大尺寸混凝土预制板路面关键技术研究

宋娃丽，曹明宇，庞 旭，任艳霞

(1. 河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401； 2. 上海航天建筑设计院，上海201108)

0 引 言

水泥混凝土路面作为高等级路面结构的一种重要形式，被广泛应用于国道、省道、乡村道等公路和城市道路中。常用的水泥路面结构一般采用半刚性基层上铺设水泥路面板，面板和基层刚度都较大，容易出现混凝土面板局部脱空现象；面板与基层不能一起工作受力，常出现接缝和角隅处破坏[1]。由于交通量巨增，重载、超载现象严重，更加剧了病害产生与发展，缩短了道路的使用寿命。

近年来，不少学者对混凝土预制板路面结构进行了研究。J.W.BULL等[2]采用有限元系统模拟了机场预制混凝土路面；M.MADHKHAN等[3]研究了弹塑性地基上钢筋混凝土预制板的力学特性，并采用有限元方法进行跟踪分析；莫品疆[4]通过室内外试验及理论分析，提出适合于农村公路的块体尺寸为20 cm×10 cm×10 cm的矩形块体，主要铺筑形式为顺块或侧块铺筑、人字式铺筑；王火明等[5]借助室内大型足尺环道试验场，对混凝土预制块路面力学行为、结构设计方法、路用性能评价、路面施工工艺及质量保证措施等展开系统深入研究。

国内外学者研究的混凝土预制块尺寸偏小，一般厚度为8～15 cm，尺寸宽度为10～12.5 cm，长度为20～25 cm。对大尺寸水泥混凝土预制块路面(公路路面单个板块面积在2～3 m2以上的水泥混凝土预制块)的研究较少。笔者提出了一种大尺寸混凝土预制板公路路面的结构，该结构具有受力更合理、易维护、使用寿命长等特点。

1 路面结构

混凝土预制板路面在工厂将混凝土预制成板块，然后运至工地现场装配而成。路面结构组成为：级配碎石(砂砾)基层+封层+整平层+水泥混凝土大预制块面层结构，如图1。在基层与砂垫层之间可设置空隙混凝土透水基层，视路基性能指标可设置底基层或垫层(路基调平层)[6-7]。

图1 混凝土预制板路面结构Fig. 1 Composition of precast concrete slab pavement structure

为降低混凝土预制路面板块尺寸(便于吊装及搬运)，以提高路面受力的合理性、经济实用性，根据JTGD40—2011《公路水泥混凝土路面设计规范》[8](以下简称《规范》)中关于混凝土预制块厚度的规定，水泥混凝土大预制块面层厚度为20～28 cm。

针对农村公路工程造价及基层材料适用性，砂垫层厚度为3～5cm；封层1cm，采用单层沥青表处工艺，基层采用级配碎石(砂砾)，厚度为15～20 cm。

2 平面尺寸

考虑行车轮迹带、预制件重量和强度、施工机械及预制件吊装强度等因素，将传统现浇混凝土路面板块的尺寸(4.5 m×5.0 m)减小。初拟定平面尺寸为：1.0 m×2.5 m、1.0 m×3.0 m、1.5 m×2.5 m、1.5 m×3.0 m、1.5 m×3.5 m、2.0 m×2.5 m、2.5 m×3.0 m、2.5 m×3.5 m；混凝土强度为C30，抗拉设计强度为1.39 MPa，弹性模量为3.0×104MPa，容许弯拉强度为3.5 MPa。

对上述各平面尺寸厚度为22 cm的预制板采用ANSYS15.0软件建立有限元模型，并进行受力分析及验算。单元格划分为10 mm×10 mm。吊装方式采用钢丝绳娄底和四角吊环两种：钢丝绳娄底吊装吊点为0.15L(L为混凝土板长度)；四角吊环吊装，连接点距离边为0.25 m，吊点距离混凝土板块的垂直距离约为2 m。吊装过程中，预制混凝土面板受到惯性力的作用，控制提升速度不超过2 m/s，其惯性力为0.3 mg。混凝土板块应力及挠度结果见表1。

表1 混凝土板块应力及挠度计算结果Table 1 Stress and deflection calculation results of concrete slabs

由表1可见：两种吊装方式在板体宽度一定条件下，随着板体尺寸变大，板底最大应力及板底最大挠度增大；各尺寸板底最大应力均小于混凝土抗拉设计强度；长宽比越大，板底最大应力就越大，挠度也越大。在底部应力与挠度都满足要求的情况下，水泥混凝土路面板分块尽量大，才能在实体工程中体现出该种路面结构的优点，并能提高安装的效率。根据公路路面宽度，考虑到施工及后期维护便捷性，笔者推荐混凝土预制块面板几何尺寸为：1.5 m×2.5 m、2.0 m×2.5 m或2.5 m×3.5 m。

3 路面结构验算

笔者对推荐的不同基层厚度(级配碎石厚度分别为15、20 cm)和不同尺寸大板块的路面结构(1.5 m×2.5 m、2.0 m×2.5 m和2.5 m×3.5 m)进行强度验算。限于篇幅，笔者仅例举15 cm级配碎石，1.5 m×2.5 m路面模型和应力分析。

结构验算模型：在双轮标准荷载作用下，弹性层状体基层上，四边为自由的大混凝土板块，层间水平光滑，竖向受压连续但不承受拉力。基层平面和板平面尺寸可不相等。最大应力按照板块最不利受力布载，标准荷载为BZZ-100kN，车辆尺寸参考桥梁荷载。混凝土容许弯拉强度取值为：2.5～3.0 MPa(100万次，中等，标准4.5 MPa)。

3.1 模型建立

有限元分析中，水泥混凝土路面各结构层材料参数如表2。土基尺寸为高4 m；长宽为3 m×3 m；面层厚度为22 cm。

表2 结构层材料参数Table 2 Material parameters of each structure layer

边界条件：在土基底面施加全约束，土基四面施加法向约束；在基层四周施加法向约束；水泥混凝土板块不施加约束。

网络划分：土基单元划分为100 mm×100 mm×100 mm；基层单元划分为50 mm×50 mm×50 mm；面层单元划分为55 mm×50 mm×50 mm；精度足够。

载荷施加：将轮胎与面层接触面当作矩形处理(理论上轮胎与地面接触形状更接近矩形)，轮胎接地压强为0.70 MPa。由于荷载作用于板侧边缘中部时，板块受到的主应力最大，因此考虑最不利情况，将荷载作用于板侧边缘中部。

3.2 车辆荷载下的仿真结果

3.2.1 混凝泥土路面板受力(图2)

由图2可知：标注处为汽车荷载区域，受到来自汽车轮胎的压应力；土基部分主要承受压应力，最大压应力均位于道路中心处与车轮作用位置附近。路面在汽车荷载作用下，上面层主要受压，在汽车荷载垂直作用下方，路面主拉应力主要出现在面层底部，最大拉应力出现在混凝土板下面层[9]，不同厚度基层混凝土路面板应力计算结果见表3。

图2 预制水泥混凝土路面整体模型及应力云图Fig. 2 Integral model and stress nephogram of precast concrete slab pavement

板体尺寸/m面层最大主应力/MPa15 cm级配碎石基层20 cm级配碎石基层1.5×2.51.4341.3782.0×2.51.4291.3692.5×3.51.4471.38

由表3可见：在车辆荷载作用下，随着级配碎石基层厚度增加，预制混凝土板底面拉应力变小；3种尺寸的预制混凝土板最大拉应力均小于混凝土容许弯拉强度，强度满足要求。

3.2.2 级配碎石基层受力

采用有限元模拟，分析预制混凝土面板厚度对基层顶面压应力的影响。计算了预制混凝土面板厚为20、22、24、26、28 cm，板面尺寸为2.0 m×2.5 m，级配碎石基层厚度为15、20 cm时的基层顶面压应力。随着预制板厚度增加，基层厚度为15 cm时顶面压应力降低25.4%；基层厚度为20 cm时顶面压应力降低了32.6%；这说明预制板厚度增加，面层荷载扩散能力增加，基层顶面压应力呈线性递减，且随着基层厚度增加，基层顶面压应力也相应减小。

为分析级配碎石基层厚度对路面弯沉影响，计算了15～20 cm厚级配碎石基层路面在荷载作用下最大沉降值。在15～20 cm厚度范围内，路面最大沉降值变化不大，仅相差0.035 mm。

3.2.3 级配碎石基层永久变形

级配碎石基层永久变形量是影响混凝土板底脱空与否的关键[10]。因此笔者计算了板面尺寸为2.0 m×2.5 m，级配碎石基层厚度分别为15、20 cm时的基层永久变形量，建立相应的半刚性基层传统水泥路面模型，并与之进行比对。其计算结果见表4。

表4 不同厚度基层永久变形计算结果Table 4 Calculation results of permanent deformation with different thickness of base course

由计算结果可看出：级配碎石柔性基层对调整路面结构变形有着良好的效果。用级配碎石作基层路面，基层材料永久变形远小于半刚性材料作基层的传统路面，厚度为15 cm时级配碎石基层永久变形量比半刚性基层的降低59.8%，20 cm时降低了56.8%。采用级配碎石基层，与半刚性基层传统路面相比，面板局部脱空几率大大降低，实现面板与基层共同受力，使得整个路面结构受力更加合理，与设计假设符合较好，可延长路面使用寿命，减少路面破损病害。

3.2.4 不同板间搭接受力

大尺寸混凝土预制板路面结构板间搭接采用梯形搭接块，留有1 cm拼缝，以沥青橡胶填满，建立板面尺寸为2.0 m×2.5 m的不同板间搭接模型[11]，并分析其传荷能力，计算结果见表5。

表5 不同板间搭接力学计算结果Table 5 Calculation results of overlaps between different slabs

由表5可知：受荷板与未受荷板的总应力、X方向主应力与竖向位移均有一定差值，这说明传递作用呈逐渐衰减的趋势。受荷板与相邻未受荷板的竖向位移差使得接缝处于受剪状态[12]，有剪应力，但差值很小，这说明大尺寸预制板路面行车舒适性良好。受荷板一侧产生了0.026 79 mm的水平位移，而未受荷板一侧水平位移为-0.027 64 mm，拼缝受到轻微挤压。根据计算结果，可知路面结构接缝传荷系数为83，传荷能力优良，板间搭接受力合理。

4 路面的铺筑

大尺寸混凝土板铺筑路面问题较多，如：相邻板间高差会影响平整度，大尺寸素混凝土板吊装、移动易造成破损、经济损失等。为此笔者研制了现场混凝土板块自动化拼铺设备，以解决大尺寸混凝土板路面的铺筑问题。

托举式混凝土板块自动拼铺装置由带有显示屏和操作键的电控操作箱、与运载设备连接固定的装置安装结构、姿态调整机构、视频识别摄像头、吊架、连接吊钩等组成。经方案比选，选择叉车为拖动混凝土板块自动拼铺装置的运载设备。设备示意如图3。

图3 叉车运载设备示意Fig. 3 Diagram of carrying equipment with forklift

设备首先需与混凝土板块连接，以完成混凝土板块的吊起、位移、姿态调整和拼铺。对混凝土板块的吊装连接结构方案，需从混凝土板块破坏、起吊安全、连接便捷性及混凝土板块生产难度这几方面进行分析讨论，最终笔者采用预埋钢筋方孔形方案。预制板横向和纵向搭接建议采用带梯形凹槽和凸起的搭接结构，在路面拼装时具有自定位功能，可减少拼装难度，提高拼装精度。预埋钢筋起吊孔及板件搭接示意如图4。

图4 预埋钢筋起吊孔及板间搭接Fig. 4 Lifting hole of embedded bar and overlap between slabs

大尺寸混凝土预制板铺筑过程为：预先整理好路基及基层，对路基纵坡和横坡角度进行检测，若不符合要求，提示修整路基；若检测合格，开始铺设；运载设备移动至运输混凝土板块车辆后方，装置外壳视频识别系统捕捉图像，快速吊起混凝土板块，移动至拼铺的大致位置；以已经拼铺好的混凝土板块为基准，自动调整待铺混凝土板块的平面位置和角度，使其与相邻混凝土板块相对平正，间隔缝隙符合要求；垂直缓慢落下混凝土板块，设备与混凝土板块脱离；运载设备倒退移动回位至运输车位后方，进行下一块混凝土板块拼铺；最后用沥青灌缝，使路面形成连续整体。叉车运载设备拼装移动如图5。

图5 叉车运载设备位置及移动示意Fig. 5 Position and movement of carrying equipment with forklift

5 路面的应用

5.1 工程概况

试验路面位于河北鹿泉上庄镇某农村公路，设计等级为四级公路，依据“十三五”规划，路面宽度为5.0 m，设计使用年限为10 a。经交通调查分析得知：平均交通量由500次标准轴载和1 500次客车构成，设计轴载为100 kN，交通量年平均增长率取5%，设计基准期内车道轴载累计作用次数为43.4万次；由《规范》可知[8]，属于中等交通荷载等级。据此，笔者采用15 cm级配碎石柔性基层，5 cm砂垫层，经计算混凝土预制板厚度为22 cm；大尺寸混凝土预制板路面分块尺寸及典型结构见图6。

图6 大尺寸混凝土预制板路面结构Fig. 6 Large size precast concrete slab pavement structure

板块接缝设置端部高度为10 cm，根部高度为12 cm，宽度为10 cm的梯形搭接块，并在斜面上设置咬合，可增强板之间的联接强度。路线前进方向采用带咬合的梯形接缝；横向采用不带咬合的梯形接缝，以兼顾整体性和后期维护便捷性。接缝构造见图7。

图7 接缝构造Fig. 7 Structure of joints

5.2 试验路检测

试验路段施工完毕后，根据结构特点，按照JTGF801—2004《公路工程质量检验评定标准》[13]对大尺寸混凝土预制板路面的薄弱处弯沉、路面厚度、强度、平整度、渗水性等指标进行检测。检测结果见表6。

整个试验路段，板块无断裂，面层基层结合良好且并无局部脱空现象，各项检测指标均能达到现行标准的各项要求。检测各薄弱处弯沉的实测值小于理论计算值，实测最大弯沉值为0.34 mm，理论计算为0.71 mm，其校验系数仅为0.47，这说明路面结构在弹性工作范围内，结构刚度满足现行荷载设计要求，且具有良好承载力。

表6 路用性能检测结果Table 6 Testing results of pavement performance

6 结 论

通过对大尺寸混凝土预制板路面关键技术的研究，笔者得到如下结论：

1)针对传统现浇混凝土路面易出现混凝土面板局部脱空病害的现象，笔者考虑面板与基层共同受力，提出了以级配碎石为基层的大尺寸混凝土预制板路面，路面结构采用：15～20 cm级配碎石(砂砾)柔性基层+沥青封层+3～5 cm整平层+20～24 cm水泥混凝土大预制块面层结构；

2)根据公路路面宽度，通过钢丝绳娄底、四角吊环两种吊装方式验算，考虑到施工及后期维护便捷性，笔者推荐混凝土预制块面板几何尺寸为：1.5 m×2.5 m、2.0 m×2.5 m或2.5 m×3.5 m；

3)对大尺寸混凝土预制板路面结构进行有限元计算，预制混凝土板最大拉应力均小于混凝土容许弯拉强度极限，满足强度要求；随着预制板厚度增加，厚度为15 cm基层时，顶面压应力降低25.4%；厚度为20 cm基层时，顶面压应力降低了32.6%；基层顶面压应力呈线性递减；基层在15～20 cm厚度范围内，路面最大沉降值仅相差0.035 mm，且随着基层厚度增加，路面沉降逐渐减小，变化速率呈线性降低；采用级配碎石基层，与半刚性基层传统路面相比，厚度为15 cm时，级配碎石基层永久变形量比半刚性基层的永久变形量降低59.8%；20 cm时降低了56.8%；路面结构接缝传荷系数为83，传荷能力优良，板间搭接受力合理；

4)研发了运载设备托举式混凝土板块自动拼铺装置，混凝土板块吊装连接结构选用预埋钢筋方孔形方案，板间接缝采用带梯形凹槽和凸起的搭接结构，以解决大尺寸混凝土板路面铺筑问题；

5)将大尺寸混凝土预制板路面应用于农村公路，相应的农村混凝土预制板路面典型结构为：15 cm级配碎石(砂砾)柔性基层+1 cm沥青封层+5 cm砂垫层+22 cm水泥混凝土大预制块面层结构。采用2块1.5 m×2.5 m板和1块2 m×2.5 m板。对试验路段进行检测，各项指标均符合设计和施工规范要求，表明大尺寸混凝土预制板路面能够满足农村公路使用要求，具有良好承载力。