底部槽型預(yù)制塊路面水平阻力試驗(yàn)研究

李嘉琦 周冰清 李月光

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

目前公路和城市道路使用較多的是瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面，但是對(duì)于一些特殊場(chǎng)合，如人行道和城市廣場(chǎng)、農(nóng)村低等級(jí)公路、山區(qū)復(fù)雜道路，以及一些對(duì)于路面荷載等級(jí)要求較高、需便于維修養(yǎng)護(hù)的場(chǎng)合，如物流園區(qū)、港區(qū)堆場(chǎng)等場(chǎng)合，預(yù)制塊路面應(yīng)用廣泛[1]。預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的水泥混凝土路面[2]和瀝青路面具有特殊性，主要在于其面層和砂墊層。面層是由預(yù)制塊塊體緊密拼接而成，塊體間填筑接縫砂，預(yù)制塊面層下設(shè)砂墊層和基層。這種特殊結(jié)構(gòu)可以形成嵌擠效應(yīng)，提高預(yù)制塊路面的承載力[3]。然而，在路面行車荷載長(zhǎng)期作用下，預(yù)制塊塊體容易出現(xiàn)松散、斷裂，接縫砂容易流失等病害[4]，從而影響路面的使用。

目前對(duì)預(yù)制塊路面力學(xué)性能的研究主要集中在預(yù)制塊路面的結(jié)構(gòu)承載力和耐久性，如采用室內(nèi)承載板法研究預(yù)制塊路面在荷載作用下的彎沉值，采用室內(nèi)環(huán)道試驗(yàn)方法[5]研究預(yù)制塊路面在荷載長(zhǎng)期作用下的路面車轍深度。這些研究考慮的是預(yù)制塊面層，未能涉及預(yù)制塊面層之下的砂墊層[6]。實(shí)際上，預(yù)制塊面層和砂墊層之間的相互作用十分重要，砂墊層不僅起到找平、調(diào)平的作用，還有分散預(yù)制塊面層荷載的功能，這對(duì)于預(yù)制塊路面的嵌擠效應(yīng)影響很大。

底部槽型預(yù)制塊由于底部開槽的特殊構(gòu)造，在預(yù)制塊面層振動(dòng)壓實(shí)后，墊層砂能夠填進(jìn)預(yù)制塊底部的凹槽中，與預(yù)制塊面層有更好的接觸，從而提供更大的水平阻力，使這種嵌擠作用更牢固，改善路面性能。為了研究預(yù)制塊面層與砂墊層之間的相互作用，本文對(duì)底部槽型預(yù)制塊路面抵抗水平滑動(dòng)的能力進(jìn)行了研究。試驗(yàn)選用預(yù)制塊類型為聯(lián)鎖預(yù)制塊(interlocking precast block，IB)和底部槽型聯(lián)鎖預(yù)制塊(underside shaped interlocking precast block，USB)，研究各工況下預(yù)制塊路面的抵抗水平滑動(dòng)的能力[7-8]。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)與預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)相同，即將試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)安裝在一個(gè)100 cm×100 cm×60 cm的木箱里，木箱外四周需進(jìn)行加固，以保證預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)在荷載水平加載時(shí)能夠保持穩(wěn)定。各結(jié)構(gòu)層尺寸分別為30 cm的土基、15 cm的級(jí)配碎石基層、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。預(yù)制塊塊間接縫統(tǒng)一為3～5 mm，預(yù)制塊采用編織式鋪筑，即不考慮接縫寬度和預(yù)制塊鋪筑方式對(duì)預(yù)制塊路面水平滑動(dòng)的影響。

利用液壓千斤頂作用在反力架上，對(duì)預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平加載，用安置在預(yù)制塊面層相應(yīng)位置的百分表來(lái)測(cè)量預(yù)制塊面層的水平位移(0.01 mm)，用力傳感器來(lái)測(cè)量水平加載的荷載數(shù)值，即為預(yù)制塊路面的水平阻力(kN)?？紤]到基層類型與預(yù)制塊路面水平位移之間沒有直接關(guān)聯(lián)，因此，預(yù)制塊路面水平加載試驗(yàn)僅選用級(jí)配碎石基層這一類型，具體試驗(yàn)工況如下：選取30，50 mm 2種砂墊層厚度，砂墊層類型為普通砂墊層和摻入30%碎石的砂墊層，預(yù)制塊類型為聯(lián)鎖預(yù)制塊IB和底部槽型聯(lián)鎖預(yù)制塊USB，共8種工況，來(lái)研究預(yù)制塊路面的水平阻力與水平位移間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)過(guò)程

為了更準(zhǔn)確地測(cè)定水平阻力，在預(yù)制塊路面均勻選取6個(gè)不同位置處安置L形的鋼條，每個(gè)鋼條的間距為10 cm，用百分表測(cè)量各個(gè)位置的水平位移，然后將6個(gè)位置水平位移取平均值作為預(yù)制塊路面的水平位移(0.01 mm)，考慮到預(yù)制塊路面在發(fā)生較大水平位移時(shí)，預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)測(cè)量記錄預(yù)制塊路面發(fā)生最大水平位移值為1 500(0.01 mm)，即1.5 cm；用力傳感器測(cè)量液壓千斤頂在水平加載時(shí)的力，即為預(yù)制塊路面的水平阻力，液壓千斤頂與預(yù)制塊路面之間有一個(gè)墊塊，以確保液壓千斤頂可以均勻水平加載，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)緩慢勻速加載，記錄力傳感器和百分表相應(yīng)的數(shù)值，試驗(yàn)布置見圖1。

圖1 水平加載百分表布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

預(yù)制塊路面的水平阻力試驗(yàn)主要研究不同工況下，預(yù)制塊路面不同水平阻力時(shí)所對(duì)應(yīng)的水平位移。試驗(yàn)結(jié)果分3種情況來(lái)討論，即不同砂墊層厚度、不同砂墊層類型和不同預(yù)制塊類型。將每一種工況下所測(cè)得的預(yù)制塊路面水平阻力和相應(yīng)的水平位移值繪制成平滑的曲線，分別討論不同工況對(duì)預(yù)制塊路面水平阻力的影響，結(jié)果如下。

3.1 砂墊層厚度對(duì)預(yù)制塊路面水平阻力的影響

30，50 mm砂墊層厚度情況下，砂墊層類型為普通砂墊層和摻入30%碎石的砂墊層的預(yù)制塊路面水平阻力和水平位移曲線見圖2、圖3。

圖2 普通砂墊層時(shí)預(yù)制塊路面水平阻力-水平位移曲線

圖3 摻入30%碎石砂墊層預(yù)制塊路面水平阻力-水平位移曲線

從圖2、3中可見，對(duì)于不同砂墊層類型，不同預(yù)制塊類型，30 mm砂墊層的預(yù)制塊路面在發(fā)生同樣的水平位移時(shí)，其水平阻力均明顯大于50 mm砂墊層下的水平阻力，即增大砂墊層厚度，預(yù)制塊路面的水平阻力出現(xiàn)了降低。

為了定量分析各工況下預(yù)制塊路面水平阻力與水平位移的關(guān)系，使用臨界水平阻力f這一指標(biāo)來(lái)定量分析預(yù)制塊路面抵抗水平位移的能力，即預(yù)制塊路面發(fā)生不超過(guò)300(0.01 mm)的水平位移時(shí)，所產(chǎn)生的最大水平阻力即為臨界水平阻力f，即圖2、3中虛線部分左側(cè)的最大水平阻力。

30 mm的普通砂墊層聯(lián)鎖預(yù)制塊IB和底部槽型預(yù)制塊USB路面的臨界水平阻力f相比50 mm砂墊層厚度時(shí)分別提高了4.8%、7.7%；砂墊層類型為摻入30%碎石砂墊層時(shí)，30 mm的砂墊層聯(lián)鎖預(yù)制塊IB和底部槽型預(yù)制塊USB路面的臨界水平阻力f相比50 mm砂墊層厚度時(shí)分別提高了14.3%、7.3%。

由此可見，砂墊層厚度較大時(shí)，會(huì)降低預(yù)制塊路面的水平阻力，使預(yù)制塊路面更容易出現(xiàn)水平滑動(dòng)，從而影響預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)受力，這與結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)的結(jié)果是相符的，即增大砂墊層厚度，預(yù)制塊路面承載能力下降。預(yù)制塊路面實(shí)際使用過(guò)程中，也不宜采用過(guò)低的砂墊層厚度，這是因?yàn)檫^(guò)低的砂墊層厚度起不到調(diào)平預(yù)制塊面層的作用，從而影響預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)的嵌擠效應(yīng)。而從實(shí)際工程來(lái)看，過(guò)低的砂墊層厚度也不利于施工。因此，認(rèn)為預(yù)制塊路面砂墊層厚度采取30～50 mm是合理的。

3.2 砂墊層類型對(duì)預(yù)制塊路面水平阻力的影響

對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂墊層為摻入30%碎石的砂墊層時(shí)，不論砂墊層是30 mm厚，還是50 mm厚時(shí)，聯(lián)鎖預(yù)制塊IB和底部槽型預(yù)制塊USB路面水平阻力相比普通砂墊層時(shí)都出現(xiàn)了明顯的下降。

摻入30%碎石的砂墊層相比普通砂墊層，30 mm和50 mm砂墊層厚度聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面的臨界水平阻力f分別下降了13.8%、21.0%；而30 mm和50 mm砂墊層厚度底部槽型預(yù)制塊USB路面的臨界水平阻力f分別下降了15.7%、15.4%。這說(shuō)明改變砂墊層材料類型，對(duì)預(yù)制塊路面水平阻力有較大的影響，摻入30%碎石的砂墊層降低了預(yù)制塊路面抵抗水平滑動(dòng)的能力。

在結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)中，改變普通砂墊層類型為摻入30%碎石的砂墊層，各工況預(yù)制塊路面的臨界彎沉值L的平均值降低了2.8%～22%。這說(shuō)明，雖然摻入30%碎石的砂墊層提高了預(yù)制塊路面的承載能力，但是同時(shí)也降低了預(yù)制塊路面抵抗水平滑動(dòng)的能力。為提高預(yù)制塊路面抵抗水平滑動(dòng)的能力，建議在摻入30%碎石的砂墊層中再摻入一定量的水泥，以提高砂墊層的整體性。

3.3 預(yù)制塊類型對(duì)預(yù)制塊路面水平阻力的影響

由圖2、圖3可見，聯(lián)鎖預(yù)制塊IB和底部槽型預(yù)制塊USB的水平阻力和水平位移曲線都是先增大，后減小，最后趨于平穩(wěn)。第一階段為水平阻力增大的階段，這時(shí)預(yù)制塊路面處于靜摩擦的狀態(tài)，此時(shí)塊體之間互相擠壓、接縫寬度減小，塊體之間更加緊密，所以預(yù)制塊路面整體只產(chǎn)生少量的位移，而減小到趨于平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，即為第二階段，此時(shí)預(yù)制塊路面整體已經(jīng)發(fā)生了明顯的滑動(dòng)位移。

圖4、圖5分別為不同預(yù)制塊類型時(shí)，預(yù)制塊路面水平阻力和水平位移的關(guān)系曲線。

圖4 普通砂墊層預(yù)制塊路面水平阻力-水平位移關(guān)系曲線

圖5 摻入30%碎石的砂墊層預(yù)制塊路面水平阻力-水平位移關(guān)系曲線

由圖4、圖5可見，聯(lián)鎖預(yù)制塊IB和底部槽型預(yù)制塊USB路面的水平阻力和水平位移曲線的變化趨勢(shì)有所不同，USB曲線在第一階段相比IB 要更陡一些，即此時(shí)USB曲線對(duì)應(yīng)的水平阻力要大一些，而在第二階段預(yù)制塊路面出現(xiàn)明顯滑動(dòng)位移時(shí)，USB曲線和IB則較為相似，都比較平穩(wěn)，聯(lián)鎖預(yù)制塊IB在下降段的趨勢(shì)則明顯更緩一些，但USB曲線對(duì)應(yīng)的水平阻力更小一些。因此，這兩階段的水平阻力反映了在相同的水平力作用下，底部槽型預(yù)制塊USB路面相比聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面更難發(fā)生水平滑移。

為了進(jìn)一步研究聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面和底部槽型預(yù)制塊USB路面在抵抗水平滑動(dòng)時(shí)的差異，將IB和USB路面的臨界水平阻力f和對(duì)應(yīng)的水平位移值進(jìn)行比較，整理結(jié)果見表1。

表1 各工況下IB和USB路面臨界水平阻力f和水平位移值比較

由表1可見，各工況下，聯(lián)鎖預(yù)制塊IB和底部槽型預(yù)制塊USB路面的臨界水平阻力f相差0.03～0.06 kN，相應(yīng)的水平位移值相差53～80(0.01 mm)。f相差最小為50 mm普通砂墊層厚度時(shí)，此時(shí)USB相比IB提高了4.8%，而f相差最大為50 mm摻入30%碎石的砂墊層時(shí)，USB比IB提高了12.2%，30 mm普通砂墊層時(shí)提高了7.7%，30 mm摻入30%碎石的砂墊層提高了5.4%。因此，可以認(rèn)為，底部槽型預(yù)制塊USB路面抵抗水平滑動(dòng)的能力相比聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面有所提升，這一結(jié)果與結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)結(jié)果相符，即底部槽型預(yù)制塊USB路面的力學(xué)性能要優(yōu)于聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面。

4 結(jié)論

1) 30 mm砂墊層厚度的預(yù)制塊路面的臨界水平阻力f相比砂墊層厚度為50 mm時(shí)提高了4.8%～14.3%，低厚度砂墊層的預(yù)制塊路面抵抗水平滑動(dòng)能力更好。

2) 摻入30%碎石砂墊層的預(yù)制塊路面的臨界水平阻力f相比普通砂墊層時(shí)出現(xiàn)了下降，各類工況下降了13.8%～21%。對(duì)比結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)砂墊層摻入30%碎石后，預(yù)制塊路面的結(jié)構(gòu)承載力得到了提高，但是抵抗水平滑動(dòng)的能力下降，進(jìn)一步的建議是在摻入30%碎石的砂墊層中再摻入一定量的水泥。

3) 底部槽型預(yù)制塊USB路面的臨界水平阻力f相比聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面提高了4.8%～12.2%，底部槽型預(yù)制塊USB路面抵抗水平滑動(dòng)的性能相比聯(lián)鎖預(yù)制塊IB路面更好。