基层加固透水铺装结构受力性能试验研究

李学民，盛璐腾，安雪晖，何世钦，张冠方

（1.中电建路桥集团有限公司，北京 100160；2.清华大学土木水利学院，北京 100084；3.北方工业大学土木工程学院，北京 100144）

0 引言

我国非常重视城市雨洪问题，为了减轻城市排水设施负担、降低雨洪灾害风险，透水铺装结构被广泛应用于设计荷载要求较低的人行步道等道路[1-2]。常规人行步道的透水铺装结构自下而上分为素土垫层、级配碎石层、透水混凝土层、找平层及面层，承载力设计值仅要求达到3.5～5.0 kPa，属于Ⅲ型道路，这类人行步道的受力性能一般均能满足要求，而渗透性能却较差[3-4]。

本文提出一种改良铺装结构：在Ⅲ型道路中增大级配碎石层的厚度、并采用土工格室对碎石层进行约束加固、同时完全取代透水混凝土层[5]。由于级配碎石层孔隙率远大于透水混凝土层，改良后铺装结构的渗透性能大幅提升，但受力性能可能会受到一定程度削弱。为了保证改良后铺装结构的受力性能仍满足Ⅲ型道路的需求，针对几种改良前后的铺装结构进行了受力性能试验研究，得到了承载能力和变形限值均完全满足Ⅲ型道路要求，且渗透性能优越的改良铺装方案。改良前后的透水铺装结构组成如图1 所示。

图1 两类透水铺装结构组成Fig.1 Composition of two types of permeable pavement structure

1 受力性能试验方案

1.1 试验工况

为了研究改良透水铺装结构和常规透水混凝土铺装结构的受力性能差异，在实验室进行了两类铺装结构的模拟铺装，并进行了液压加载试验。考虑土工格室高度与焊距、有无透水混凝土等因素[6-7]，共设计了4 种铺装方案，分别是：常规透水混凝土铺装结构，采用高度（焊距）分别为200（445）、150（370）、100（330）的土工格室的3 种改良铺装结构。具体铺装设计方案见表1。

表1 铺装设计方案Table 1 Pavement design scheme

1.2 透水铺装结构模型

将铺装结构铺筑于模型箱内实现道路模型制作[8-9]，设计了长1.2 m、宽1.2 m、高0.7 m 的钢质模型试验箱。试验箱壁外侧采用等边角钢竖撑进行双向加固，角钢截面边长为4 cm、截面厚度与模型箱壁厚均为3 mm，钢质模型箱的一侧面板可以打开方便出料，另有一侧面板设有透明有机玻璃观察区，4 个面板内壁均粘贴刻度尺，便于铺筑过程中查看各铺装层厚度。在模型箱内依次按设计要求进行素土垫层、级配碎石基层、透水混凝土层、找平层及透水砖面层的铺装。

1.3 试验材料及参数

铺装结构中使用的主要材料及关键性能参数如下：

1）素土：采用普通种植土，试验测得的最佳含水率为10.2%，最大干密度为1.89 g/cm3。

2）土工格室：材质为聚乙烯，格室片厚度1.0 mm，格室片单位宽度的断裂拉力245 N/cm，焊接处抗拉强度109 N/cm，极限拉应变10%。为增强透水性，选用带孔的土工格室。

3）级配碎石：最大粒径不超过26.5 mm，小于或等于0.075 mm 颗粒含量不超过3%，最大干密度为1.87 g/cm3。

4）透水混凝土：设计强度为C25，水泥标号为P.O42.5，骨料采用粒径为5～10 mm 的碎石，配合比为：水泥∶碎石∶减水剂∶增强剂∶水=407∶1 720∶10.5∶12.6∶126。

5）找平砂浆：采用干硬性水泥砂浆，水泥标号为P.O42.5，中砂，配合比为：水泥∶砂∶水=1∶6∶0.5。

6）透水砖：采用淄博鲁冠镁铝耐火材料厂生产的烧结透水砖，规格为200 mm×100 mm×50 mm，抗压强度平均值为50.1 MPa，透水系数0.664 mm/s。

2 试验

2.1 铺装

两类铺装结构的主要铺筑流程分别如下：

常规铺装结构：1）分层填筑及压实素土层；2）分层填筑并夯实级配碎石层；3）浇筑透水混凝土层并养护；4）铺设找平层及透水砖。

改良铺装结构：1）分层填筑及压实素土层；2）张拉、固定土工格室；3）向土工格室内填筑碎石并压实，土工格室加固层上覆的未加固碎石层需保证同样的压实度；4）铺设找平层及透水砖面层。

2.2 加载方案

采用液压加载方式，通过刚性承载板施加荷载至铺装结构面层[10]。试验对象为Ⅲ型道路，设计承载强度为3.5～5.0 kPa，为了测试铺装结构的承载潜力，最大试验荷载取Ⅰ型道路的设计承载力强度（80～100 kPa）上限的2 倍，即200 kPa。终止试验的控制标准有2 个：1）达到最大试验荷载强度（200 kPa）；2）相对沉降量S/D（S为铺装结构表层的绝对沉降量，D为承载板的直径，试验中为30 cm）超过0.06，即绝对沉降量超过18 mm。经换算，最大施加荷载值应为18 kN，试验中共分9 级施加，第1 级荷载为2 kN，每级荷载步长均为2 kN。

2.3 测试内容

1）表层沉降：在透水砖面层中心位置至其中一侧边缘位置沿直线等间隔布置3 个位移测点，用以测量结构表层沉降随荷载的变化及沉降的分布情况，见图2（a）。

图2 测点布置图（mm）Fig.2 Layout of measuring points(mm)

2）基底应力：在素土垫层1/4 对称区域，由几何中心向外呈辐射状布置7 个基底应力测点t1—t7，将土压力计预埋于素土垫层表层下5 cm 处，用以测量基底应力随荷载的变化以及基底应力分布情况，测点分布见图2（b）。

3）土工格室应变：在充分张拉后的土工格室网的1/4 对称区域，由中心向外呈辐射状布置若干应变测点，每个测点粘贴1 横1 竖2 个应变片，用H（S）表示，用以测量土工格室的横向、竖向应变变化，以及土工格室整体应变的分布情况。图2（c）为200（445）型土工格室的应变测点分布，为便于作图，每个测点位置取横竖2 个应变片的交点处坐标。

3 试验结果及分析

3.1 荷载作用下透水铺装结构的表层沉降分析

3.1.1 表层沉降随加载过程的变化情况

图3 为4 种铺装结构加载区域的表层沉降随荷载的变化情况。

图3 加载区域中心处表层沉降变化Fig.3 Variation curves of surface settlement at the center of loading area

从图3 可以看出：4 种铺装结构的加载区域沉降量均随荷载增大而缓慢增长，最大荷载时，常规铺装结构的中心沉降量最小，仅为1.25 mm，其他3 种改良铺装结构（200（445）加固型、150（370）加固型、100（330）加固型）的加载区沉降量分别为2.51 mm、2.96 mm、2.75 mm，说明虽然改良后的铺装结构抵抗变形能力稍逊于常规铺装结构，但即便在2 倍于I 型道路的上限设计荷载作用下，改良铺装结构的最大沉降仍远小于最大沉降量限值18 mm，完全能够满足Ⅲ型道路的承载力要求。

需注意，较小规格的土工格室由于内部空间小，施工中易出现格室内填料不易压实的情况，试验中150（370）加固型铺装结构即出现了此类情况，由于个别格室内的碎石压实度不足影响了土工格室的被动约束效果，导致150（370）加固型铺装结构的中心沉降反而大于100（330）加固型铺装结构。

3.1.2 表层沉降随距加载区域中心距离的变化情况

通过对图4 中表层沉降随距加载区域中心距离的变化分析可知：4 种铺装结构的表层沉降均随距加载区域中心距离的增大而减小；改良铺装结构加载区域中心附近的沉降量虽大于常规透水铺装结构，但在距离加载区域中心30 cm 以外，2类铺装结构的沉降量基本持平；其中200（445）加固型铺装结构加载中心部位的沉降在改良铺装中相对最小为2.51 mm、在距离加载区域中心60 cm处的表层沉降也大于其他3 种工况，沉降量为0.24 mm，说明200（445）加固型改良铺装结构的整体性良好，去除混凝土层后虽传递应力的效果弱于常规铺装结构，但在中心区域承受荷载的情况下仍能有效地将少部分应力分散传递至道路边缘部位，且最大相对沉降量（S/D）仍远未达到控制标准，说明改良铺装结构在承载性能和抵抗变形能力方面不仅完全可以满足Ⅲ型道路的要求，并且仍有较大承载潜力。

图4 荷载为18 kN 时铺装结构表层沉降随距加载区域中心距离的变化Fig.4 Variation curves of surface settlement of pavement structure with the distance from the center of loading area under 18 kN load

3.2 荷载作用下透水铺装结构的基底应力分析

3.2.1 加载区域中心基底应力随荷载的变化情况

图5 反映了加载区域中心基底应力随着荷载的变化情况。由图可得：4 种铺装结构的加载区域中心基底应力随着荷载的增大基本呈线性增大，但在两倍于I 型道路上限荷载作用下，基底应力均远未达到I 型道路的相应承载强度设计值；当荷载达到18 kN 时，100（330）和150（370）加固型铺装结构的中心基底应力分别达到37.66 kPa 和40.85 kPa，而200（445）加固型铺装结构的加载区域中心基底应力仅为33.17 kPa，较另2 种铺装结构分别削减了13.5%和23.2%；说明改良铺装结构虽不及常规铺装结构的应力传递能力强，但也能够比较有效地分散部分基底应力。150（370）加固型铺装结构则仍是由于个别格室内填料压实度不足的原因，导致其中心基底应力反而大于100（330）加固型铺装结构。

图5 4 种铺装结构加载区域中心基底应力变化Fig.5 Variation curves of base stress at the center of loading area of pavement structure

3.2.2 基底应力随距加载区域中心距离的变化情况

为分析基底应力分布规律，按距加载区域中心距离由近及远选取了t1、t4、t6、t3、t7 五个测点，荷载为18 kN 时各测点的应力结果见图6。

图6 荷载为18 kN 时铺装结构基底应力随距加载区域中心距离的变化Fig.6 Variation curves of base stress of pavement structure with the distance from the center of loading area under 18 kN load

图6 显示：4 种铺装结构的基底应力均随距加载区域中心距离的增大而减小，常规铺装结构由于透水混凝土层的整体刚度较大，基底应力分布相对更小也更均匀；3 种改良铺装结构中，200（445）型铺装结构的基底应力分布较另外两种规格土工格室加固铺装结构更均匀些，说明其对荷载的分散与传递能力更优。

3.3 荷载作用下基层土工格室的应变分析

3.3.1 土工格室应变随荷载的变化情况

图7 为200（445）型土工格室加固铺装结构的横向与竖向格室壁应变随荷载的变化情况，少数位于加载区域中心附近的应变片在冲击夯实过程中发生损坏，分析中不再处理。

图7 200（445）型改良铺装结构中土工格室应变随荷载的变化Fig.7 Variation curves of geocell strains with load in 200(445)improved pavement structure

图中显示：改良铺装结构的横向应变基本均为拉应变，竖向应变基本均为压应变，与其预期受力方向一致，其值均随荷载增大而增大；横向应变和竖向应变出现个别与预期受力方向相反的微量应变，原因是土工格室为柔性材料，在碎石填充与压实过程中，个别位于边缘的格室可能会发生扭曲，从而引起局部应力的异常变化，但无论拉压，应变值均不大，远低于土工格室片材的极限拉伸应变（10%），说明土工格室依然处于正常工作状态。其他2 种改良铺装结构的土工格室应变规律与之类似。

3.3.2 土工格室应变随加载区域中心距离的变化情况

3 种改良铺装结构的土工格室横向应变和竖向应变规律均较为相似。图8 显示了150（370）型改良铺装结构的土工格室横向和竖向应变分布情况。可以看出：1）2 个方向应变绝对值均随距加载区域中心距离的增大而减小；2）即便在铺装边缘处，土工格室仍出现了较明显的应变，说明土工格室对碎石基层有明显约束作用，提升了碎石基层的整体性，有效地将应力分散到远离加载区域的边缘位置；3）试验中的最大横向应变和竖向应变均出现在150（370）加固型铺装结构中，分别为0.18%和0.15%，但仍远未及土工格室的极限拉伸应变（10%）。

图8 150（370）型改良铺装结构土工格室应变随距加载区域中心距离的变化Fig.8 Variation curves of geocell strains with the distance from the center of loading area in 150(370)improved pavement structure

上述分析表明，土工格室能够显著提升碎石基层的整体抵抗变形能力，即便荷载已达到Ⅰ型道路的最大设计荷载的2 倍，土工格室仍处于较低应力状态，依然能够提供强大的约束力，一定程度上避免了碎石基层出现因应力过大而产生局部塌陷的病害。

4 结语

本文的试验研究可得出以下主要结论：

1）去除透水混凝土层后，改良铺装结构的承载性能虽然不及常规透水混凝土铺装结构，但试验中依然能够满足2 倍于Ⅰ型道路设计荷载下的承载能力和变形限值的要求，表明本文提出的改良铺装结构完全可以胜任应用于人行步道等Ⅲ型道路。

2）200（445）型土工格室加固级配碎石基层的改良铺装结构，在荷载作用下的表层沉降分布与基底应力分布较100（330）和150（370）加固型铺装结构的更加均匀，且更能够有效削减表层中心沉降和加载区域中心的集中应力，说明200（445）加固型土工格室可以更有效地约束碎石基层，更适合用于此类改良加固铺装结构。

3）采用土工格室加固级配碎石基层并取代透水混凝土层的改良铺装方式，既保证了铺装结构承载力满足Ⅲ型道路的需求，又有效提升了道路的渗透性能，并且省却了混凝土拌合、养护等工序，可以大幅缩短工期减少环境污染，具有极大的社会效益和环境效益。