碎石基层空隙率对缝隙式透水路面承载稳定性的影响*

季天一，许峻伦，陶竟成，唐小军，刘阿兵，夏邵君，张振宇

(1.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 210016；2.句容市市政建设服务所，江苏 句容 212400；3.句容市住房和城乡建设局，江苏 句容 212400；4.中交第四公路工程局有限公司，北京 100020)

缝隙式透水路面是海绵城市建设中常用透水铺装之一，主要由面层、找平层、基层和路基组成。其面层主要由砼路面砖及砖体间的接缝组成，通过在接缝内填充散粒状材料实现路面的透水功能，一般接缝面积占铺装总面积的5%～15%，整个路面结构具有承载力高、耐久性好、维护方便等优点。级配碎石柔性基层具有空隙率高、透水性好等优点，是缝隙式透水铺装常用基层类型，但与刚性和半刚性基层材料相比其强度较低、刚度较小，在荷载作用下极易产生竖向永久变形，影响路面的承载稳定性。目前对粒料类柔性基层永久竖向变形的研究大多集中在荷载作用次数和大小及材料的物理性能对变形的影响方面，很少针对碎石空隙率变化进行试验研究。在缝隙式透水路面结构中，基层不仅是重要的承重层，更是主要的蓄水和储水层，而碎石基层的空隙率是影响路面储水能力的关键指标，也直接影响路面的承载性能。该文以适用于轻型荷载的缝隙式透水路面为研究对象，以路面竖向位移为指标，通过室内竖向循环加载试验研究不同碎石基层空隙率对路面承载稳定性的影响，探究碎石基层的受力特点和承载机理。

1 试验设计

1.1 试验模型制备

试验采用的缝隙式透水路面结构模型见图1。碎石采用玄武岩，找平层及填缝材料采用2.36～4.75 mm单粒径碎石。

图1 缝隙式透水路面结构模型

模型试件制作时，先在模具内铺设底基层，按其厚度分3层将碎石装入试验模具中，每层装入后用HCD90型振动冲击夯振动压实，压实度在95%以上；之后进行下一次装填并再次压实，直至达到底基层设计厚度，并按同样的方法依次铺设基层及找平层；铺设完找平层后，用水准尺检查是否整平，随后按人字式铺设方式铺设砼路面砖，并预留10 mm缝隙；最后将填缝材料填充到缝隙中，完成路面模型试件铺装。

1.2 试验设计与方法

为研究不同碎石基层空隙率在荷载作用下对缝隙式透水路面承载稳定性的影响，试验设计15%、20%、25%、30%和35% 5种空隙率，每种空隙率的碎石分别由3种级配组成(见表1)。

表1 基层碎石的级配

通过伺服作动器对路面结构施加竖向循环荷载，模拟车辆对缝隙式透水路面的荷载作用，并以路面的竖向永久变形为指标评价路面的承载稳定性，试验方法见图2。根据《城市道路:透水人行道铺设》，轻型荷载透水路面采用汽车标准轴载Bzz40，试验过程中所加循环荷载采用余弦波形，上限为40 kN，下限取上限的1/10即4 kN，荷载频率为1 次/s，重复加载5 000 次，由位移传感器实时采集每次荷载作用下路面的竖向位移。

图2 竖向循环加载试验

2 试验结果与分析

2.1 荷载作用次数与铺面竖向变形的关系

不同空隙率时碎石基层铺面竖向变形与荷载作用次数的关系见图3～7。从图3～7可看出：虽然每组碎石基层的空隙率不同，但铺面结构的竖向变形发展趋势相同。缝隙式透水路面的竖向变形随着荷载作用次数的增加而增加，在荷载作用初期，路面竖向变形量增长速率较高，随后增加速度逐渐降低。荷载作用次数从100次增加到500次时，竖向变形量的平均增长率为30%；荷载作用次数由500次增加到1 000次时，变形量的平均增长率为25%。荷载作用次数达到3 000次时，铺面的竖向变形曲线出现拐点，随着荷载作用次数的增加，竖向变形的增长率显著减小，每千次荷载作用次数，路面竖向变形的增长率稳定在2%～3%。荷载作用次数达到5 000次时，竖向变形增长率在1%以内，变形增量不超过0.1 mm，铺面结构达到稳定状态。

图3 空隙率15%时加载次数与竖向位移的关系

图4 空隙率20%时加载次数与竖向位移的关系

图5 空隙率25%时加载次数与竖向位移的关系

图6 空隙率30%时加载次数与竖向位移的关系

图7 空隙率35%时加载次数与竖向位移的关系

缝隙式透水路面铺筑完成后，各粒料类结构层存在一定的压实空间，故在荷载作用初期，路面的竖向变形急剧增加。随着荷载次数的增加，竖向变形的增长速度逐渐减小，表明路面结构层逐渐密实，整个铺面结构逐渐趋于稳定。作用次数继续增大时，铺面的竖向变形增长量已很小，缝隙式透水路面结构已形成稳定的结构层，面层的“拱效应”也已形成，在控制最大载荷不变的情况下，继续增加荷载作用次数对路面结构的影响已微乎其微。可见，实际施工过程中保证粒料类结构层一定的压实度及填缝材料的密实度是重中之重。此外，前期车辆荷载的反复作用使铺面进一步压实，路面砖的位置调整，与填缝材料的嵌挤作用增加，铺面结构的整体性进一步增强，可认为缝隙式透水路面初期变形是使整个路面结构形成稳定状态所必须的。

2.2 基层空隙率与铺面竖向变形的关系

不同基层空隙率与铺面竖向变形的关系见图8。由图8可知：随着基层空隙率的增大，缝隙式透水路面的竖向变形增加。基层空隙率分别为15%、20%、35%时，铺面的平均竖向变形分别为2.67、3.06和4.02 mm，且碎石基层的空隙率越小，竖向变形曲线的拐点位置越靠前。表明空隙率越小，路面越容易达到稳定状态。可见，碎石基层空隙率对缝隙式透水路面的承载性能有较大影响，在满足一定储水能力的前提下，采用空隙率较小的级配碎石能显著降低铺面的竖向变形，提高路面的承载稳定性。

图8 不同基层空隙率与竖向变形的关系

碎石基层的强度主要由集料形成的骨架结构提供，骨架结构的强弱主要与集料的自身强度及集料间的摩阻力和嵌挤力有关。根据Fuller最大密度曲线理论及近年来常用的逐级填充理论，当粗骨料形成紧密嵌挤的骨架结构且含有适量的细集料填充骨架中的间隙时，所形成的骨架密实结构空隙率最小，密实度最大。空隙率越小，集料之间接触点越多，从而能形成良好的嵌挤作用，提供较好的抗变形能力。空隙率逐渐增大时，骨架结构的可压缩空间增多，虽然透水性能较优但稳定性降低，碎石基层的永久变形增大。

3 竖向变形预估模型

缝隙式透水路面基层的储水量主要与级配碎石的空隙率有关，即如果材料的空隙率为30%，则理论上每100 mm的储水层可容纳30 mm的降水，每100 mm3的基层材料可储水30 mm3，从水文性能角度考虑，采用大空隙率的级配碎石基层有利于铺面的蓄水能力。但从图8来看，随着基层空隙率的增大，铺面的竖向位移增大，级配碎石的空隙率对路面承载稳定性有较大影响。

为便于在路面结构设计时通过基层材料的空隙率预估路面的整体竖向变形，评价选用的透水材料是否适合实际需求，在透水路面的水文性能及承载性能两个相矛盾的设计指标上寻找共通点，根据上述试验结果，采用SPSS软件对基层材料空隙率与铺面的竖向变形进行统计回归分析(见图9)，得到如下关系式：

图9 空隙率与竖向变形的拟合曲线

L=0.065 54P+1.650 7，R2=0.987 34

(1)

式中：L为铺面的竖向变形量(mm)；P为级配碎石基层空隙率(%)。

式(1)的相关系数为0.987，拟合准确度较高，竖向位移的预测值与试验值误差较小。

4 结论

(1)缝隙式透水路面的竖向变形随荷载作用次数的增加而增加，在加载初期变形增长较快；加载次数达到3 000次时，路面的竖向变形曲线出现拐点，变形增长速度逐渐变缓；荷载次数达到5 000次时，路面结构达到稳定状态，每加载千次，变形增量不超过0.1 mm。

(2)缝隙式透水路面的竖向变形随碎石基层空隙率的增加而增大，基层空隙率越小，竖向变形曲线拐点位置越靠前，路面越容易达到稳定状态，路面的承载稳定性越高。

(3)建立缝隙式透水路面的竖向变形与碎石基层空隙率之间的数学模型，模型计算值与试验结果吻合度较高。