混凝土連鎖砌塊路面的設計技術研究

李滄江

摘要 文章介紹混凝土連鎖砌塊路面的結構特點、基層永久形變深度計算、基層底面的彎拉應力計算、相關設計控制指標的允許取值范圍、設計控制、設計過程等一系列砌塊路面設計技術要點，并通過案例設計，驗證了該設計技術的工程適用性。相關技術點可為混凝土連鎖砌塊路面的工程設計應用提供設計技術參考。

關鍵詞 路面結構；連鎖型；混凝土砌塊；設計研究

中圖分類號 U655.56文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0075-03

0 引言

混凝土連鎖砌塊是由混凝土澆筑而成的立方體單元結構組合，廣泛應用于路面鋪筑。其單元立方體或者兩端設有凸凹咬合連鎖結構，或者借助砂墊層粘固形成一體化組合結構，具有結構強度高、適合軟基礎改造應用、耐久性好、成本造價低、鋪筑和維修方便等優勢，廣泛運用于重丘軟基區公路、鄉村公路、橋頭過渡段、挖填交界、高填方路段、港區堆場道路、城市人行道等工程中。

研究表明，在混凝土連鎖砌塊路面遭受破壞的過程中，路面抗滑性能下降、接縫的張開、砌塊間相對位移及塊損壞等破壞與路面工程結構的關系并不大，而在連鎖砌塊路面的結構設計中，嚴格控制路面永久形變、半剛性基層底面的疲勞開裂等控制參數，經公式計算和按步驟進行設計，即可達到工程設計預期。

1 設計指標計算

1.1 基層永久形變深度的計算

級配碎石基連鎖砌塊路面的永久形變深度之與砌塊厚度、車輛作用次數及所引起的路面彎沉間的回歸公式如下：

式中，h——砌塊的厚度（cm）；l——一次軸載作用的回彈彎沉（mm）；Nm——對應l的軸載累計作用次數；C——砌塊厚度為8 cm、10 cm、12 cm所對應的C值，分別為1.17、1.25、1.34。有了上述公式，根據設計周期內標準軸載累計次數與路面的允許永久形變深度要求，通過有限元模擬計算路面結構的彎沉值，即可設計路面結構的組合厚度[1]。

1.2 基層底面的彎拉應力計算

基層底面的彎拉應力計算采用2階段設計方法。

第1階段：疲勞壽命由基層底部的疲勞彎拉應力控制。因為該階段的疲勞壽命與基層底部發生的彎拉應力有關，所以根據公式（1）進行設計控制。

第2階段：疲勞壽命由基層開裂的永久形變深度控制。因為該階段疲勞壽命跟路面撓度有關，則需要計算基層彎拉應力與等厚集料路面基層的彎沉，從而分析2個階段的抗疲勞標準軸次之間的關系。

式中，[σ]——半剛性基層的彎拉應力容許值；σs——基層材料抗彎拉的極限強度；Nm——標準軸載累計作用次數；Kd——動荷系數，一般取值1.05。根據公式（2）則可以得出： （3）

將前述半剛性基層的底面彎拉應力計算結果代入公式（4），計算第1階段標準軸載作用于路面的次數Nm-σ，然后將路面彎沉的計算結果代入公式（1），計算第2階段標準軸載作用于路面的次數，所得結果見表2所示[2]。

表2數據顯示，2階段設計法與只考慮基礎開裂破壞的1階段設計法有很大區別。比如在連鎖砌塊厚度10 cm、基層厚度18 cm、土基模量45 MPa的條件下，采取1階段設計方法時，路面的標準軸次接近49萬次，而如果采用2階段設計時，則標準軸載的作用次數可達101萬次。

2階段設計方法的設計過程如下：第1階段，以基底部的彎拉應力低于允許彎拉應力作為控制指標。如果計算結果令人滿意，第2階段則以標準軸載的累計數作為檢查永久形變深度是否低于允許深度的檢查指標。如果檢查結果合格，則設計滿足要求。

2 允許控制指標

連鎖砌塊路面的永久形變容許深度可為30～40 mm。半剛性基層材料的抗彎拉極限強度σs應由試驗確定。如果試驗條件不具備，無機結合穩定細粒料基層的抗彎拉強度可取0.4 MPa，無機結合穩定粗粒料基層的抗彎拉強度可取0.60 MPa。

3 結構設計方法

3.1 設計控制

連鎖砌塊路面設計可參考柔性路面設計方法，并適當參考材料、地質、交通要求和環境特點等情況，開展綜合設計。在柔性路面AASHTO設計方法中，其設計控制方程如下：

（5）

式中，EALs——80 kN單軸等效荷載在設計周期內的累計作用次數；FR——設計的安全性水平；SN——路面的結構系數；p0——初始服務性能；pt——最終服務性能；MR——土基的有效回彈模量。

3.2 設計過程

連鎖砌塊路面的4個主要設計控制變量[3]包括環境條件、交通量計算、土基模量確定、計算結構層厚度。具體設計過程如下所述。

3.2.1 環境條件

環境條件對路面性能的影響較大，濕度會降低土質和自由顆粒材料的強度，從而影響路面的載承性能。濕度造成一些土質凍脹。溫度也影響路面載承性能，特別是存在瀝青穩定層時，其影響則更加明顯。低溫與濕度共同作用，會造成融凍破壞。冰凍情況下水膨脹會導致材料凍脹。凍融循環會降低材料強度。這些有害影響可以通過路面除潮濕、改善土質或選擇環境敏感度低的材料給予控制或消除。連鎖砌塊路面濕度與排水設計參數見表3所示。

3.2.2 交通量計算

設計壽命周期內的交通量是一個關鍵設計控制因素。在大多數設計方案中，與交通量相關的參數包括車道分布系數、方向分離系數、增長率和交通量。在設計過程中，交通量用累計軸載EALs表示，其計算公式如下：

式中，n——設計年限；i——交通量增長率；LF——車道分布系數；ADT——上下行2個方向上的日平均交通量；EAL0——初期每百輛車的EAL量；DS——方向分布率。

道路級別和車輛分類見表4～5所示。各道路級別的典型日平均交通量與車道分布系數關系見表4。典型城鄉道路的車輛分布、車輛損壞系數與EAL0關系見表5所示。此外默認設計年限為20年，交通增長率為4%，方向分隔系數為50%。在實際設計中，可以從國家、省、地方的交通數據中獲得具體數值。

式中，FR——可靠性設計因素，FR≥1，可靠性程度越高該值越大；s0——標準差；zr——標準正常差[4]。

在柔性路面中，s0在0.30～0.50中取值；在剛性路面中，s0在0.30～0.40中取值；在連鎖砌塊路面中，s0一般取值0.45。其可靠性設計系數FR見表6。對應道路級別的可靠性水平見表4。

3.2.3 土基模量確定

土質強度是路面設計的關鍵因素之一，有許多方法可以用來確定這個設計系數，比如根據經驗的；試驗室測試的；基于土質類型與土質強度的關聯性進行設計的等等。

該設計方法則用USCS或AASHTO土質分類體系來表征土基設計強度。在沒有其他信息的情況下，使用土質類型與強度之間的關聯性來評價界定土基強度。

3.2.4 計算結構層厚度

（1）關于服務性。初始p0代表施工后路面的服務性表達值。由于連鎖砌塊路面數據不足，推薦值為4.00。最終pt表示路面大修前允許的最低服務性表達值。所有級別的筑塊路面的服務性表達值建議值取2.50。

（2）根據得到的土基強度與EAL設計值，將相關參數代入公式（5），獲得結構SN系數值。結構承載力SN表達：

（9）

式中，ai——代表材料第i層的層間系數；tn——代表材料第n層的層間厚度。

4 案例設計

該設計研究以某城市商業街的雙車道連鎖砌塊路面鋪裝設計為例。路面修建在砂土上，按USCS土質分類，屬于ML土質。根據掌握的土質特點和氣候數據，路面預測將達到>25%飽和度的濕度水平，屬于排水非常好的情況。設計中缺乏詳細交通數據，設計考慮了融凍影響。使用以下基層材料：瀝青處治基層，其模量為2 410 MPa；粒料類基層，其模量為310 MPa；粒料底基層，其模量95 MPa。設計一定要包括基層，但不一定包括底基層。設計過程如下：

第1步：建立濕度與排水條件。如上所述，路面預測將達到>25%飽和度的濕度水平，屬于排水非常好的情況。

第2步：進行EAL計算。由于設計中缺乏詳細交通數據，則參考表4～6的建議值，梳理出n=20，i=4%，EAL0=3.841，ADT=2000，FR=2.010，LF=100%，DS=50%等參數，通過公式計算，獲得交通量設計值為839 089 EALs。

第3步：確定獲得土基模量。按USCS土質分類，確定設計強度值。參考USCSML土質，在給定的濕度與排水條件下，土基設計模量選擇52 MPa。由于考慮融凍作用，最終確定設計強度值采取31 MPa標準。

第4步：墊層砂和連鎖砌塊參數選擇。由于交通量≤2 000 000 EALs，決定采取25 mm墊層砂和80 mm連鎖砌塊。

第5步：AASHTO層系數。利用已知的材料模量，通過ai系數，可以確定AASHTO層系數：砌塊層與墊層砂組合層系數0.44；顆粒基層系數為0.14；瀝青處理基層系數為0.30；自由顆粒底基層系數為0.08；根據濕度和排水條件調整粒料基層與底基層的ai值，等等。

第6步：確定基層的厚度，并對基底層厚度進行修正計算。案例設計最終確定粒料基層最終厚度為265 m，瀝青處理基層最終厚度為130 mm。

第7步，結果校核。參考所用材料特性和設計計算獲得的參數結果，開展有限元模擬分析。模擬結果顯示，案例連鎖砌塊路面在單一載荷下的彎沉值為1.11 mm，瀝青處理基層路面通過彎沉進行驗算。經公式（1）計算得知，路面的永久形變DR值為32.5 mm<[DR]，顯示該連鎖砌塊路面滿足設計要求。

5 結語

該文開展了混凝土連鎖砌塊路面的設計技術研究。①梳理分析了不同基層類型的連鎖砌塊路面設計控制指標。②闡述采用瀝青處治碎石或者級配碎石基層時，可以將路面永久形變作為設計控制指標；當采用混合無機結合料基層時，連鎖砌塊路面可分2個階段實施設計，第1階段選擇底面彎拉應力為主要設計控制指標，第2階段選擇粒料基層的永久形變深度為設計控制指標。該設計控制方式基于無機結合穩定集料的底面發生彎拉損壞時，粒料基層仍能夠繼續發揮結構功效這一特點，更利于有效應對混凝土砌塊路面的破壞因素。③圍繞環境、交通、土質、材料等影響因素，闡述設計控制指標的允許取值范圍及計算方法。④梳理了混凝土連鎖砌塊路面的設計步驟，并以案例設計應用及該設計的有限元模擬測試結果，驗證了該設計技術的適用性。

參考文獻

[1]孫立軍. 連鎖塊鋪面的結構承載理論[J]. 土木工程學報， 1995（4）： 15-21.

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[4]伍大勇. 農村公路連鎖塊路面結構設計及施工工藝研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2007.