碎石基層空隙率對縫隙式透水路面承載穩定性的影響*

季天一，許峻倫，陶竟成，唐小軍，劉阿兵，夏邵君，張振宇

(1.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 210016；2.句容市市政建設服務所，江蘇 句容 212400；3.句容市住房和城鄉建設局，江蘇 句容 212400；4.中交第四公路工程局有限公司，北京 100020)

縫隙式透水路面是海綿城市建設中常用透水鋪裝之一，主要由面層、找平層、基層和路基組成。其面層主要由砼路面磚及磚體間的接縫組成，通過在接縫內填充散粒狀材料實現路面的透水功能，一般接縫面積占鋪裝總面積的5%～15%，整個路面結構具有承載力高、耐久性好、維護方便等優點。級配碎石柔性基層具有空隙率高、透水性好等優點，是縫隙式透水鋪裝常用基層類型，但與剛性和半剛性基層材料相比其強度較低、剛度較小，在荷載作用下極易產生豎向永久變形，影響路面的承載穩定性。目前對粒料類柔性基層永久豎向變形的研究大多集中在荷載作用次數和大小及材料的物理性能對變形的影響方面，很少針對碎石空隙率變化進行試驗研究。在縫隙式透水路面結構中，基層不僅是重要的承重層，更是主要的蓄水和儲水層，而碎石基層的空隙率是影響路面儲水能力的關鍵指標，也直接影響路面的承載性能。該文以適用于輕型荷載的縫隙式透水路面為研究對象，以路面豎向位移為指標，通過室內豎向循環加載試驗研究不同碎石基層空隙率對路面承載穩定性的影響，探究碎石基層的受力特點和承載機理。

1 試驗設計

1.1 試驗模型制備

試驗采用的縫隙式透水路面結構模型見圖1。碎石采用玄武巖，找平層及填縫材料采用2.36～4.75 mm單粒徑碎石。

圖1 縫隙式透水路面結構模型

模型試件制作時，先在模具內鋪設底基層，按其厚度分3層將碎石裝入試驗模具中，每層裝入后用HCD90型振動沖擊夯振動壓實，壓實度在95%以上；之后進行下一次裝填并再次壓實，直至達到底基層設計厚度，并按同樣的方法依次鋪設基層及找平層；鋪設完找平層后，用水準尺檢查是否整平，隨后按人字式鋪設方式鋪設砼路面磚，并預留10 mm縫隙；最后將填縫材料填充到縫隙中，完成路面模型試件鋪裝。

1.2 試驗設計與方法

為研究不同碎石基層空隙率在荷載作用下對縫隙式透水路面承載穩定性的影響，試驗設計15%、20%、25%、30%和35% 5種空隙率，每種空隙率的碎石分別由3種級配組成(見表1)。

表1 基層碎石的級配

通過伺服作動器對路面結構施加豎向循環荷載，模擬車輛對縫隙式透水路面的荷載作用，并以路面的豎向永久變形為指標評價路面的承載穩定性，試驗方法見圖2。根據《城市道路:透水人行道鋪設》，輕型荷載透水路面采用汽車標準軸載Bzz40，試驗過程中所加循環荷載采用余弦波形，上限為40 kN，下限取上限的1/10即4 kN，荷載頻率為1 次/s，重復加載5 000 次，由位移傳感器實時采集每次荷載作用下路面的豎向位移。

圖2 豎向循環加載試驗

2 試驗結果與分析

2.1 荷載作用次數與鋪面豎向變形的關系

不同空隙率時碎石基層鋪面豎向變形與荷載作用次數的關系見圖3～7。從圖3～7可看出：雖然每組碎石基層的空隙率不同，但鋪面結構的豎向變形發展趨勢相同。縫隙式透水路面的豎向變形隨著荷載作用次數的增加而增加，在荷載作用初期，路面豎向變形量增長速率較高，隨后增加速度逐漸降低。荷載作用次數從100次增加到500次時，豎向變形量的平均增長率為30%；荷載作用次數由500次增加到1 000次時，變形量的平均增長率為25%。荷載作用次數達到3 000次時，鋪面的豎向變形曲線出現拐點，隨著荷載作用次數的增加，豎向變形的增長率顯著減小，每千次荷載作用次數，路面豎向變形的增長率穩定在2%～3%。荷載作用次數達到5 000次時，豎向變形增長率在1%以內，變形增量不超過0.1 mm，鋪面結構達到穩定狀態。

圖3 空隙率15%時加載次數與豎向位移的關系

圖4 空隙率20%時加載次數與豎向位移的關系

圖5 空隙率25%時加載次數與豎向位移的關系

圖6 空隙率30%時加載次數與豎向位移的關系

圖7 空隙率35%時加載次數與豎向位移的關系

縫隙式透水路面鋪筑完成后，各粒料類結構層存在一定的壓實空間，故在荷載作用初期，路面的豎向變形急劇增加。隨著荷載次數的增加，豎向變形的增長速度逐漸減小，表明路面結構層逐漸密實，整個鋪面結構逐漸趨于穩定。作用次數繼續增大時，鋪面的豎向變形增長量已很小，縫隙式透水路面結構已形成穩定的結構層，面層的“拱效應”也已形成，在控制最大載荷不變的情況下，繼續增加荷載作用次數對路面結構的影響已微乎其微?？梢姡瑢嶋H施工過程中保證粒料類結構層一定的壓實度及填縫材料的密實度是重中之重。此外，前期車輛荷載的反復作用使鋪面進一步壓實，路面磚的位置調整，與填縫材料的嵌擠作用增加，鋪面結構的整體性進一步增強，可認為縫隙式透水路面初期變形是使整個路面結構形成穩定狀態所必須的。

2.2 基層空隙率與鋪面豎向變形的關系

不同基層空隙率與鋪面豎向變形的關系見圖8。由圖8可知：隨著基層空隙率的增大，縫隙式透水路面的豎向變形增加。基層空隙率分別為15%、20%、35%時，鋪面的平均豎向變形分別為2.67、3.06和4.02 mm，且碎石基層的空隙率越小，豎向變形曲線的拐點位置越靠前。表明空隙率越小，路面越容易達到穩定狀態?？梢?，碎石基層空隙率對縫隙式透水路面的承載性能有較大影響，在滿足一定儲水能力的前提下，采用空隙率較小的級配碎石能顯著降低鋪面的豎向變形，提高路面的承載穩定性。

圖8 不同基層空隙率與豎向變形的關系

碎石基層的強度主要由集料形成的骨架結構提供，骨架結構的強弱主要與集料的自身強度及集料間的摩阻力和嵌擠力有關。根據Fuller最大密度曲線理論及近年來常用的逐級填充理論，當粗骨料形成緊密嵌擠的骨架結構且含有適量的細集料填充骨架中的間隙時，所形成的骨架密實結構空隙率最小，密實度最大?？障堵试叫。现g接觸點越多，從而能形成良好的嵌擠作用，提供較好的抗變形能力。空隙率逐漸增大時，骨架結構的可壓縮空間增多，雖然透水性能較優但穩定性降低，碎石基層的永久變形增大。

3 豎向變形預估模型

縫隙式透水路面基層的儲水量主要與級配碎石的空隙率有關，即如果材料的空隙率為30%，則理論上每100 mm的儲水層可容納30 mm的降水，每100 mm3的基層材料可儲水30 mm3，從水文性能角度考慮，采用大空隙率的級配碎石基層有利于鋪面的蓄水能力。但從圖8來看，隨著基層空隙率的增大，鋪面的豎向位移增大，級配碎石的空隙率對路面承載穩定性有較大影響。

為便于在路面結構設計時通過基層材料的空隙率預估路面的整體豎向變形，評價選用的透水材料是否適合實際需求，在透水路面的水文性能及承載性能兩個相矛盾的設計指標上尋找共通點，根據上述試驗結果，采用SPSS軟件對基層材料空隙率與鋪面的豎向變形進行統計回歸分析(見圖9)，得到如下關系式：

圖9 空隙率與豎向變形的擬合曲線

L=0.065 54P+1.650 7，R2=0.987 34

(1)

式中：L為鋪面的豎向變形量(mm)；P為級配碎石基層空隙率(%)。

式(1)的相關系數為0.987，擬合準確度較高，豎向位移的預測值與試驗值誤差較小。

4 結論

(1)縫隙式透水路面的豎向變形隨荷載作用次數的增加而增加，在加載初期變形增長較快；加載次數達到3 000次時，路面的豎向變形曲線出現拐點，變形增長速度逐漸變緩；荷載次數達到5 000次時，路面結構達到穩定狀態，每加載千次，變形增量不超過0.1 mm。

(2)縫隙式透水路面的豎向變形隨碎石基層空隙率的增加而增大，基層空隙率越小，豎向變形曲線拐點位置越靠前，路面越容易達到穩定狀態，路面的承載穩定性越高。

(3)建立縫隙式透水路面的豎向變形與碎石基層空隙率之間的數學模型，模型計算值與試驗結果吻合度較高。