混凝土连锁砌块路面的设计技术研究

李沧江

摘要 文章介绍混凝土连锁砌块路面的结构特点、基层永久形变深度计算、基层底面的弯拉应力计算、相关设计控制指标的允许取值范围、设计控制、设计过程等一系列砌块路面设计技术要点，并通过案例设计，验证了该设计技术的工程适用性。相关技术点可为混凝土连锁砌块路面的工程设计应用提供设计技术参考。

关键词 路面结构；连锁型；混凝土砌块；设计研究

中图分类号 U655.56文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0075-03

0 引言

混凝土连锁砌块是由混凝土浇筑而成的立方体单元结构组合，广泛应用于路面铺筑。其单元立方体或者两端设有凸凹咬合连锁结构，或者借助砂垫层粘固形成一体化组合结构，具有结构强度高、适合软基础改造应用、耐久性好、成本造价低、铺筑和维修方便等优势，广泛运用于重丘软基区公路、乡村公路、桥头过渡段、挖填交界、高填方路段、港区堆场道路、城市人行道等工程中。

研究表明，在混凝土连锁砌块路面遭受破坏的过程中，路面抗滑性能下降、接缝的张开、砌块间相对位移及块损坏等破坏与路面工程结构的关系并不大，而在连锁砌块路面的结构设计中，严格控制路面永久形变、半刚性基层底面的疲劳开裂等控制参数，经公式计算和按步骤进行设计，即可达到工程设计预期。

1 设计指标计算

1.1 基层永久形变深度的计算

级配碎石基连锁砌块路面的永久形变深度之与砌块厚度、车辆作用次数及所引起的路面弯沉间的回归公式如下：

式中，h——砌块的厚度（cm）；l——一次轴载作用的回弹弯沉（mm）；Nm——对应l的轴载累计作用次数；C——砌塊厚度为8 cm、10 cm、12 cm所对应的C值，分别为1.17、1.25、1.34。有了上述公式，根据设计周期内标准轴载累计次数与路面的允许永久形变深度要求，通过有限元模拟计算路面结构的弯沉值，即可设计路面结构的组合厚度[1]。

1.2 基层底面的弯拉应力计算

基层底面的弯拉应力计算采用2阶段设计方法。

第1阶段：疲劳寿命由基层底部的疲劳弯拉应力控制。因为该阶段的疲劳寿命与基层底部发生的弯拉应力有关，所以根据公式（1）进行设计控制。

第2阶段：疲劳寿命由基层开裂的永久形变深度控制。因为该阶段疲劳寿命跟路面挠度有关，则需要计算基层弯拉应力与等厚集料路面基层的弯沉，从而分析2个阶段的抗疲劳标准轴次之间的关系。

式中，[σ]——半刚性基层的弯拉应力容许值；σs——基层材料抗弯拉的极限强度；Nm——标准轴载累计作用次数；Kd——动荷系数，一般取值1.05。根据公式（2）则可以得出： （3）

将前述半刚性基层的底面弯拉应力计算结果代入公式（4），计算第1阶段标准轴载作用于路面的次数Nm-σ，然后将路面弯沉的计算结果代入公式（1），计算第2阶段标准轴载作用于路面的次数，所得结果见表2所示[2]。

表2数据显示，2阶段设计法与只考虑基础开裂破坏的1阶段设计法有很大区别。比如在连锁砌块厚度10 cm、基层厚度18 cm、土基模量45 MPa的条件下，采取1阶段设计方法时，路面的标准轴次接近49万次，而如果采用2阶段设计时，则标准轴载的作用次数可达101万次。

2阶段设计方法的设计过程如下：第1阶段，以基底部的弯拉应力低于允许弯拉应力作为控制指标。如果计算结果令人满意，第2阶段则以标准轴载的累计数作为检查永久形变深度是否低于允许深度的检查指标。如果检查结果合格，则设计满足要求。

2 允许控制指标

连锁砌块路面的永久形变容许深度可为30～40 mm。半刚性基层材料的抗弯拉极限强度σs应由试验确定。如果试验条件不具备，无机结合稳定细粒料基层的抗弯拉强度可取0.4 MPa，无机结合稳定粗粒料基层的抗弯拉强度可取0.60 MPa。

3 结构设计方法

3.1 设计控制

连锁砌块路面设计可参考柔性路面设计方法，并适当参考材料、地质、交通要求和环境特点等情况，开展综合设计。在柔性路面AASHTO设计方法中，其设计控制方程如下：

（5）

式中，EALs——80 kN单轴等效荷载在设计周期内的累计作用次数；FR——设计的安全性水平；SN——路面的结构系数；p0——初始服务性能；pt——最终服务性能；MR——土基的有效回弹模量。

3.2 设计过程

连锁砌块路面的4个主要设计控制变量[3]包括环境条件、交通量计算、土基模量确定、计算结构层厚度。具体设计过程如下所述。

3.2.1 环境条件

环境条件对路面性能的影响较大，湿度会降低土质和自由颗粒材料的强度，从而影响路面的载承性能。湿度造成一些土质冻胀。温度也影响路面载承性能，特别是存在沥青稳定层时，其影响则更加明显。低温与湿度共同作用，会造成融冻破坏。冰冻情况下水膨胀会导致材料冻胀。冻融循环会降低材料强度。这些有害影响可以通过路面除潮湿、改善土质或选择环境敏感度低的材料给予控制或消除。连锁砌块路面湿度与排水设计参数见表3所示。

3.2.2 交通量计算

设计寿命周期内的交通量是一个关键设计控制因素。在大多数设计方案中，与交通量相关的参数包括车道分布系数、方向分离系数、增长率和交通量。在设计过程中，交通量用累计轴载EALs表示，其计算公式如下：

式中，n——设计年限；i——交通量增长率；LF——车道分布系数；ADT——上下行2个方向上的日平均交通量；EAL0——初期每百辆车的EAL量；DS——方向分布率。

道路级别和车辆分类见表4～5所示。各道路级别的典型日平均交通量与车道分布系数关系见表4。典型城乡道路的车辆分布、车辆损坏系数与EAL0关系见表5所示。此外默认设计年限为20年，交通增长率为4%，方向分隔系数为50%。在实际设计中，可以从国家、省、地方的交通数据中获得具体数值。

式中，FR——可靠性设计因素，FR≥1，可靠性程度越高该值越大；s0——标准差；zr——标准正常差[4]。

在柔性路面中，s0在0.30～0.50中取值；在刚性路面中，s0在0.30～0.40中取值；在连锁砌块路面中，s0一般取值0.45。其可靠性设计系数FR见表6。对应道路级别的可靠性水平见表4。

3.2.3 土基模量确定

土质强度是路面设计的关键因素之一，有许多方法可以用来确定这个设计系数，比如根据经验的；试验室测试的；基于土质类型与土质强度的关联性进行设计的等等。

该设计方法则用USCS或AASHTO土质分类体系来表征土基设计强度。在没有其他信息的情况下，使用土质类型与强度之间的关联性来评价界定土基强度。

3.2.4 计算结构层厚度

（1）关于服务性。初始p0代表施工后路面的服务性表达值。由于连锁砌块路面数据不足，推荐值为4.00。最终pt表示路面大修前允许的最低服务性表达值。所有级别的筑块路面的服务性表达值建议值取2.50。

（2）根据得到的土基强度与EAL设计值，将相关参数代入公式（5），获得结构SN系数值。结构承载力SN表达：

（9）

式中，ai——代表材料第i层的层间系数；tn——代表材料第n层的层间厚度。

4 案例设计

该设计研究以某城市商业街的双车道连锁砌块路面铺装设计为例。路面修建在砂土上，按USCS土质分类，属于ML土质。根据掌握的土质特点和气候数据，路面预测将达到>25%饱和度的湿度水平，属于排水非常好的情况。设计中缺乏详细交通数据，设计考虑了融冻影响。使用以下基层材料：沥青处治基层，其模量为2 410 MPa；粒料类基层，其模量为310 MPa；粒料底基层，其模量95 MPa。设计一定要包括基层，但不一定包括底基层。设计过程如下：

第1步：建立湿度与排水条件。如上所述，路面预测将达到>25%饱和度的湿度水平，属于排水非常好的情况。

第2步：进行EAL计算。由于设计中缺乏详细交通数据，则参考表4～6的建议值，梳理出n=20，i=4%，EAL0=3.841，ADT=2000，FR=2.010，LF=100%，DS=50%等参数，通过公式计算，获得交通量设计值为839 089 EALs。

第3步：确定获得土基模量。按USCS土质分类，确定设计强度值。参考USCSML土质，在给定的湿度与排水条件下，土基设计模量选择52 MPa。由于考虑融冻作用，最终确定设计强度值采取31 MPa标准。

第4步：垫层砂和连锁砌块参数选择。由于交通量≤2 000 000 EALs，决定采取25 mm垫层砂和80 mm连锁砌块。

第5步：AASHTO层系数。利用已知的材料模量，通过ai系数，可以确定AASHTO层系数：砌块层与垫层砂组合层系数0.44；颗粒基层系数为0.14；沥青处理基层系数为0.30；自由颗粒底基层系数为0.08；根据湿度和排水条件调整粒料基层与底基层的ai值，等等。

第6步：确定基层的厚度，并对基底层厚度进行修正计算。案例设计最终确定粒料基层最终厚度为265 m，沥青处理基层最终厚度为130 mm。

第7步，结果校核。参考所用材料特性和设计计算获得的参数结果，开展有限元模拟分析。模拟结果显示，案例连锁砌块路面在单一载荷下的弯沉值为1.11 mm，沥青处理基层路面通过弯沉进行验算。经公式（1）计算得知，路面的永久形变DR值为32.5 mm<[DR]，显示该连锁砌块路面满足设计要求。

5 结语

该文开展了混凝土连锁砌块路面的设计技术研究。①梳理分析了不同基层类型的连锁砌块路面设计控制指标。②阐述采用沥青处治碎石或者级配碎石基层时，可以将路面永久形变作为设计控制指标；当采用混合无机结合料基层时，连锁砌块路面可分2个阶段实施设计，第1阶段选择底面弯拉应力为主要设计控制指标，第2阶段选择粒料基层的永久形变深度为设计控制指标。该设计控制方式基于无机结合稳定集料的底面发生弯拉损坏时，粒料基层仍能够继续发挥结构功效这一特点，更利于有效应对混凝土砌块路面的破坏因素。③围绕环境、交通、土质、材料等影响因素，阐述设计控制指标的允许取值范围及计算方法。④梳理了混凝土连锁砌块路面的设计步骤，并以案例设计应用及该设计的有限元模拟测试结果，验证了该设计技术的适用性。

参考文献

[1]孙立军. 连锁块铺面的结构承载理论[J]. 土木工程学报， 1995（4）： 15-21.

[2]李永明. 连锁块鋪面的施工工艺和质量控制要点[J]. 港工技术， 2001（2）： 29-31.

[3]张文正. 关于砌块路面施工技术探讨[J]. 广东交通职业技术学院学报， 2004（4）： 37-39.

[4]伍大勇. 农村公路连锁块路面结构设计及施工工艺研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2007.