李月光,孫 強(qiáng),周冰清

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,湖北 武漢 430061)

0 引 言

預(yù)制塊路面在人行道和城市廣場、農(nóng)村公路和城市道路、港口碼頭堆場等場合應(yīng)用廣泛。預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)的特殊性在于其面層和砂墊層,在荷載垂直作用下,預(yù)制塊塊體間相互擠壓,預(yù)制塊與接縫砂和砂墊層三者形成一個整體共同受力[1],達(dá)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(yù)制塊路面的這種特殊結(jié)構(gòu),預(yù)制塊路面的平整度不高,在行車荷載長期作用下,容易出現(xiàn)塊體松散、斷裂,接縫砂流失等病害[2]。

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

1 預(yù)制塊路面承載機(jī)理分析

預(yù)制塊路面在荷載作用下,砂墊層會被壓密產(chǎn)生豎向位移,預(yù)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(jié)構(gòu),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(yīng)力,使預(yù)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(yù)制塊路面的嵌擠效應(yīng)。嵌擠效應(yīng)是預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)受力的主要特點,而當(dāng)豎向荷載逐漸增大,預(yù)制塊間接縫的剪應(yīng)力達(dá)到了最大,預(yù)制塊間發(fā)生豎向滑移,此時,預(yù)制塊路面的路表彎沉值迅速增大,將結(jié)構(gòu)受力傳遞到下面的基層或底基層。當(dāng)基層為級配碎石柔性基層時,土基頂面壓應(yīng)變超過結(jié)構(gòu)容許壓應(yīng)變,預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞;當(dāng)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(yīng)力達(dá)到容許彎拉應(yīng)力,預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破環(huán)[4]。

對于新型底部槽型預(yù)制塊路面,需要關(guān)注的是預(yù)制塊底部開槽的特殊構(gòu)造,在預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)受力時,是否對預(yù)制塊路面的嵌擠效應(yīng)有所幫助,從而改善預(yù)制塊路面的力學(xué)性能[5]。分析認(rèn)為,底部開設(shè)的凹槽使預(yù)制塊和墊層砂能夠更好的結(jié)合在一起,當(dāng)預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下形成嵌擠效應(yīng)時,預(yù)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(yù)制塊間無法分離,這種底部開槽的結(jié)構(gòu)實際上是加強(qiáng)了路緣石和砂墊層的約束作用,從而使嵌擠效應(yīng)更牢固。

王火明等[6-8]對預(yù)制塊路面進(jìn)行了較多的室內(nèi)結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(dá)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(rèn)為預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)達(dá)到了承載力極限狀態(tài),荷載-彎沉曲線與預(yù)制塊路面承載機(jī)理有很好的對應(yīng),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(yīng)的拐點彎沉即為臨界彎沉(L)。

筆者通過室內(nèi)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(yù)制塊類型、不同基層類型等各種工況下,預(yù)制塊路面的路表彎沉和達(dá)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(yù)制塊路面的力學(xué)性能。

2 試驗準(zhǔn)備

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

圖1 預(yù)制塊構(gòu)造Fig. 1 Structure of precast block

圖2 預(yù)制塊實際構(gòu)造Fig. 2 Actual structure of precast block

室內(nèi)承載板法是利用液壓千斤頂作用在反力架上,對預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗。試驗時筆者在預(yù)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(shù)值。試驗研究基層類型、砂墊層厚度、砂墊層類型和預(yù)制塊類型對預(yù)制塊路面路表彎沉值的影響。預(yù)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(lián)鎖預(yù)制塊和底部槽型聯(lián)鎖預(yù)制塊。

2.1 試驗概況

本試驗是在室內(nèi)一個100 cm×100 cm×60 cm的木箱里進(jìn)行的,木箱外進(jìn)行加固,以保證在荷載垂直加載時,預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)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(yù)制塊尺寸為230 mm×115 mm,厚度為60 mm。安裝預(yù)制塊面層時,控制預(yù)制塊塊體間接縫統(tǒng)一為3～5 mm,預(yù)制塊鋪筑方式為編織式,即不考慮塊間接縫和預(yù)制塊鋪筑方式對預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)承載力的影響,試驗路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

試驗所用路基土為砂性土,其顆粒級配見表1,根據(jù)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(jìn)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(jìn)行級配碎石基層的各種工況的預(yù)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(yù)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(biāo)號為42.5等級的普通硅酸鹽水泥,根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)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(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.33 MPa。

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

預(yù)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(yù)制塊路面墊層砂和接縫砂的顆粒級配應(yīng)符合JTS 168—2017《港口道路與堆場設(shè)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(jìn)行各工況下預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)承載力試驗時,要注意處理好砂墊層、接縫砂和預(yù)制塊面層,以免影響試驗結(jié)果。砂墊層在鋪筑時,應(yīng)當(dāng)攤鋪均勻,避免出現(xiàn)不水平的現(xiàn)象,從而影響預(yù)制塊面層的鋪筑。在預(yù)制塊面層鋪筑完成后,對松散的砂墊層進(jìn)行第1次振壓,使砂墊層與預(yù)制塊面層緊密接觸,特別是對于底部槽型預(yù)制塊,要讓墊層砂充分填進(jìn)預(yù)制塊底部的凹槽中。之后,在預(yù)制塊面層上均勻撒鋪接縫砂,用毛刷將砂掃進(jìn)預(yù)制塊塊體間的接縫中,然后進(jìn)行第2次振壓,確保接縫砂、預(yù)制塊、墊層砂緊密接觸,形成一個整體。

在預(yù)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(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)的彎沉值(0.01 mm)。液壓千斤頂加載時,應(yīng)先對各類工況下預(yù)制塊面層進(jìn)行預(yù)壓,使預(yù)制塊路面各結(jié)構(gòu)層之間的相互作用更加緊密,然后進(jìn)行各工況下預(yù)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(yīng)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(yīng)下百分表的數(shù)值,即為不同荷載等級時預(yù)制塊路面的彎沉值。

4 結(jié)果與討論

預(yù)制塊路面的結(jié)構(gòu)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(yīng)的預(yù)制塊路面的彎沉值。試驗結(jié)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(lián)鎖預(yù)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(xiàn)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(yù)制塊路面達(dá)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(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)的嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)破環(huán),預(yù)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(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)從第2階段到達(dá)第3階段的拐點處,可以認(rèn)為預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能達(dá)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(yù)制塊路面力學(xué)性能。因此,統(tǒng)一選取0.8 MPa荷載對應(yīng)的預(yù)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(yù)制塊路面的臨界彎沉值見表6、表7。

表6 級配碎石基層預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)制塊路面路表彎沉的影響,在預(yù)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(yù)制塊路面,應(yīng)著重考慮基層對預(yù)制塊路面力學(xué)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(nóng)村公路、城市道路和港口碼頭堆場等交通量較大的場合,應(yīng)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(yù)制塊底部開槽的特殊構(gòu)造可以使預(yù)制塊與砂墊層充分接觸,因此在研究底部槽型預(yù)制塊路面的力學(xué)性能時,要優(yōu)先考慮砂墊層對底部槽型預(yù)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(jìn)行預(yù)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(jìn)行30 mm和50 mm兩種厚度的預(yù)制塊路面垂直加載試驗,級配碎石基層試驗結(jié)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(yīng)分層振搗壓實,之后進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)完成后重復(fù)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(yù)制塊類型時預(yù)制塊路面的垂直加載試驗,試驗結(jié)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(yù)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(lián)鎖預(yù)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(yù)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(yù)制塊類型,改變30 mm砂墊層的厚度為50 mm時,預(yù)制塊路面的彎沉值有明顯的變化,說明砂墊層厚度對預(yù)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(yīng)提升幅度為6.0%～76.5%,即50 mm砂墊層厚度對應(yīng)的預(yù)制塊路面臨界彎沉值L明顯大于30 mm時。可以認(rèn)為當(dāng)增大砂墊層厚度時,路表彎沉值增大,預(yù)制塊路面承載能力出現(xiàn)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(yù)制塊路面力學(xué)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(yù)制塊路面,再結(jié)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(jié)論:不論是不同基層類型,還是不同預(yù)制塊類型,摻入30%碎石砂墊層的預(yù)制塊路面路表彎沉值相比普通砂墊層的預(yù)制塊路面都出現(xiàn)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(yù)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(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)形成嵌擠穩(wěn)定狀態(tài)時,摻入30%碎石的砂墊層與預(yù)制塊和接縫砂之間的相互作用更穩(wěn)固,預(yù)制塊路面力學(xué)性能得到了改善。

4.4 預(yù)制塊類型對承載力的影響

為了定量分析不同預(yù)制塊類型時預(yù)制塊路面的力學(xué)性能,選用臨界彎沉值L(0.01 mm)來評價,試驗數(shù)據(jù)結(jié)果見表8。

表8 不同類型預(yù)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(dāng)預(yù)制塊類型從聯(lián)鎖預(yù)制塊IB變?yōu)榈撞坎坌皖A(yù)制塊USB時,大多數(shù)工況下預(yù)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(yù)制塊USB路面的臨界彎沉值L相比聯(lián)鎖預(yù)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(jié)果證明了一開始的假設(shè),即預(yù)制塊底部開槽的特殊構(gòu)造可以有效增強(qiáng)預(yù)制塊路面的嵌擠效應(yīng),降低路表彎沉值,改善預(yù)制塊路面的力學(xué)性能。

5 結(jié) 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(yù)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(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高。但水泥穩(wěn)定碎石等半剛性基層類路面結(jié)構(gòu)比級配碎石等柔性基層類路面結(jié)構(gòu)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(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)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(yù)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(yīng)的預(yù)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(jié)構(gòu)其他因素相同的情況下,當(dāng)增大砂墊層厚度時,預(yù)制塊路面的承載能力出現(xiàn)了降低。

3)對于文中試驗研究的幾種基層類型和預(yù)制塊類型,在砂墊層中摻入30%相應(yīng)級配的碎石,摻入30%碎石砂墊層的預(yù)制塊路面臨界彎沉值L相比普通砂墊層的預(yù)制塊路面出現(xiàn)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(yù)制塊路面的力學(xué)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(yù)制塊USB路面的臨界彎沉值L相比聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面提高了32.6%,其余各工況下預(yù)制塊路面的臨界彎沉值L降低了5.6%～36.6%。即底部槽型預(yù)制塊USB路面的結(jié)構(gòu)承載力要優(yōu)于聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面。