底部槽型預制塊路面水平阻力試驗研究

李嘉琦 周冰清 李月光

(武漢理工大學交通與物流工程學院 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，但是對于一些特殊場合，如人行道和城市廣場、農村低等級公路、山區復雜道路，以及一些對于路面荷載等級要求較高、需便于維修養護的場合，如物流園區、港區堆場等場合，預制塊路面應用廣泛[1]。預制塊路面結構相比傳統的水泥混凝土路面[2]和瀝青路面具有特殊性，主要在于其面層和砂墊層。面層是由預制塊塊體緊密拼接而成，塊體間填筑接縫砂，預制塊面層下設砂墊層和基層。這種特殊結構可以形成嵌擠效應，提高預制塊路面的承載力[3]。然而，在路面行車荷載長期作用下，預制塊塊體容易出現松散、斷裂，接縫砂容易流失等病害[4]，從而影響路面的使用。

目前對預制塊路面力學性能的研究主要集中在預制塊路面的結構承載力和耐久性，如采用室內承載板法研究預制塊路面在荷載作用下的彎沉值，采用室內環道試驗方法[5]研究預制塊路面在荷載長期作用下的路面車轍深度。這些研究考慮的是預制塊面層，未能涉及預制塊面層之下的砂墊層[6]。實際上，預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、調平的作用，還有分散預制塊面層荷載的功能，這對于預制塊路面的嵌擠效應影響很大。

底部槽型預制塊由于底部開槽的特殊構造，在預制塊面層振動壓實后，墊層砂能夠填進預制塊底部的凹槽中，與預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。為了研究預制塊面層與砂墊層之間的相互作用，本文對底部槽型預制塊路面抵抗水平滑動的能力進行了研究。試驗選用預制塊類型為聯鎖預制塊(interlocking precast block，IB)和底部槽型聯鎖預制塊(underside shaped interlocking precast block，USB)，研究各工況下預制塊路面的抵抗水平滑動的能力[7-8]。

1 試驗準備

試驗路面結構與預制塊路面結構承載力試驗相同，即將試驗路面結構安裝在一個100 cm×100 cm×60 cm的木箱里，木箱外四周需進行加固，以保證預制塊路面結構在荷載水平加載時能夠保持穩定。各結構層尺寸分別為30 cm的土基、15 cm的級配碎石基層、3 cm或5 cm的砂墊層，預制塊尺寸為230 mm×115 mm，厚度為60 mm。預制塊塊間接縫統一為3～5 mm，預制塊采用編織式鋪筑，即不考慮接縫寬度和預制塊鋪筑方式對預制塊路面水平滑動的影響。

利用液壓千斤頂作用在反力架上，對預制塊路面結構進行水平加載，用安置在預制塊面層相應位置的百分表來測量預制塊面層的水平位移(0.01 mm)，用力傳感器來測量水平加載的荷載數值，即為預制塊路面的水平阻力(kN)。考慮到基層類型與預制塊路面水平位移之間沒有直接關聯，因此，預制塊路面水平加載試驗僅選用級配碎石基層這一類型，具體試驗工況如下：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，預制塊類型為聯鎖預制塊IB和底部槽型聯鎖預制塊USB，共8種工況，來研究預制塊路面的水平阻力與水平位移間的關系。

2 試驗過程

為了更準確地測定水平阻力，在預制塊路面均勻選取6個不同位置處安置L形的鋼條，每個鋼條的間距為10 cm，用百分表測量各個位置的水平位移，然后將6個位置水平位移取平均值作為預制塊路面的水平位移(0.01 mm)，考慮到預制塊路面在發生較大水平位移時，預制塊路面結構已經失去穩定狀態，試驗測量記錄預制塊路面發生最大水平位移值為1 500(0.01 mm)，即1.5 cm；用力傳感器測量液壓千斤頂在水平加載時的力，即為預制塊路面的水平阻力，液壓千斤頂與預制塊路面之間有一個墊塊，以確保液壓千斤頂可以均勻水平加載，試驗時應緩慢勻速加載，記錄力傳感器和百分表相應的數值，試驗布置見圖1。

圖1 水平加載百分表布置圖

3 試驗結果與討論

預制塊路面的水平阻力試驗主要研究不同工況下，預制塊路面不同水平阻力時所對應的水平位移。試驗結果分3種情況來討論，即不同砂墊層厚度、不同砂墊層類型和不同預制塊類型。將每一種工況下所測得的預制塊路面水平阻力和相應的水平位移值繪制成平滑的曲線，分別討論不同工況對預制塊路面水平阻力的影響，結果如下。

3.1 砂墊層厚度對預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 普通砂墊層時預制塊路面水平阻力-水平位移曲線

圖3 摻入30%碎石砂墊層預制塊路面水平阻力-水平位移曲線

從圖2、3中可見，對于不同砂墊層類型，不同預制塊類型，30 mm砂墊層的預制塊路面在發生同樣的水平位移時，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，預制塊路面的水平阻力出現了降低。

為了定量分析各工況下預制塊路面水平阻力與水平位移的關系，使用臨界水平阻力f這一指標來定量分析預制塊路面抵抗水平位移的能力，即預制塊路面發生不超過300(0.01 mm)的水平位移時，所產生的最大水平阻力即為臨界水平阻力f，即圖2、3中虛線部分左側的最大水平阻力。

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

由此可見，砂墊層厚度較大時，會降低預制塊路面的水平阻力，使預制塊路面更容易出現水平滑動，從而影響預制塊路面結構受力，這與結構承載力試驗的結果是相符的，即增大砂墊層厚度，預制塊路面承載能力下降。預制塊路面實際使用過程中，也不宜采用過低的砂墊層厚度，這是因為過低的砂墊層厚度起不到調平預制塊面層的作用，從而影響預制塊路面結構的嵌擠效應。而從實際工程來看，過低的砂墊層厚度也不利于施工。因此，認為預制塊路面砂墊層厚度采取30～50 mm是合理的。

3.2 砂墊層類型對預制塊路面水平阻力的影響

對比圖2和圖3可以發現，當砂墊層為摻入30%碎石的砂墊層時，不論砂墊層是30 mm厚，還是50 mm厚時，聯鎖預制塊IB和底部槽型預制塊USB路面水平阻力相比普通砂墊層時都出現了明顯的下降。

摻入30%碎石的砂墊層相比普通砂墊層，30 mm和50 mm砂墊層厚度聯鎖預制塊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制塊USB路面的臨界水平阻力f分別下降了15.7%、15.4%。這說明改變砂墊層材料類型，對預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制塊路面抵抗水平滑動的能力。

在結構承載力試驗中，改變普通砂墊層類型為摻入30%碎石的砂墊層，各工況預制塊路面的臨界彎沉值L的平均值降低了2.8%～22%。這說明，雖然摻入30%碎石的砂墊層提高了預制塊路面的承載能力，但是同時也降低了預制塊路面抵抗水平滑動的能力。為提高預制塊路面抵抗水平滑動的能力，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 預制塊類型對預制塊路面水平阻力的影響

由圖2、圖3可見，聯鎖預制塊IB和底部槽型預制塊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。第一階段為水平阻力增大的階段，這時預制塊路面處于靜摩擦的狀態，此時塊體之間互相擠壓、接縫寬度減小，塊體之間更加緊密，所以預制塊路面整體只產生少量的位移，而減小到趨于平穩狀態時，即為第二階段，此時預制塊路面整體已經發生了明顯的滑動位移。

圖4、圖5分別為不同預制塊類型時，預制塊路面水平阻力和水平位移的關系曲線。

圖4 普通砂墊層預制塊路面水平阻力-水平位移關系曲線

圖5 摻入30%碎石的砂墊層預制塊路面水平阻力-水平位移關系曲線

由圖4、圖5可見，聯鎖預制塊IB和底部槽型預制塊USB路面的水平阻力和水平位移曲線的變化趨勢有所不同，USB曲線在第一階段相比IB 要更陡一些，即此時USB曲線對應的水平阻力要大一些，而在第二階段預制塊路面出現明顯滑動位移時，USB曲線和IB則較為相似，都比較平穩，聯鎖預制塊IB在下降段的趨勢則明顯更緩一些，但USB曲線對應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，底部槽型預制塊USB路面相比聯鎖預制塊IB路面更難發生水平滑移。

為了進一步研究聯鎖預制塊IB路面和底部槽型預制塊USB路面在抵抗水平滑動時的差異，將IB和USB路面的臨界水平阻力f和對應的水平位移值進行比較，整理結果見表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，聯鎖預制塊IB和底部槽型預制塊USB路面的臨界水平阻力f相差0.03～0.06 kN，相應的水平位移值相差53～80(0.01 mm)。f相差最小為50 mm普通砂墊層厚度時，此時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，USB比IB提高了12.2%，30 mm普通砂墊層時提高了7.7%，30 mm摻入30%碎石的砂墊層提高了5.4%。因此，可以認為，底部槽型預制塊USB路面抵抗水平滑動的能力相比聯鎖預制塊IB路面有所提升，這一結果與結構承載力試驗結果相符，即底部槽型預制塊USB路面的力學性能要優于聯鎖預制塊IB路面。

4 結論

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

2) 摻入30%碎石砂墊層的預制塊路面的臨界水平阻力f相比普通砂墊層時出現了下降，各類工況下降了13.8%～21%。對比結構承載力試驗結果，發現砂墊層摻入30%碎石后，預制塊路面的結構承載力得到了提高，但是抵抗水平滑動的能力下降，進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) 底部槽型預制塊USB路面的臨界水平阻力f相比聯鎖預制塊IB路面提高了4.8%～12.2%，底部槽型預制塊USB路面抵抗水平滑動的性能相比聯鎖預制塊IB路面更好。