柔性基层预制块铺面永久变形的环道试验研究

王火明,凌天清,周 刚,王 秀

(1.重庆交通大学 土木建筑学院,重庆 400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067;3.重庆市水电设计院,重庆 400020)

0 引 言

混凝土预制块铺面是由单个刚性块体拼装而成的具有柔性路面特征的一种特殊路面结构[1-2]，其承载力特性和变形破坏规律与常规的水泥路面和沥青路面有较大区别。研究和实践表明，对于混凝土预制块路面而言，永久变形是其最主要的损坏形式，决定了预制块路面的使用性能和寿命，是预制块铺面结构路用性能的最集中表现[3-7]。因此，有学者提出将永久变形作为柔性基层预制块铺面结构的设计指标[5,8-10]。

为了对预制块铺面结构的永久变形特性进行研究，笔者在室内铺设了级配碎石柔性基层的预制块铺面足尺环道，测试了在不同轴载次数作用下预制块铺面平整度的衰变情况，研究了荷载作用次数，接缝宽度，砂垫层厚度和砌块厚度对于铺面永久变形的影响。

1 试验段铺面结构

试验段包含了2种块体厚度、3种砂垫层厚度和3种接缝宽度。试验段铺面结构及编号见表1。

表1级配碎石预制块铺面环道试验段面层结构

Table1Surfacelayerstructureofmacadamprecastblockpavementinringroadtest

注：试验段编号为试字拼音首字母+砌块厚度+砂垫层厚度+接缝宽度组成，例如：S8-2-4，表示试验段块体厚度为8 cm，砂垫层厚度为2 cm，接缝宽度为4 mm。以下均以此代码表示。

限于室内环道长度和规模，试验分两阶段进行。第1阶段：块体厚度均为8 cm；第2阶段：块体厚度均为16 cm。第1阶段试验结束后，将砌块搬出，挖除砂垫层和级配碎石基层，重新施工级配碎石基层和砂垫层，然后铺筑16 cm砌块。两阶段为相互独立试验，其荷载作用次数相同。

环道中心线周长约36 m，试验开始前首先将环道分为9段，每段长度约为4 m。然后，按照预先设计好的面层结构铺筑砂垫层和砌块，控制砂垫层厚度和接缝宽度，并做好试验段落标记。洒布填缝砂，最后采用小型钢轮压路机静压3～5遍，使铺面块体稳定。铺设完成后应对铺面外观质量进行检查，对不稳定和存在沉陷的块体要进行调整，接缝砂不密实的要进行补填。

环道试验机模拟单轴双轮作用，轮胎接地压力为0.7 MPa，轴重为100 kN，设置环道运行速度为40 km/h，总运行次数为15万次。采用3 m直尺和钢尺实测不同轴载次数作用下的铺面平整度和接缝宽度。

2 试验结果与分析

2.1 实测铺面平整度及接缝宽度的变化

采用3 m直尺对不同荷载作用次数过后的预制块路面路表的永久变形进行测量，测量值为竖向最大间隙值，测试位置为环道试验机轮载作用中心轴线处，测试方向为横向(即与试验轮运行方向垂直方向)；采用钢尺对接缝宽度变化进行测量，测试结果见表2。

表2预制块路面测试结果

Table2Testresultsofprecastblockpavement

从试验结果来看，预制块铺面永久变形随着荷载作用次数的增加而增大。在荷载作用初期，永久变形增加幅度最大。当荷载作用次数超过5万次后，永久变形增加幅度明显减小。此外，铺面永久变形与砂垫层厚度有明显关系，砂垫层厚度越大，最终永久变形也越大。

随着荷载作用次数的增加，铺面接缝宽度存在一定的波动，有个别接缝宽度在减少，但绝大部分接缝宽度表现为增大。总体来看，接缝宽度变化都不大，全部实测数据显示，接缝宽度最大变化值未超过±2 mm。

2.2 接缝宽度对路面永久变形的影响

以S8-2-4、S8-2-6和S8-2-10等3个试验段的永久变形实测数据为例，永久变形随荷载作用次数的变化关系见图1。

图1 铺面永久变形与接缝宽度的关系Fig.1 Relationship between permanent deformation and joint width of pavement

从图1可以看出，在块体厚度和砂垫层厚度相同的条件下，随着荷载作用次数的增加，铺面永久变形逐渐增大。接缝宽度越小，最终路面永久变形越小；接缝宽度越小，永久变形曲线拐点越早出现，表明接缝宽度越小，预制块铺面越早形成嵌挤稳定结构。当接缝宽度不大于6 mm时，荷载作用次数达5万次，铺面即可形成稳定的嵌挤结构，此时铺面产生的永久变形约为6 mm；当接缝宽度为10 mm时，荷载作用次数需要达到10万次,铺面才能达到稳定的嵌挤结构，此时铺面产生的永久变形约为9 mm。

由此可见，接缝宽度不仅影响预制块铺面最终的永久变形大小，还会影响铺面结构的承载力特性，即接缝宽度对于预制块铺面结构“拱效应”的形成会产生一定影响。综合全部试验结果，建议预制块铺面结构的接缝宽度控制在3～8 mm，以5 mm为宜。

2.3 砂垫层厚度对路面永久变形的影响

以S8-2-6、S8-4-6和S8-6-6这3个试验段的永久变形实测数据为例，永久变形随荷载作用次数的变化关系见图2。

图2 铺面永久变形与砂垫层厚度的关系Fig.2 Relationship between permanent deformation and sand cushion thickness

从图2可以看出，在块体厚度和接缝宽度相同的条件下，随着荷载作用次数的增加，铺面永久变形逐渐增大。砂垫层厚度越小，最终路面永久变形越小；在荷载作用次数为5万次时，3条永久变形曲线均出现拐点，表明砂垫层厚度对预制块铺面嵌挤状态的形成没有影响。在接缝宽度相同的情况下，不同砂垫层厚度的预制块铺面几乎都是在5万次荷载作用时出现了稳定的嵌挤状态。但是，砂垫层厚度不同，出现嵌挤稳定状态时铺面的永久变形量是不同的。当砂垫层厚度分别为2，4，6 cm时，对应出现嵌挤稳定状态时的铺面永久变形量分别为7，7，9 mm；在荷载作用次数为15万次时，对应的铺面永久变形总量分别为9，10，13 mm。

由此可见，砂垫层厚度主要是影响预制块铺面结构的永久变形量大小，综合全部试验结果，建议预制块铺面结构的砂垫层厚度控制在2～5 cm为宜。

2.4 砌块厚度对永久变形的影响

以S8-4-6、S16-4-6两个试验段的永久变形实测数据为例，永久变形随荷载作用次数的变化关系见图3。

图3 铺面永久变形与块体厚度的关系Fig.3 Relationship between permanent deformation of pavement and blocks pavement thickness

从图3可以看出，在砂垫层厚度和接缝宽度相同的条件下，随着荷载作用次数的增加，铺面永久变形逐渐增大。块体厚度对于铺面永久变形的影响很小。在相同荷载作用次数下，块体厚度大，铺面永久变形会相对小一点。8 cm厚块体铺面在荷载作用次数为15万次时，铺面永久变形量为10 mm；16 cm厚块体铺面在荷载作用次数为15万次时，铺面永久变形量为9 mm；即块体厚度增加了1倍，而铺面永久变形只减少了10%。

由此可见，块体厚度对于预制块铺面的永久变形没有太大影响。试图依靠增加块体厚度来减少铺面永久变形是不现实的。

3 永久变形预估模型

从图1～图3可以看出，随着荷载作用次数的增加，预制块铺面的永久变形逐渐增大。永久变形曲线存在明显的拐点，在出现拐点以前(荷载作用初期)，永久变形随荷载作用次数增加而增大的幅度较大；拐点过后，这种幅度明显减小。这说明预制块铺面的永久变形主要是发生在荷载作用的初期，亦即铺面嵌挤状态形成以前。此外，预制块铺面的永久变形与块体厚度、接缝宽度关系不大，主要是与砂垫层厚度和荷载作用次数有关。实践中，砂垫层厚度的变化范围是有限的(环道试验的砂垫层厚度为2～6 cm)，砂垫层厚度在有限的变化范围内对于预制块铺面的永久变形也是有限的。

根据表2的试验数据，可以得到不同铺面结构在不同荷载作用次数下的永久变形量。通过统计回归分析，可以得到预制块铺面永久变形量与荷载作用次数的代表曲线(主曲线)，即预制块铺面永久变形与荷载作用次数关系，见图4。

图4 预制块铺面永久变形主曲线Fig.4 Main curve for permanent deformation of precast block pavement

由主曲线，不难得到预制块铺面永久变形与荷载作用次数的关系，见式(1)：

(1)

式中：L为永久变形量，mm；N为标准荷载作用次数，次。

基于室内环道试验得到的预制块铺面永久变形与实际工程可能会存在一定的偏差，这与路面的边界条件、使用环境、荷载状况等有关。例如室内环道无法模拟出实际路面在使用过程中因垫层砂流失而导致的永久变形和接缝宽度的变化、实际荷载条件与室内试验环道的荷载条件也存在差异等。因此，在应用式(1)对预制块路面的永久变形量进行预估时，还必须根据路面实际情况加以必要的修正。

4 结 论

利用室内足尺环道试验场铺筑混凝土预制块铺面试验段，研究了在一定荷载作用次数下，接缝宽度、砂垫层厚度、块体厚度与预制块铺面平整度以及接缝宽度的变化关系，结论如下：

1)在荷载作用下，预制块铺面的接缝宽度有增大和减小两种变化趋势，但总体上接缝宽度变化都不大，绝对数值未超过2 mm。

2)接缝宽度对于预制块铺面的永久变形有一定影响，接缝宽度越大，铺面永久变形也越大。当接缝宽度不大于6 mm时，荷载作用次数达5万次，铺面即可形成稳定的嵌挤结构，此时铺面产生的永久变形约为6 mm；当接缝宽度为10 mm时，荷载作用次数需要达到10万次时，铺面才能达到稳定的嵌挤结构，此时铺面产生的永久变形约为9 mm。

3)接缝宽度不仅影响预制块铺面最终的永久变形大小，还会影响铺面结构的承载力特性，即接缝宽度对于预制块铺面结构“拱效应”的形成会产生一定影响。综合全部试验结果，建议预制块铺面结构的接缝宽度控制在3～8 mm，以5 mm为宜。

4)砂垫层厚度对预制块铺面嵌挤状态的形成没有影响。在接缝宽度相同的情况下，不同砂垫层厚度的预制块铺面几乎都是在5万次荷载作用时出现了稳定的嵌挤状态。

5)砂垫层厚度不同，预制块路面出现嵌挤稳定状态时铺面的永久变形量是不同的。当砂垫层厚度分别为2，4，6 cm时，对应出现嵌挤稳定状态时的铺面永久变形量分别为7，7，9 mm；在荷载作用次数为15万次时，对应的铺面永久变形总量分别为9，10，13 mm。

6)砂垫层厚度主要是影响预制块铺面结构的最终永久变形量大小，建议预制块铺面结构的砂垫层厚度控制在2～5 cm为宜。

7)块体厚度对于铺面永久变形的影响很小。即块体厚度增加了1倍，而铺面永久变形只减少了10%。因此，块体厚度对于预制块铺面的永久变形没有太大影响。

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