基層加固透水人行步道受力性能試驗(yàn)研究

李學(xué)民， 孫敬文， 安雪暉， 宋小軟， 張冠方

（1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100000； 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）

我國城市雨洪災(zāi)害問題突出，為了有效減輕城市雨洪排水設(shè)施的負(fù)擔(dān)、降低城市雨洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，具有高滲透性能的以級配碎石作為主要基層的透水鋪裝結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于設(shè)計(jì)荷載要求較低的道路［1-3］. 但級配碎石層由松散材料壓實(shí)而成，整體受力性能較弱，在較大荷載作用下容易局部塌陷變形從而導(dǎo)致路面出現(xiàn)錯(cuò)臺、隆起等病害，若能對級配碎石層進(jìn)行整體加固則可有效避免此類病害發(fā)生［4-6］.

常規(guī)人行步道的鋪裝結(jié)構(gòu)自下而上分為素土墊層、級配碎石層、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，一般人行步道的受力性能均能滿足要求，但滲透性能卻較差［7-10］. 本文提出在Ⅲ型道路中增厚級配碎石層，并采用土工格室對碎石層進(jìn)行柔性約束，同時(shí)取代透水混凝土層的改良鋪裝結(jié)構(gòu)，在有效提升道路滲透性能的同時(shí)，保證鋪裝結(jié)構(gòu)的受力性能仍滿足Ⅲ型道路的需求［11］. 為了研究改良后透水鋪裝結(jié)構(gòu)的可行性，進(jìn)行了實(shí)際道路鋪裝試驗(yàn)及受力性能研究［12-16］.

1 現(xiàn)場工程概況

現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省濟(jì)南市章丘區(qū)全民健身中心，該項(xiàng)目的休閑廣場、健身人行步道、球類運(yùn)動場地、娛樂活動等區(qū)域均采用透水鋪裝結(jié)構(gòu)，屬于Ⅲ型道路. 圖1為章丘全民健身中心規(guī)劃平面圖，經(jīng)現(xiàn)場研究考察，決定選取靠近全民健身中心西門附近的健身人行步道區(qū)域進(jìn)行鋪裝試驗(yàn). 人行步道寬3 m，道路試驗(yàn)區(qū)域長約15 m，在此區(qū)域內(nèi)選取相鄰的兩塊3 m×5 m的區(qū)域分別進(jìn)行改良透水鋪裝結(jié)構(gòu)和常規(guī)透水混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的鋪筑試驗(yàn).

圖1 章丘全民健身中心規(guī)劃平面圖Fig.1 Plane layout of Zhangqiu national fitness centre

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 鋪裝方案設(shè)計(jì)

兩類鋪裝的結(jié)構(gòu)層總厚度一致，具體鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖2.

圖2 兩類透水鋪裝結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Compositions of two types of permeable pavement structures

常規(guī)透水鋪裝結(jié)構(gòu)采用的是現(xiàn)場實(shí)際工程的原設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)組成自下而上分別是：①素土墊層；②150 mm級配碎石層；③100 mm C25透水混凝土層；④30 mm干硬性水泥砂漿找平層；⑤50 mm透水磚面層.

改良透水鋪裝結(jié)構(gòu)采用的是通過前期實(shí)驗(yàn)室研究優(yōu)選出的一種鋪裝方案，結(jié)構(gòu)組成自下而上分別是：①素土墊層；②250 mm土工格室加固級配碎石基層（其中土工格室高200 mm，焊距400 mm，具體材料參數(shù)見2.2小節(jié)，上覆碎石保護(hù)層50 mm）；③30 mm干硬性水泥砂漿找平層；④50 mm透水磚面層.

2.2 材料及參數(shù)

鋪裝結(jié)構(gòu)使用的主要材料包括素土、土工格室、級配碎石、透水混凝土、找平砂漿、透水磚，主要性能參數(shù)如下：①素土：采用現(xiàn)場原土. ②土工格室：材質(zhì)為聚乙烯，格室高度200 mm、焊距400 mm，片材厚度1.0 mm，格室壁上分布有10 mm直徑的透水孔，格室片單位寬度的斷裂拉力為245 N/cm，焊接處抗拉強(qiáng)度109 N/cm，極限拉應(yīng)變0.1. ③級配碎石：最大粒徑不超過26.5 mm，小于或等于0.075 mm 顆粒含量不超過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∶1720∶10.5∶12.6∶126，實(shí)測7 d 抗壓強(qiáng)度為18.5 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度為28.0 MPa. ⑤找平砂漿：采用干硬性水泥砂漿，水泥仍采用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.

2.3 施工流程

兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的主要鋪筑流程分別簡述如下，施工流程如圖3所示.

圖3 鋪裝施工流程圖Fig.3 Paving construction flow chart

常規(guī)透水鋪裝結(jié)構(gòu)：①開挖路槽及清理基底；②分層填筑并壓實(shí)素土墊層；③分層填筑并夯實(shí)級配碎石層；④澆筑透水混凝土層；⑤鋪設(shè)找平層及透水磚.

改良透水鋪裝結(jié)構(gòu)：①開挖路槽及清理基底；②分層填筑并壓實(shí)素土墊層；③張拉并固定土工格室；④向土工格室內(nèi)填筑級配碎石并壓實(shí)，土工格室加固層上覆的未加固碎石層需保證同樣壓實(shí)度；⑤鋪設(shè)找平層及透水磚.

施工中采用SVH80C 型手扶雙鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，每層壓實(shí)度均應(yīng)達(dá)到93%以上.

2.4 加載方案

為模擬人行步道實(shí)際使用過程中行人持續(xù)穿行的工作狀態(tài)，現(xiàn)場加載采用重物堆載法施加等效均布荷載［17-19］. 為避免荷載過大損壞道路，最大試驗(yàn)荷載取Ⅲ型道路最大設(shè)計(jì)承載力（3.5～5.0 kPa）上限的1.2倍［20-22］，即最大試驗(yàn)荷載強(qiáng)度為6.0 kPa. 試驗(yàn)荷載分六級施加，第一級荷載強(qiáng)度為1.0 kPa，每一級荷載強(qiáng)度增量為1.0 kPa.

兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的重物堆載均在劃定的加載區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)加載區(qū)域均由6個(gè)1 m×1 m的加載區(qū)格組成，為避免出現(xiàn)拱效應(yīng)，相鄰加載區(qū)格之間留有15 cm的間距. 試驗(yàn)使用沙袋作為重物進(jìn)行人工堆載，每個(gè)沙袋重25 kg，每級荷載需要加堆4個(gè)沙袋. 每個(gè)加載區(qū)格的堆載需同步進(jìn)行，每一級荷載施加完畢后持荷10 min. 圖4、圖5分別為加載區(qū)格及重物堆載圖片.

圖4 加載區(qū)格（黃線區(qū)域）Fig.4 Loading compartment（yellow line area）

圖5 重物堆載Fig.5 Heavy loading

2.5 測試方案

為了測試人行步道在荷載作用下的受力性能，分別在兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層下方預(yù)埋了土壓力計(jì)，用以測量基底應(yīng)力隨荷載的變化及基底應(yīng)力分布情況，并在改良方案的土工格室壁上粘貼了若干應(yīng)變片，用以測量土工格室在荷載作用下的橫向、豎向應(yīng)變變化及應(yīng)變的分布情況.

基底應(yīng)力測點(diǎn)分布見圖6，測點(diǎn)布置在1/4加載區(qū)范圍內(nèi)，采用DYB-1型土壓力計(jì)，預(yù)埋于素土墊層表層下5 cm處，常規(guī)鋪裝和改良鋪裝的測點(diǎn)編號分別為t1′～t6′和t1～t6，見圖6 a和圖6 b. 土工格室的應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖7，測點(diǎn)分布對應(yīng)于路面的不同部位，每個(gè)測點(diǎn)處均粘貼一橫、一豎兩個(gè)應(yīng)變片，Hi表示第i號橫向應(yīng)變測點(diǎn)、Si表示第i號豎向應(yīng)變測點(diǎn)，如：圖中“H（S）2”表示第2號測點(diǎn)部位有橫向和豎向兩個(gè)應(yīng)變片. 采集設(shè)備采用DH3820靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng).

圖6 基底應(yīng)力測點(diǎn)分布（單位：mm）Fig.6 Distribution of substrate stress measurement points（Unit：mm）

圖7 土工格室應(yīng)變測點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.7 Layout of strain measuring points in geocells（Unit：mm）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載作用下人行步道基底應(yīng)力分析

3.1.1 基底應(yīng)力隨荷載的變化 圖8a、b分別為常規(guī)透水鋪裝與改良透水鋪裝人行步道的基底土應(yīng)力隨荷載的變化曲線，圖中“荷載”表示每個(gè)加載區(qū)格的荷載. 常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)的t2′測點(diǎn)土應(yīng)力數(shù)據(jù)異常，不再對其進(jìn)行分析. 由圖可知，兩種鋪裝結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)處的基底應(yīng)力均隨荷載的增加而增大，改良鋪裝的各測點(diǎn)基底應(yīng)力相差不大，最大應(yīng)力均未超過0.5 kPa，常規(guī)鋪裝各測點(diǎn)應(yīng)力值則差異明顯，中心測點(diǎn)t1′和次中心測點(diǎn)t4′的最大應(yīng)力分別達(dá)2.37 kPa和1.22 kPa，這兩個(gè)測點(diǎn)的基底應(yīng)力增長速率也遠(yuǎn)大于改良鋪裝. 表明改良鋪裝結(jié)構(gòu)中的土工格室能夠有效地分散傳遞荷載，使基底壓應(yīng)力更加均勻.

圖8 兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力隨荷載變化情況Fig.8 Variation of substrate stresses of two types of pavement structures with loading

3.1.2 基底應(yīng)力分布 圖9a、b分別為各級荷載下兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力分布情況，為便于作圖及分析，圖中橫坐標(biāo)按各測點(diǎn)與加載區(qū)域中心（加載區(qū)域中心指6個(gè)加載區(qū)格的形心，即t1或t1′測點(diǎn)所處位置）的直線距離進(jìn)行排列. 可以看出：圖9b中改良鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力在各級荷載作用下的分布都相對較為均勻，加載區(qū)域邊緣測點(diǎn)t3、加載區(qū)域外測點(diǎn)t5與加載區(qū)域中心測點(diǎn)t1的應(yīng)力值無明顯差異，最大基底應(yīng)力不到0.5 kPa；而圖9a中常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)在前兩級荷載下各測點(diǎn)基底應(yīng)力尚較均勻，但隨荷載增大，基底應(yīng)力分布明顯呈中心大、周邊小的規(guī)律，中心測點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)2.37 kPa. 表明改良鋪裝結(jié)構(gòu)中的土工格室對碎石層在荷載作用下的擴(kuò)散和塌落變形起到了有效地約束作用，使得碎石層整體剛度明顯提升，同時(shí)土工格室的三維網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)作用和豎向承托作用對應(yīng)力的傳遞起到了明顯的均化和分散效果，從而使碎石層分散傳遞荷載的能力更強(qiáng)、基底應(yīng)力分布更加均勻；而常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)的透水混凝土層雖剛度較大，但一旦碎石基層壓實(shí)度不夠均勻，則容易出現(xiàn)局部塌陷及應(yīng)力集中的現(xiàn)象.

圖9 兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力在各級荷載下的分布曲線Fig.9 Distribution curves of substrate stresses of two types of pavement structures under various loads

3.1.3 兩類鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力差值 為了對比兩類鋪裝結(jié)構(gòu)在相同測點(diǎn)位置上的基底應(yīng)力差值，選取了1號、4號、6號三個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行比較，這三個(gè)點(diǎn)位與加載中心的距離分別為0、650、1050 cm，對比曲線見圖10，縱坐標(biāo)表示該測點(diǎn)位置上常規(guī)透水鋪裝與改良透水裝的基底應(yīng)力差值ti′-ti. 可以看出，t1′與t1的差值、t4′與t4的差值、t6′與t6的差值都隨荷載增加呈明顯的近似線性增大趨勢，且越靠近加載中心增大趨勢越顯著；當(dāng)荷載為6 kN時(shí)，t1′與t1差值為2 kPa、t1′是t1的6.1倍，t4′與t4差值為1 kPa、t4′是t4的5.6倍，t6′與t6差值為0.36 kPa、t6′是t6的4.1倍. 綜上，一方面表明荷載越大，土工格室對碎石基層的被動約束作用越強(qiáng)；另一方面表明距離加載區(qū)域中心越近，基底應(yīng)力的分散效果越明顯.

圖10 常規(guī)鋪裝與改良鋪裝結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力差值變化Fig.10 Variation curves of substrate stress differences between conventional pavement and improved pavement structures

3.2 荷載作用下基層土工格室的應(yīng)變分析

3.2.1 土工格室應(yīng)變隨荷載的變化 圖11為改良鋪裝結(jié)構(gòu)中土工格室應(yīng)變隨荷載的變化曲線，圖11 a為橫向應(yīng)變、圖11 b為豎向應(yīng)變. 由圖可知：①無論橫向還是豎向應(yīng)變，雖均隨荷載增大而增加，但應(yīng)變值都很小. 當(dāng)荷載達(dá)到6 kN時(shí)，最大橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變分別僅為120 με、55 με，遠(yuǎn)小于土工格室極限拉伸應(yīng)變0.1，說明即便在最大設(shè)計(jì)荷載作用下，土工格室仍處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，仍具有為碎石層提供被動約束力的巨大潛力. ②橫向應(yīng)變基本均為拉應(yīng)變，與預(yù)期受力方向一致；豎向應(yīng)變除S4 為壓應(yīng)變外，其他均為拉應(yīng)變，出現(xiàn)豎向拉應(yīng)變的原因主要是各格室填充碎石不同步，導(dǎo)致滿料一側(cè)格室壁向空料一側(cè)鼓凸的現(xiàn)象. 由于土工格室是柔性材料，致使格室壁呈現(xiàn)豎向彎曲受拉狀態(tài)，但并不影響土工格室的橫向約束作用.

圖11 土工格室應(yīng)變隨荷載的變化情況Fig.11 Variation curves of geocell strains with loading

3.2.2 土工格室在不同區(qū)域的應(yīng)變 土工格室橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變的分布情況分別見圖12a、b所示，為便于作圖及分析，圖中橫坐標(biāo)也按各測點(diǎn)與加載區(qū)域中心的直線距離進(jìn)行排列，同類位置多于一個(gè)測點(diǎn)的則取平均值，如：圖中“H1（H7）”表明該點(diǎn)取值為H1 和H7 兩個(gè)測點(diǎn)的平均值. 可以看出：①在各級荷載作用下，兩個(gè)方向的應(yīng)變總體分布都相對較為均勻，甚至加載區(qū)域邊緣半米以外的3號測點(diǎn)處的土工格室也產(chǎn)生了相當(dāng)數(shù)量的應(yīng)變，該處在荷載為6 kN時(shí)的橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變分別為19 με和48 με；說明土工格室對碎石層的整體加固效果良好，有效提升了鋪裝結(jié)構(gòu)的整體抵抗變形能力和荷載分散傳遞能力. ②個(gè)別測點(diǎn)應(yīng)變明顯低于周圍區(qū)域，主要是由于碎石顆粒與格室壁之間會不可避免地留有空隙，受力過程中局部碎石顆粒發(fā)生微小移位引起局部格室壁受力不均勻所致. 隨著荷載持續(xù)增大，碎石層在荷載作用下會更加致密，土工格室對碎石層的被動約束也會更加均勻穩(wěn)定.

圖12 土工格室應(yīng)變在各級荷載下的分布曲線Fig.12 Distribution curves of geocell strains under various loads

4 結(jié)論

本文的試驗(yàn)研究可得出以下主要結(jié)論：

1）改良透水鋪裝結(jié)構(gòu)在荷載作用下的基底應(yīng)力分布較常規(guī)透水鋪裝結(jié)構(gòu)更加均勻，并能夠大幅削減道路中心區(qū)域的基底應(yīng)力集中.

2）在荷載作用下，改良透水鋪裝中土工格室的橫向應(yīng)變與豎向應(yīng)變在整個(gè)路面范圍內(nèi)分布較為均勻，表明土工格室為碎石基層提供了整體的立體約束與加固作用，并能夠有效向四周分散及傳遞應(yīng)力.

3）在Ⅲ型道路最大設(shè)計(jì)荷載作用下，土工格室仍處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，仍具有為碎石層提供被動約束作用的巨大潛力，說明此類改良透水鋪裝結(jié)構(gòu)完全能夠勝任用于Ⅲ型道路中.

4）采用土工格室加固處理后的改良透水鋪裝結(jié)構(gòu)不僅能提升碎石基層的整體抵抗變形能力，道路的滲透性能也大幅提高，而且省卻了混凝土拌合及養(yǎng)護(hù)等工序，大幅縮短了工期，具有很好的環(huán)境保護(hù)與社會效益.