及土工格室整體應(yīng)變的分布情況。圖2（c）為200（445）型土工格室的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布，為便于作圖，每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置取橫豎2 個(gè)應(yīng)變片的交點(diǎn)處坐標(biāo)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載作用下透水鋪裝結(jié)構(gòu)的表層沉降分析

3.1.1 表層沉降隨加載過(guò)程的變化情況

圖3 為4 種鋪裝結(jié)構(gòu)加載區(qū)域的表層沉降隨荷載的變化情況。

圖3 加載區(qū)域中心處表層沉降變化Fig.3 Variation curves of surface settlement at the center of loading area

從圖3 可以看出：4 種鋪裝結(jié)構(gòu)的加載區(qū)域沉降量均隨荷載增大而緩慢增長(zhǎng)，最大荷載時(shí)，常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)的中心沉降量最小，僅為1.25 mm，其他3 種改良鋪裝結(jié)構(gòu)（200（445）加固型、150（370）加固型、100（330）加固型）的加載區(qū)沉降量分別為2.51 mm、2.96 mm、2.75 mm，說(shuō)明雖然改良后的鋪裝結(jié)構(gòu)抵抗變形能力稍遜于常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)，但即便在2 倍于I 型道路的上限設(shè)計(jì)荷載作用下，改良鋪裝結(jié)構(gòu)的最大沉降仍遠(yuǎn)小于最大沉降量限值18 mm，完全能夠滿足Ⅲ型道路的承載力要求。

需注意，較小規(guī)格的土工格室由于內(nèi)部空間小，施工中易出現(xiàn)格室內(nèi)填料不易壓實(shí)的情況，試驗(yàn)中150（370）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)即出現(xiàn)了此類情況，由于個(gè)別格室內(nèi)的碎石壓實(shí)度不足影響了土工格室的被動(dòng)約束效果，導(dǎo)致150（370）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)的中心沉降反而大于100（330）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)。

3.1.2 表層沉降隨距加載區(qū)域中心距離的變化情況

通過(guò)對(duì)圖4 中表層沉降隨距加載區(qū)域中心距離的變化分析可知：4 種鋪裝結(jié)構(gòu)的表層沉降均隨距加載區(qū)域中心距離的增大而減小；改良鋪裝結(jié)構(gòu)加載區(qū)域中心附近的沉降量雖大于常規(guī)透水鋪裝結(jié)構(gòu)，但在距離加載區(qū)域中心30 cm 以外，2類鋪裝結(jié)構(gòu)的沉降量基本持平；其中200（445）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)加載中心部位的沉降在改良鋪裝中相對(duì)最小為2.51 mm、在距離加載區(qū)域中心60 cm處的表層沉降也大于其他3 種工況，沉降量為0.24 mm，說(shuō)明200（445）加固型改良鋪裝結(jié)構(gòu)的整體性良好，去除混凝土層后雖傳遞應(yīng)力的效果弱于常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)，但在中心區(qū)域承受荷載的情況下仍能有效地將少部分應(yīng)力分散傳遞至道路邊緣部位，且最大相對(duì)沉降量（S/D）仍遠(yuǎn)未達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明改良鋪裝結(jié)構(gòu)在承載性能和抵抗變形能力方面不僅完全可以滿足Ⅲ型道路的要求，并且仍有較大承載潛力。

圖4 荷載為18 kN 時(shí)鋪裝結(jié)構(gòu)表層沉降隨距加載區(qū)域中心距離的變化Fig.4 Variation curves of surface settlement of pavement structure with the distance from the center of loading area under 18 kN load

3.2 荷載作用下透水鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力分析

3.2.1 加載區(qū)域中心基底應(yīng)力隨荷載的變化情況

圖5 反映了加載區(qū)域中心基底應(yīng)力隨著荷載的變化情況。由圖可得：4 種鋪裝結(jié)構(gòu)的加載區(qū)域中心基底應(yīng)力隨著荷載的增大基本呈線性增大，但在兩倍于I 型道路上限荷載作用下，基底應(yīng)力均遠(yuǎn)未達(dá)到I 型道路的相應(yīng)承載強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；當(dāng)荷載達(dá)到18 kN 時(shí)，100（330）和150（370）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)的中心基底應(yīng)力分別達(dá)到37.66 kPa 和40.85 kPa，而200（445）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)的加載區(qū)域中心基底應(yīng)力僅為33.17 kPa，較另2 種鋪裝結(jié)構(gòu)分別削減了13.5%和23.2%；說(shuō)明改良鋪裝結(jié)構(gòu)雖不及常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞能力強(qiáng)，但也能夠比較有效地分散部分基底應(yīng)力。150（370）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)則仍是由于個(gè)別格室內(nèi)填料壓實(shí)度不足的原因，導(dǎo)致其中心基底應(yīng)力反而大于100（330）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)。

圖5 4 種鋪裝結(jié)構(gòu)加載區(qū)域中心基底應(yīng)力變化Fig.5 Variation curves of base stress at the center of loading area of pavement structure

3.2.2 基底應(yīng)力隨距加載區(qū)域中心距離的變化情況

為分析基底應(yīng)力分布規(guī)律，按距加載區(qū)域中心距離由近及遠(yuǎn)選取了t1、t4、t6、t3、t7 五個(gè)測(cè)點(diǎn)，荷載為18 kN 時(shí)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 荷載為18 kN 時(shí)鋪裝結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力隨距加載區(qū)域中心距離的變化Fig.6 Variation curves of base stress of pavement structure with the distance from the center of loading area under 18 kN load

圖6 顯示：4 種鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力均隨距加載區(qū)域中心距離的增大而減小，常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)由于透水混凝土層的整體剛度較大，基底應(yīng)力分布相對(duì)更小也更均勻；3 種改良鋪裝結(jié)構(gòu)中，200（445）型鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力分布較另外兩種規(guī)格土工格室加固鋪裝結(jié)構(gòu)更均勻些，說(shuō)明其對(duì)荷載的分散與傳遞能力更優(yōu)。

3.3 荷載作用下基層土工格室的應(yīng)變分析

3.3.1 土工格室應(yīng)變隨荷載的變化情況

圖7 為200（445）型土工格室加固鋪裝結(jié)構(gòu)的橫向與豎向格室壁應(yīng)變隨荷載的變化情況，少數(shù)位于加載區(qū)域中心附近的應(yīng)變片在沖擊夯實(shí)過(guò)程中發(fā)生損壞，分析中不再處理。

圖7 200（445）型改良鋪裝結(jié)構(gòu)中土工格室應(yīng)變隨荷載的變化Fig.7 Variation curves of geocell strains with load in 200(445)improved pavement structure

圖中顯示：改良鋪裝結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)變基本均為拉應(yīng)變，豎向應(yīng)變基本均為壓應(yīng)變，與其預(yù)期受力方向一致，其值均隨荷載增大而增大；橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變出現(xiàn)個(gè)別與預(yù)期受力方向相反的微量應(yīng)變，原因是土工格室為柔性材料，在碎石填充與壓實(shí)過(guò)程中，個(gè)別位于邊緣的格室可能會(huì)發(fā)生扭曲，從而引起局部應(yīng)力的異常變化，但無(wú)論拉壓，應(yīng)變值均不大，遠(yuǎn)低于土工格室片材的極限拉伸應(yīng)變（10%），說(shuō)明土工格室依然處于正常工作狀態(tài)。其他2 種改良鋪裝結(jié)構(gòu)的土工格室應(yīng)變規(guī)律與之類似。

3.3.2 土工格室應(yīng)變隨加載區(qū)域中心距離的變化情況

3 種改良鋪裝結(jié)構(gòu)的土工格室橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變規(guī)律均較為相似。圖8 顯示了150（370）型改良鋪裝結(jié)構(gòu)的土工格室橫向和豎向應(yīng)變分布情況?？梢钥闯觯?）2 個(gè)方向應(yīng)變絕對(duì)值均隨距加載區(qū)域中心距離的增大而減??；2）即便在鋪裝邊緣處，土工格室仍出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)變，說(shuō)明土工格室對(duì)碎石基層有明顯約束作用，提升了碎石基層的整體性，有效地將應(yīng)力分散到遠(yuǎn)離加載區(qū)域的邊緣位置；3）試驗(yàn)中的最大橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變均出現(xiàn)在150（370）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)中，分別為0.18%和0.15%，但仍遠(yuǎn)未及土工格室的極限拉伸應(yīng)變（10%）。

圖8 150（370）型改良鋪裝結(jié)構(gòu)土工格室應(yīng)變隨距加載區(qū)域中心距離的變化Fig.8 Variation curves of geocell strains with the distance from the center of loading area in 150(370)improved pavement structure

上述分析表明，土工格室能夠顯著提升碎石基層的整體抵抗變形能力，即便荷載已達(dá)到Ⅰ型道路的最大設(shè)計(jì)荷載的2 倍，土工格室仍處于較低應(yīng)力狀態(tài)，依然能夠提供強(qiáng)大的約束力，一定程度上避免了碎石基層出現(xiàn)因應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生局部塌陷的病害。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的試驗(yàn)研究可得出以下主要結(jié)論：

1）去除透水混凝土層后，改良鋪裝結(jié)構(gòu)的承載性能雖然不及常規(guī)透水混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，但試驗(yàn)中依然能夠滿足2 倍于Ⅰ型道路設(shè)計(jì)荷載下的承載能力和變形限值的要求，表明本文提出的改良鋪裝結(jié)構(gòu)完全可以勝任應(yīng)用于人行步道等Ⅲ型道路。

2）200（445）型土工格室加固級(jí)配碎石基層的改良鋪裝結(jié)構(gòu)，在荷載作用下的表層沉降分布與基底應(yīng)力分布較100（330）和150（370）加固型鋪裝結(jié)構(gòu)的更加均勻，且更能夠有效削減表層中心沉降和加載區(qū)域中心的集中應(yīng)力，說(shuō)明200（445）加固型土工格室可以更有效地約束碎石基層，更適合用于此類改良加固鋪裝結(jié)構(gòu)。

3）采用土工格室加固級(jí)配碎石基層并取代透水混凝土層的改良鋪裝方式，既保證了鋪裝結(jié)構(gòu)承載力滿足Ⅲ型道路的需求，又有效提升了道路的滲透性能，并且省卻了混凝土拌合、養(yǎng)護(hù)等工序，可以大幅縮短工期減少環(huán)境污染，具有極大的社會(huì)效益和環(huán)境效益。