李滄江

摘要 文章介紹混凝土連鎖砌塊路面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基層永久形變深度計(jì)算、基層底面的彎拉應(yīng)力計(jì)算、相關(guān)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的允許取值范圍、設(shè)計(jì)控制、設(shè)計(jì)過程等一系列砌塊路面設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)，并通過案例設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)技術(shù)的工程適用性。相關(guān)技術(shù)點(diǎn)可為混凝土連鎖砌塊路面的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用提供設(shè)計(jì)技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 路面結(jié)構(gòu)；連鎖型；混凝土砌塊；設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào) U655.56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0075-03

0 引言

混凝土連鎖砌塊是由混凝土澆筑而成的立方體單元結(jié)構(gòu)組合，廣泛應(yīng)用于路面鋪筑。其單元立方體或者兩端設(shè)有凸凹咬合連鎖結(jié)構(gòu)，或者借助砂墊層粘固形成一體化組合結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、適合軟基礎(chǔ)改造應(yīng)用、耐久性好、成本造價(jià)低、鋪筑和維修方便等優(yōu)勢，廣泛運(yùn)用于重丘軟基區(qū)公路、鄉(xiāng)村公路、橋頭過渡段、挖填交界、高填方路段、港區(qū)堆場道路、城市人行道等工程中。

研究表明，在混凝土連鎖砌塊路面遭受破壞的過程中，路面抗滑性能下降、接縫的張開、砌塊間相對位移及塊損壞等破壞與路面工程結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不大，而在連鎖砌塊路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格控制路面永久形變、半剛性基層底面的疲勞開裂等控制參數(shù)，經(jīng)公式計(jì)算和按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，即可達(dá)到工程設(shè)計(jì)預(yù)期。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算

1.1 基層永久形變深度的計(jì)算

級(jí)配碎石基連鎖砌塊路面的永久形變深度之與砌塊厚度、車輛作用次數(shù)及所引起的路面彎沉間的回歸公式如下：

式中，h——砌塊的厚度（cm）；l——一次軸載作用的回彈彎沉（mm）；Nm——對應(yīng)l的軸載累計(jì)作用次數(shù)；C——砌塊厚度為8 cm、10 cm、12 cm所對應(yīng)的C值，分別為1.17、1.25、1.34。有了上述公式，根據(jù)設(shè)計(jì)周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)次數(shù)與路面的允許永久形變深度要求，通過有限元模擬計(jì)算路面結(jié)構(gòu)的彎沉值，即可設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)的組合厚度[1]。

1.2 基層底面的彎拉應(yīng)力計(jì)算

基層底面的彎拉應(yīng)力計(jì)算采用2階段設(shè)計(jì)方法。

第1階段：疲勞壽命由基層底部的疲勞彎拉應(yīng)力控制。因?yàn)樵撾A段的疲勞壽命與基層底部發(fā)生的彎拉應(yīng)力有關(guān)，所以根據(jù)公式（1）進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。

第2階段：疲勞壽命由基層開裂的永久形變深度控制。因?yàn)樵撾A段疲勞壽命跟路面撓度有關(guān)，則需要計(jì)算基層彎拉應(yīng)力與等厚集料路面基層的彎沉，從而分析2個(gè)階段的抗疲勞標(biāo)準(zhǔn)軸次之間的關(guān)系。

式中，[σ]——半剛性基層的彎拉應(yīng)力容許值；σs——基層材料抗彎拉的極限強(qiáng)度；Nm——標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)；Kd——?jiǎng)雍上禂?shù)，一般取值1.05。根據(jù)公式（2）則可以得出： （3）

將前述半剛性基層的底面彎拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果代入公式（4），計(jì)算第1階段標(biāo)準(zhǔn)軸載作用于路面的次數(shù)Nm-σ，然后將路面彎沉的計(jì)算結(jié)果代入公式（1），計(jì)算第2階段標(biāo)準(zhǔn)軸載作用于路面的次數(shù)，所得結(jié)果見表2所示[2]。

表2數(shù)據(jù)顯示，2階段設(shè)計(jì)法與只考慮基礎(chǔ)開裂破壞的1階段設(shè)計(jì)法有很大區(qū)別。比如在連鎖砌塊厚度10 cm、基層厚度18 cm、土基模量45 MPa的條件下，采取1階段設(shè)計(jì)方法時(shí)，路面的標(biāo)準(zhǔn)軸次接近49萬次，而如果采用2階段設(shè)計(jì)時(shí)，則標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)可達(dá)101萬次。

2階段設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)過程如下：第1階段，以基底部的彎拉應(yīng)力低于允許彎拉應(yīng)力作為控制指標(biāo)。如果計(jì)算結(jié)果令人滿意，第2階段則以標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計(jì)數(shù)作為檢查永久形變深度是否低于允許深度的檢查指標(biāo)。如果檢查結(jié)果合格，則設(shè)計(jì)滿足要求。

2 允許控制指標(biāo)

連鎖砌塊路面的永久形變?nèi)菰S深度可為30～40 mm。半剛性基層材料的抗彎拉極限強(qiáng)度σs應(yīng)由試驗(yàn)確定。如果試驗(yàn)條件不具備，無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定細(xì)粒料基層的抗彎拉強(qiáng)度可取0.4 MPa，無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定粗粒料基層的抗彎拉強(qiáng)度可取0.60 MPa。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)控制

連鎖砌塊路面設(shè)計(jì)可參考柔性路面設(shè)計(jì)方法，并適當(dāng)參考材料、地質(zhì)、交通要求和環(huán)境特點(diǎn)等情況，開展綜合設(shè)計(jì)。在柔性路面AASHTO設(shè)計(jì)方法中，其設(shè)計(jì)控制方程如下：

（5）

式中，EALs——80 kN單軸等效荷載在設(shè)計(jì)周期內(nèi)的累計(jì)作用次數(shù)；FR——設(shè)計(jì)的安全性水平；SN——路面的結(jié)構(gòu)系數(shù)；p0——初始服務(wù)性能；pt——最終服務(wù)性能；MR——土基的有效回彈模量。

3.2 設(shè)計(jì)過程

連鎖砌塊路面的4個(gè)主要設(shè)計(jì)控制變量[3]包括環(huán)境條件、交通量計(jì)算、土基模量確定、計(jì)算結(jié)構(gòu)層厚度。具體設(shè)計(jì)過程如下所述。

3.2.1 環(huán)境條件

環(huán)境條件對路面性能的影響較大，濕度會(huì)降低土質(zhì)和自由顆粒材料的強(qiáng)度，從而影響路面的載承性能。濕度造成一些土質(zhì)凍脹。溫度也影響路面載承性能，特別是存在瀝青穩(wěn)定層時(shí)，其影響則更加明顯。低溫與濕度共同作用，會(huì)造成融凍破壞。冰凍情況下水膨脹會(huì)導(dǎo)致材料凍脹。凍融循環(huán)會(huì)降低材料強(qiáng)度。這些有害影響可以通過路面除潮濕、改善土質(zhì)或選擇環(huán)境敏感度低的材料給予控制或消除。連鎖砌塊路面濕度與排水設(shè)計(jì)參數(shù)見表3所示。

3.2.2 交通量計(jì)算

設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的交通量是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)控制因素。在大多數(shù)設(shè)計(jì)方案中，與交通量相關(guān)的參數(shù)包括車道分布系數(shù)、方向分離系數(shù)、增長率和交通量。在設(shè)計(jì)過程中，交通量用累計(jì)軸載EALs表示，其計(jì)算公式如下：

式中，n——設(shè)計(jì)年限；i——交通量增長率；LF——車道分布系數(shù)；ADT——上下行2個(gè)方向上的日平均交通量；EAL0——初期每百輛車的EAL量；DS——方向分布率。

道路級(jí)別和車輛分類見表4～5所示。各道路級(jí)別的典型日平均交通量與車道分布系數(shù)關(guān)系見表4。典型城鄉(xiāng)道路的車輛分布、車輛損壞系數(shù)與EAL0關(guān)系見表5所示。此外默認(rèn)設(shè)計(jì)年限為20年，交通增長率為4%，方向分隔系數(shù)為50%。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以從國家、省、地方的交通數(shù)據(jù)中獲得具體數(shù)值。

式中，F(xiàn)R——可靠性設(shè)計(jì)因素，F(xiàn)R≥1，可靠性程度越高該值越大；s0——標(biāo)準(zhǔn)差；zr——標(biāo)準(zhǔn)正常差[4]。

在柔性路面中，s0在0.30～0.50中取值；在剛性路面中，s0在0.30～0.40中取值；在連鎖砌塊路面中，s0一般取值0.45。其可靠性設(shè)計(jì)系數(shù)FR見表6。對應(yīng)道路級(jí)別的可靠性水平見表4。

3.2.3 土基模量確定

土質(zhì)強(qiáng)度是路面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，有許多方法可以用來確定這個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)，比如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的；試驗(yàn)室測試的；基于土質(zhì)類型與土質(zhì)強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行設(shè)計(jì)的等等。

該設(shè)計(jì)方法則用USCS或AASHTO土質(zhì)分類體系來表征土基設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在沒有其他信息的情況下，使用土質(zhì)類型與強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)性來評價(jià)界定土基強(qiáng)度。

3.2.4 計(jì)算結(jié)構(gòu)層厚度

（1）關(guān)于服務(wù)性。初始p0代表施工后路面的服務(wù)性表達(dá)值。由于連鎖砌塊路面數(shù)據(jù)不足，推薦值為4.00。最終pt表示路面大修前允許的最低服務(wù)性表達(dá)值。所有級(jí)別的筑塊路面的服務(wù)性表達(dá)值建議值取2.50。

（2）根據(jù)得到的土基強(qiáng)度與EAL設(shè)計(jì)值，將相關(guān)參數(shù)代入公式（5），獲得結(jié)構(gòu)SN系數(shù)值。結(jié)構(gòu)承載力SN表達(dá)：

（9）

式中，ai——代表材料第i層的層間系數(shù)；tn——代表材料第n層的層間厚度。

4 案例設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)研究以某城市商業(yè)街的雙車道連鎖砌塊路面鋪裝設(shè)計(jì)為例。路面修建在砂土上，按USCS土質(zhì)分類，屬于ML土質(zhì)。根據(jù)掌握的土質(zhì)特點(diǎn)和氣候數(shù)據(jù)，路面預(yù)測將達(dá)到>25%飽和度的濕度水平，屬于排水非常好的情況。設(shè)計(jì)中缺乏詳細(xì)交通數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)考慮了融凍影響。使用以下基層材料：瀝青處治基層，其模量為2 410 MPa；粒料類基層，其模量為310 MPa；粒料底基層，其模量95 MPa。設(shè)計(jì)一定要包括基層，但不一定包括底基層。設(shè)計(jì)過程如下：

第1步：建立濕度與排水條件。如上所述，路面預(yù)測將達(dá)到>25%飽和度的濕度水平，屬于排水非常好的情況。

第2步：進(jìn)行EAL計(jì)算。由于設(shè)計(jì)中缺乏詳細(xì)交通數(shù)據(jù)，則參考表4～6的建議值，梳理出n=20，i=4%，EAL0=3.841，ADT=2000，F(xiàn)R=2.010，LF=100%，DS=50%等參數(shù)，通過公式計(jì)算，獲得交通量設(shè)計(jì)值為839 089 EALs。

第3步：確定獲得土基模量。按USCS土質(zhì)分類，確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。參考USCSML土質(zhì)，在給定的濕度與排水條件下，土基設(shè)計(jì)模量選擇52 MPa。由于考慮融凍作用，最終確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度值采取31 MPa標(biāo)準(zhǔn)。

第4步：墊層砂和連鎖砌塊參數(shù)選擇。由于交通量≤2 000 000 EALs，決定采取25 mm墊層砂和80 mm連鎖砌塊。

第5步：AASHTO層系數(shù)。利用已知的材料模量，通過ai系數(shù)，可以確定AASHTO層系數(shù)：砌塊層與墊層砂組合層系數(shù)0.44；顆粒基層系數(shù)為0.14；瀝青處理基層系數(shù)為0.30；自由顆粒底基層系數(shù)為0.08；根據(jù)濕度和排水條件調(diào)整粒料基層與底基層的ai值，等等。

第6步：確定基層的厚度，并對基底層厚度進(jìn)行修正計(jì)算。案例設(shè)計(jì)最終確定粒料基層最終厚度為265 m，瀝青處理基層最終厚度為130 mm。

第7步，結(jié)果校核。參考所用材料特性和設(shè)計(jì)計(jì)算獲得的參數(shù)結(jié)果，開展有限元模擬分析。模擬結(jié)果顯示，案例連鎖砌塊路面在單一載荷下的彎沉值為1.11 mm，瀝青處理基層路面通過彎沉進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)公式（1）計(jì)算得知，路面的永久形變DR值為32.5 mm<[DR]，顯示該連鎖砌塊路面滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

該文開展了混凝土連鎖砌塊路面的設(shè)計(jì)技術(shù)研究。①梳理分析了不同基層類型的連鎖砌塊路面設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。②闡述采用瀝青處治碎石或者級(jí)配碎石基層時(shí)，可以將路面永久形變作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)；當(dāng)采用混合無機(jī)結(jié)合料基層時(shí)，連鎖砌塊路面可分2個(gè)階段實(shí)施設(shè)計(jì)，第1階段選擇底面彎拉應(yīng)力為主要設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，第2階段選擇粒料基層的永久形變深度為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。該設(shè)計(jì)控制方式基于無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定集料的底面發(fā)生彎拉損壞時(shí)，粒料基層仍能夠繼續(xù)發(fā)揮結(jié)構(gòu)功效這一特點(diǎn)，更利于有效應(yīng)對混凝土砌塊路面的破壞因素。③圍繞環(huán)境、交通、土質(zhì)、材料等影響因素，闡述設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的允許取值范圍及計(jì)算方法。④梳理了混凝土連鎖砌塊路面的設(shè)計(jì)步驟，并以案例設(shè)計(jì)應(yīng)用及該設(shè)計(jì)的有限元模擬測試結(jié)果，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)技術(shù)的適用性。

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