底部槽型预制块路面结构承载力试验研究

李月光,孙 强,周冰清

(武汉理工大学 交通学院,湖北 武汉 430061)

0 引 言

预制块路面在人行道和城市广场、农村公路和城市道路、港口码头堆场等场合应用广泛。预制块路面结构的特殊性在于其面层和砂垫层,在荷载垂直作用下,预制块块体间相互挤压,预制块与接缝砂和砂垫层三者形成一个整体共同受力[1],达到嵌挤稳定状态,这提高了路面的承载力。同时,也是由于预制块路面的这种特殊结构,预制块路面的平整度不高,在行车荷载长期作用下,容易出现块体松散、断裂,接缝砂流失等病害[2]。

底部槽型预制块是在预制块的底部开设有三角形或矩形的凹槽,笔者所采用的是底部开设有矩形凹槽的预制块。研究表明,底部槽型预制块的抗压强度和抗折强度相比普通预制块有所下降,但抵抗水平滑动的能力显著增强[3]。在此基础上,采用室内承载板法进行底部槽型预制块路面的结构承载力试验研究,选用预制块类型为联锁预制块IB(interlocking precast block)和底部槽型联锁预制块USB(underside shaped interlocking precast block),研究各工况下预制块路面的结构承载力,比较普通联锁预制块IB和底部槽型预制块USB路面的性能。

1 预制块路面承载机理分析

预制块路面在荷载作用下,砂垫层会被压密产生竖向位移,预制块之间也会相互挤压,从而和接缝砂互相嵌挤形成了一个整体结构,不再是松散的单个块体,接缝砂除了传递水平方向的挤压力外,还承受着竖向的剪应力,使预制块可以抵抗竖直方向的位移,形成一种嵌挤稳定状态,这就是预制块路面的嵌挤效应。嵌挤效应是预制块路面结构受力的主要特点,而当竖向荷载逐渐增大,预制块间接缝的剪应力达到了最大,预制块间发生竖向滑移,此时,预制块路面的路表弯沉值迅速增大,将结构受力传递到下面的基层或底基层。当基层为级配碎石柔性基层时,土基顶面压应变超过结构容许压应变,预制块路面结构出现破坏;当基层为水泥稳定碎石半刚性基层或水泥混凝土刚性基层时,基层底面弯拉应力达到容许弯拉应力,预制块路面结构出现破环[4]。

对于新型底部槽型预制块路面,需要关注的是预制块底部开槽的特殊构造,在预制块路面结构受力时,是否对预制块路面的嵌挤效应有所帮助,从而改善预制块路面的力学性能[5]。分析认为,底部开设的凹槽使预制块和垫层砂能够更好的结合在一起,当预制块路面结构在荷载作用下形成嵌挤效应时,预制块间会有互相分离的趋势,而在路缘石和砂垫层的约束下,预制块间无法分离,这种底部开槽的结构实际上是加强了路缘石和砂垫层的约束作用,从而使嵌挤效应更牢固。

王火明等[6-8]对预制块路面进行了较多的室内结构承载力试验和永久变形环道试验,针对荷载-弯沉曲线,提出了临界弯沉的概念。在荷载-弯沉曲线中,随着荷载的增加,弯沉值呈现非线性增加,加载初期,弯沉值迅速增大;随后,荷载逐渐增大,弯沉值也继续增加,但增加幅度很小,达到了嵌挤稳定状态;最后,随着荷载继续增加,弯沉值迅速增大,可以认为预制块路面结构达到了承载力极限状态,荷载-弯沉曲线与预制块路面承载机理有很好的对应,选取荷载-弯沉曲线拐点处的荷载作为承载力极限值,这个极限值对应的拐点弯沉即为临界弯沉(L)。

笔者通过室内承载板试验,研究在不同砂垫层厚度、不同砂垫层类型、不同预制块类型、不同基层类型等各种工况下,预制块路面的路表弯沉和达到嵌挤稳定状态时的临界弯沉,分析这种新型底部槽型预制块路面的力学性能。

2 试验准备

笔者首先进行了底部槽预制块的构造型式及其力学性能的试验研究,选用联锁型预制块,块体尺寸为230 mm×115 mm,厚度为60 mm,预制块上表面边缘应有3 mm的倒角。底部槽型联锁预制块是在联锁型预制块的底面开设有3个矩形的凹槽,凹槽尺寸为宽25 mm×厚15 mm×长115 mm,联锁型预制块和底部槽型预制块的构造见图1和图2。

图1 预制块构造Fig. 1 Structure of precast block

图2 预制块实际构造Fig. 2 Actual structure of precast block

室内承载板法是利用液压千斤顶作用在反力架上,对预制块路面结构进行加载试验。试验时笔者在预制块面层上放置一块垫压板,垫压板尺寸为20 cm×30 cm,用百分表来测量路表弯沉值,用力传感器来测量荷载数值。试验研究基层类型、砂垫层厚度、砂垫层类型和预制块类型对预制块路面路表弯沉值的影响。预制块路面的各种工况分别为:级配碎石基层和水泥稳定碎石基层,30 mm和50 mm厚度砂垫层,普通砂垫层和掺入30%碎石的砂垫层,联锁预制块和底部槽型联锁预制块。

2.1 试验概况

本试验是在室内一个100 cm×100 cm×60 cm的木箱里进行的,木箱外进行加固,以保证在荷载垂直加载时,预制块路面结构有很好的稳定性。木箱里填充30 cm的土基,15 cm的基层,3 cm或5 cm的砂垫层。预制块尺寸为230 mm×115 mm,厚度为60 mm。安装预制块面层时,控制预制块块体间接缝统一为3～5 mm,预制块铺筑方式为编织式,即不考虑块间接缝和预制块铺筑方式对预制块路面结构承载力的影响,试验路面结构和液压千斤顶加载情况见图3。

图3 液压千斤顶加载Fig. 3 Loading diagram of hydraulic jack

2.2 试验路面结构

试验所用路基土为砂性土,其颗粒级配见表1,根据JTG E40—2007《公路土工试验规程》[9],测得其最佳含水率为10.5%,最大干密度为1.74 g/cm3。按照最佳含水量配置路基土,装填进木箱,用木锤分层振捣压实,通过承载板法,测得土基回弹模量为35 MPa。

表1 路基土的颗粒级配Table 1 Particle gradation of subgrade soil

基层所采用的材料为级配碎石和水泥稳定碎石两种,先进行级配碎石基层的各种工况的预制块路面弯沉试验,碎石的颗粒级配曲线见表2,待试验完成后,拆除预制块面层,砂垫层,级配碎石基层,再填入水泥稳定碎石基层。水泥稳定碎石基层的含水率为4.5%,水泥为5%,标号为42.5等级的普通硅酸盐水泥,根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[10],测得水泥稳定碎石基层试件的7 d无侧限抗压强度为2.33 MPa。

表2 级配碎石的颗粒级配Table 2 Particle gradation of graded gravel

预制块路面的砂垫层有两种材料,分别为普通河砂和掺入30%最大粒径为5 mm的碎石的河砂。碎石的颗粒级配见表3。砂垫层的厚度分别为30 mm和50 mm,预制块路面垫层砂和接缝砂的颗粒级配应符合JTS 168—2017《港口道路与堆场设计规范》[11]的规定,分别见表4和表5。

表3 掺入砂垫层碎石的颗粒级配Table 3 Particle gradation of gravel mixed with sand cushion

表4 砂垫层级配要求Table 4 Grading requirements for sand cushion layer

表5 填缝砂级配要求Table 5 Grading requirements for joint filling sand

3 试验过程

在进行各工况下预制块路面结构承载力试验时,要注意处理好砂垫层、接缝砂和预制块面层,以免影响试验结果。砂垫层在铺筑时,应当摊铺均匀,避免出现不水平的现象,从而影响预制块面层的铺筑。在预制块面层铺筑完成后,对松散的砂垫层进行第1次振压,使砂垫层与预制块面层紧密接触,特别是对于底部槽型预制块,要让垫层砂充分填进预制块底部的凹槽中。之后,在预制块面层上均匀撒铺接缝砂,用毛刷将砂扫进预制块块体间的接缝中,然后进行第2次振压,确保接缝砂、预制块、垫层砂紧密接触,形成一个整体。

在预制块路面荷载中心处安置了2个百分表,用2个百分表的平均值作为预制块路面结构的弯沉值(0.01 mm)。液压千斤顶加载时,应先对各类工况下预制块面层进行预压,使预制块路面各结构层之间的相互作用更加紧密,然后进行各工况下预制块路面垂直加载试验。控制加载荷载分别为6、12、18、24、30、36、42、48、54、60 kN,分别对应20 cm×30 cm区域垂直均布荷载0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 MPa,记录各荷载对应下百分表的数值,即为不同荷载等级时预制块路面的弯沉值。

4 结果与讨论

预制块路面的结构承载力试验主要研究了不同工况下,不同荷载等级时所对应的预制块路面的弯沉值。试验结果分4种情况来讨论,即不同基层类型、不同砂垫层类型、不同砂垫层厚度和不同预制块类型。

4.1 基层类型对承载力的影响

不同基层类型对预制块路面的承载力有较大的影响,王火明的试验研究[6-8]表明,预制块厚度16 cm,接缝宽度5 mm,砂垫层厚度20 mm时,级配碎石基层预制块路面的临界弯沉值L约为200(0.01 mm),水泥稳定碎石基层预制块路面的临界弯沉值L约为160(0.01 mm)。

分析笔者研究的各类工况下预制块路面的荷载-路表弯沉值曲线,见图4～图7。

图4 级配碎石基层不同砂垫层厚度联锁预制块IB荷载-弯沉曲线Fig. 4 IB load-deflection curve of the interlocked precast block of graded gravel base with different sand cushion thickness

可以发现荷载-弯沉曲线大致分为3个阶段:第1阶段,即荷载小于0.5 MPa时,随着荷载的不断增加,弯沉值迅速增大,属于荷载初始加载阶段;第2阶段,即荷载大于0.5 MPa,小于0.8 MPa时,随着荷载继续增大,弯沉值增长趋势变小,逐渐趋于稳定,说明预制块路面达到了嵌挤稳定状态;第3阶段,即荷载大于0.8 MPa时,随着荷载的继续增大,弯沉值又迅速增大,这时候预制块路面结构的嵌挤稳定状态出现破环,预制块面层不再是一个整体,而是承受荷载的单个块体将荷载传递到下面的基层和底基层。

在预制块路面结构从第2阶段到达第3阶段的拐点处,可以认为预制块路面结构力学性能达到了临界点,研究这个临界点处的路表弯沉值可以更直观地了解预制块路面力学性能。因此,统一选取0.8 MPa荷载对应的预制块路面路表弯沉值作为临界弯沉值L(0.01 mm)。各工况下的预制块路面的临界弯沉值见表6、表7。

表6 级配碎石基层预制块路面临界弯沉值LTable 6 Critical deflection value L of precast block pavement of grade gravel base

表7 水泥稳定碎石基层预制块路面临界弯沉值LTable 7 Critical deflection value L of precast block pavement of cement stabilized macstone base

从表6、表7中可以看出,级配碎石基层预制块路面的平均临界弯沉值L在235～265之间,可取中间值250,水泥稳定碎石基层预制块路面的平均临界弯沉值L在59～91之间,可取中间值75。分析基层类型对预制块路面路表弯沉的影响,在预制块厚度6 cm,基层厚度15 cm,土基厚度30 cm时,不同的基层类型对路表弯沉值的影响很大,级配碎石基层时临界弯沉值L是水泥稳定碎石基层的3倍多。

因此,对于荷载等级、路面功能要求不同的预制块路面,应着重考虑基层对预制块路面力学性能的影响,在人行道和城市广场这类对荷载等级要求不高的地区,可选用级配碎石基层,在农村公路、城市道路和港口码头堆场等交通量较大的场合,应首先考虑水泥稳定碎石基层或贫混凝土、碾压混凝土这类基层。

4.2 砂垫层厚度对承载力的影响

预制块底部开槽的特殊构造可以使预制块与砂垫层充分接触,因此在研究底部槽型预制块路面的力学性能时,要优先考虑砂垫层对底部槽型预制块的影响。试验选用了30 mm和50 mm两种不同砂垫层厚度,进行预制块路面垂直加载试验,试验完成后,在砂垫层中掺入30%碎石,继续进行30 mm和50 mm两种厚度的预制块路面垂直加载试验,级配碎石基层试验结果见图4,图5。试验完成后,拆除级配碎石基层,再填入15 cm厚度的水泥稳定碎石基层,填筑时应分层振捣压实,之后进行养护,养护完成后重复上述试验,即在30 mm和50 mm砂垫层厚度,不同砂垫层类型,不同预制块类型时预制块路面的垂直加载试验,试验结果见图6,图7。

图5 级配碎石基层不同砂垫层厚度底部槽型预制块USB荷载-弯沉曲线Fig. 5 USB load-deflection curve of the underside groove-shaped precast block of graded gravel base with different sand cushion thickness

图6 水泥稳定碎石基层不同砂垫层厚度联锁预制块IB荷载-弯沉曲线Fig. 6 IB load-deflection curve of the interlocked precast block of cement stabilized macadam base with different sand cushion thickness

图7 水泥稳定碎石基层不同砂垫层厚度底部槽型预制块USB荷载-弯沉曲线Fig. 7 USB load-deflection curve of the underside groove-shaped precast block of cement stabilized macadam base with different sand cushion thickness

比较图4～图7可以看出,不论是级配碎石基层还是水泥稳定碎石基层,以及不同砂垫层类型和不同预制块类型,改变30 mm砂垫层的厚度为50 mm时,预制块路面的弯沉值有明显的变化,说明砂垫层厚度对预制块路面路表弯沉值的影响较大。其中,在级配碎石基层普通砂垫层这一工况下,改变30 mm砂垫层的厚度为50 mm,IB的临界弯沉值L降低19.5,降低了7.1%, USB的临界弯沉值L降低14,减低了5.5%,但是两者相差不大,而其他各类工况下,改变30 mm砂垫层的厚度为50 mm,临界弯沉值L显著提高,提高范围为14～117,对应提升幅度为6.0%～76.5%,即50 mm砂垫层厚度对应的预制块路面临界弯沉值L明显大于30 mm时。可以认为当增大砂垫层厚度时,路表弯沉值增大,预制块路面承载能力出现了降低。

4.3 砂垫层类型对承载力的影响

研究砂垫层类型对预制块路面力学性能的影响,可以对比图4～图7中每一种工况即未掺入碎石的普通砂垫层和掺入30%碎石砂垫层的两种预制块路面,再结合表6、表7中各工况下临界弯沉值L的平均值,可以得出如下结论:不论是不同基层类型,还是不同预制块类型,掺入30%碎石砂垫层的预制块路面路表弯沉值相比普通砂垫层的预制块路面都出现了明显的下降。其中,级配碎石基层时,IB和USB的临界弯沉值L的平均值分别降低30和7,分别降低了11.3%、2.8%;水泥稳定碎石基层时,IB和USB的临界弯沉值L的平均值分别降低20和14,分别降低了22%、19.2%,即掺入30%碎石的砂垫层显著提高了预制块路面的承载能力。在砂垫层中掺入30%碎石后,改变了原来砂垫层的级配,也增大了砂垫层材料颗粒之间的摩擦作用。因此,在预制块路面结构形成嵌挤稳定状态时,掺入30%碎石的砂垫层与预制块和接缝砂之间的相互作用更稳固,预制块路面力学性能得到了改善。

4.4 预制块类型对承载力的影响

为了定量分析不同预制块类型时预制块路面的力学性能,选用临界弯沉值L(0.01 mm)来评价,试验数据结果见表8。

表8 不同类型预制块路面临界弯沉值L比较Table 8 Comparison of the critical deflection value L of different types of precast block pavement

从表8中可以看出,当预制块类型从联锁预制块IB变为底部槽型预制块USB时,大多数工况下预制块路面的临界弯沉值L都有所降低,只是在级配碎石基层30 mm掺入30%碎石的砂垫层厚度这一工况下,底部槽型预制块USB路面的临界弯沉值L相比联锁预制块IB提高了32.6%,而其余各工况下USB的临界弯沉值L相比IB降低了5.6%～36.6%。试验结果证明了一开始的假设,即预制块底部开槽的特殊构造可以有效增强预制块路面的嵌挤效应,降低路表弯沉值,改善预制块路面的力学性能。

5 结 论

1)不同的基层类型对路表弯沉值的影响很大,采用级配碎石基层时预制块路面的临界弯沉值L是水泥稳定碎石基层的3倍多,水泥稳定碎石基层的预制块路面结构强度更高。但水泥稳定碎石等半刚性基层类路面结构比级配碎石等柔性基层类路面结构对荷载的敏感性更高,采用水泥稳定碎石基层更需控制预制块路面结构的超载超限问题。

2)在采用级配碎石基层+普通砂垫层这一工况下,50 mm厚度砂垫层的预制块路面临界弯沉值L要小于30 mm厚度砂垫层的值,但两者相差不大,而在其他各种工况下50 mm砂垫层厚度对应的预制块路面临界弯沉值L都明显大于30 mm时,增大范围在6.0%～76.5%。这说明在路面结构其他因素相同的情况下,当增大砂垫层厚度时,预制块路面的承载能力出现了降低。

3)对于文中试验研究的几种基层类型和预制块类型,在砂垫层中掺入30%相应级配的碎石,掺入30%碎石砂垫层的预制块路面临界弯沉值L相比普通砂垫层的预制块路面出现了明显的下降,下降范围在2.8%～22.0%,即掺入30%碎石的砂垫层可以提高预制块路面的力学性能。

4)在级配碎石基层+30 mm普通砂垫层厚度这一工况下,底部槽型预制块USB路面的临界弯沉值L相比联锁预制块IB路面提高了32.6%,其余各工况下预制块路面的临界弯沉值L降低了5.6%～36.6%。即底部槽型预制块USB路面的结构承载力要优于联锁预制块IB路面。