田志伟 贾立夫 于兵杰 贾艳敏

摘要：為研究装配式道路基层结构接缝的传荷性能及影响参数，该研究设计装配式基层静力加载试验，分析试验结构在不同等级荷载作用下装配式基层接缝的传荷性能，建立三维有限元模型，并对试验结果进行验证。在有限元分析结果与试验结果验证基础上，使用有限元分析法对装配式基层传荷性能进行影响参数分析。研究2种加载工况下，预制板混凝土强度等级、灌浆料弹性模量以及荷载等级对行车方向传荷性能的影响。结果表明，预制板混凝土强度等级比灌浆料强度等级对传荷性能的影响更大；双点加载传荷性能比单点加载传荷性能更好；装配式基层接缝灌浆料弹性模量从32 500 MPa下降到22 500 MPa，会增大接缝的应变，降低预制板之间传荷性能。随着荷载增加，装配式基层接缝传荷性能下降，接缝应变和接缝弯沉均增大，需严格控制超载情况。

关键词：道路工程；装配式基层；接缝应变；传荷性能；数值模拟

中图分类号：U416文献标识码：A文章编号：1006-8023（2023）02-0165-11

Analysis of Load Transfer Performance and Influencing Parameters

of Seams of Prefabricated Road Base Structure

TIAN Zhiwei1， JIA Lifu2*， YU Bingjie1， JIA Yanmin1*

（1.School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China；

2.NEFU Engineering Consuslting&Design Institute Co.， LID， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the load transfer performance and influencing parameters of the seams of the prefabricated road base， the static loading test of the prefabricated base was designed. The load transfer performance of the prefabricated base seams of the test structure under the action of different load levels was analyzed， and a three-dimensional finite element model was established to verify the test results. Based on the finite element analysis results and the experimental results， the finite element analysis method was used to analyze the influencing parameters of the load transfer performance of the prefabricated base. The effects of precast panel concrete strength grade， grouting material elastic modulus， and load grade on the load transfer performance in the driving direction were studied under two loading conditions. The results showed that the precast panel concrete strength grade had a greater influence on the load transfer performance than the grouting material strength grade; the load transfer performance of double-point loading was better than that of single-point loading. The elastic modulus of the prefabricated base seam grouting material decreased from 32 500 MPa to 22 500 MPa， which would increase the strain of the seam and reduce the load transfer performance between the precast panels. As the load increased， the load transfer performance of the seams of the prefabricated base layer decreased， the seam strain and seam deflection increased， and the overload situation needed to be strictly controlled.

Keywords：Road engineering; prefabricated base; seam strain; load transfer performance; numerical simulation

收稿日期：2022-06-02

基金项目：黑龙江省自然基金资助项目（E2017003）;中冶京城工程技术有限公司科研项目资助（01-20090231-287-304369）

第一作者简介：田志伟，硕士研究生。研究方向为桥梁工程。Email： 14507022@qq.com

通信作者：贾艳敏，博士，教授。研究方向为桥梁工程。Email： 1450702286@qq.com;贾立夫，硕士，工程师。研究方向为道路与桥梁。Email： jialifuo@126.com。

引文格式：田志伟，贾立夫，于兵杰，等.装配式道路基层结构接缝传荷性能及影响参数分析[J].森林工程，2023，39（2）：165-175.

TIAN Z W， JIA L F， YU B J， et al. Analysis of load transfer performance and influencing parameters of seams of prefabricated road base structure[J]. Forest Engineering， 2023， 39（2）：165-175.

0引言

随着国内经济飞速发展，城市道路交通愈发拥挤，对道路维修速度和质量提出了很高的要求。传统现浇道路不仅建造维修质量和效率受环境影响大，而且施工会造成严重的环境污染，使得道路运输效率大大降低，增加了城市道路的运输压力[1]。预制混凝土路面具有高质量、快速建造和易于维护等特点。当快速、耐用的路面施工和维修需求出现时，装配式基层技术也得以随之发展[2]。装配式基层预制板由工厂浇筑完成，运输至施工现场进行组装和连接，是一种替代传统现浇基层的新型道路基层结构[3]。

国内外科研人员对此展开了一些研究，国外研究主要集中在预制路面，Vaitkus等[4]对预制混凝土路面纹理进行了定义分析；Syed等[5-6]讨论了不同类型PCP对于不同环境条件的适用性以及创新发展和未来应用范围，并研究了新型预应力预制路面板；Tayabji等[7]研究了预制混凝土路面施工技术，表明预制路面板有巨大的修复和再建造的潜力；Novak等[8]研究了预制混凝土路面系统开发。国内装配式基层研究现状，孙建诚等[9]使用ABAQUS软件模拟分析装配式基层在静/动载作用下的受力特性；马健生等[10]分析研究了装配式道路基层结构填缝材料配比设计及性能；蒋帅等[11]使用ABAQUS有限元软件对装配式基层接缝进行应力分析；石爽爽[12]对装配式基层调平材料进行了材料试验分析。国内外对于装配式基层的研究大多处于有限元模拟层面或者装配式基层材料相关试验，鲜有相关试验作为实际支撑来研究装配式道路基层结构受力特性。

装配式基层有广泛应用场景，接缝传荷能力对装配式基层的整体性和耐久性至关重要。故学习前者研究经验和成果设计装配式基层静力加载试验和有限元模型的方式，研究单、双点加载下装配式基层接缝传荷性能及影响参数。

1装配式基层结构静力加载试验

国内对于装配式道路基层结构运用较少，具有代表性的有沈阳市陵园路工程道路项目，从预制板运输进场到完成全部基层作业仅用8 d，如图1所示。长春市经开南区汽车专用园区道路项目预制板铺设如图2所示。装配式道路基层结构工艺步骤如下：预制板在工厂进行浇筑养生，运输至施工现场，使用机械整齐铺设预制板，接缝处使用灌浆料填封，最后进行封面。工程实践表明装配式道路基层结构整体性比二灰碎石基层更好，基层板与灌浆料之间有较好的黏结性[13]。

1.1试验结构

综合考虑试验场所、试验规模以及反力架尺寸等各种条件的限制，根据文献[14]，本次装配式基层静力加载试验采用缩尺结构模型，将几何缩尺比相似系数定为1∶3，材料性能相似比为1∶1[15]。装配式基层拼装总长度为3 070 mm，宽度为2 080 mm，厚度100 mm。单块预制板的长度为990～1 010 mm，宽度为690～720 mm。预制板与板之间采用斜企口方式嵌挤，接缝使用灌浆料进行联结。预制板下有2 cm厚的砂墊层起调平作用，砂垫层下为30 cm厚土基层。试验结构底部及其四周由1个2 cm厚的钢框约束，模拟真实路基两侧以限制其侧向位移。装配式基层剖面图及俯视图如图3和图 4所示。

1.2试验过程

1.2.1试验准备工作

汽车轮胎荷载作用于路面有静态压力和动态压力2种方式，标准轴载规定为BZZ-100 [16]。根据文献面荷载设置为1∶1[17]。汽车静止状态下轮胎压力值为0.4～0.7 MPa，而汽车在行驶过程中轮胎内因高速摩擦产生气压，轮胎对道路路面的压力增加至0.9～1.1 MPa。

假设车轮荷载传至路面是均布荷载，接触的压力与车轮和道路接触面积大小有关。为了更好地测得预制板应变数据，试验结构未设置沥青路面层，因此，根据圣维南原理，假设路面车轮荷载向下45°方向扩散传递，将车轮缩尺后等效为18 cm×16 cm的矩形[18-19]。装配式基层预制板采用C20混凝土制作，不设置钢筋。灌浆料满足施工现场连接预制板所需性能指标。灌浆料性能指标见表1。

试验测得黏性土含水率与干密度关系如图5所示，图5中极大值点对应黏性土最佳含水率和最大干密度，最佳含水率为13.82%，最大干密度为1.94 g/cm3。环刀法测得黏性土的密实度为95.3%。满足土基层压实度90%以上要求[14]。土基回弹模量试验土的弹性模量为50 MPa。装配式基层试验如图6所示。

1.2.2试验仪器布置

试验预制板接缝表面采用表贴式应变片，预制板边缘内部预埋混凝土应变计。埋入式应变计尺寸相对预制板尺寸不可忽略，故将应变计设置在离预制板斜企口短边2 cm处，测量预制板板边内部应变。应变计和应变片的布置位置如图7所示。

1.2.3加载工况

将缩尺后的结构进行千斤顶静力加载试验，加载装置由垫块、分配梁、千斤顶、传感器和反力架组成，加载点旁设置位移计，以记录加载点弯沉。试验采用量程为100 kN的压力传感器作为荷载施加的度量仪器，采用手动加载方式分5级静力加载，每级荷载加载完毕3 min后再开始记录试验数据。试验设置单点和双点共2个加载工况，加载点布置如图 8所示。

2结果与分析

2.1应变计结果分析

埋入式应变计试验结果如图9所示。为简便描述，现将行车方向规定为X方向，垂直于行车方向规定为Y方向。

工况1中当单点加载点在5号板正中间时，其X、Y方向接缝应变均为负值，证明5号板接缝X、Y方向均处于受压状态，X、Y方向应变大小随着荷载增大而增大，传荷性能随着荷载逐渐增大而逐渐减小，X方向传荷性能由72.08%逐渐降低至54.89%，Y方向传荷性能由83.05%逐渐降低至34.57%。

工况2中当5号板进行双点加载时，X、Y方向的应变增长速率近似相等，双点加载时加载点离接缝较近，同时使得预制板之间有更好的传递效率，这说明车轮轴载同时由多板承担，传荷性能会提高。X方向传荷性能由79.81%降低至65.12%，Y方向传荷性能由79.53%降低至60.99%。单点和双点加载作用下接缝传荷性能都随着荷载增大而下降，双点加载相比单点加载传荷性能下降幅度更低，因此，尽可能地让多块预制板承担荷载会增强装配式基层的传荷性能，增强装配式基层结构的整体性，应尽量避免发生超载情况。

装配式基层在0.7 MPa单点加载下应变变化平稳，具有良好的性能，预制板与板之间连接完好，基层具有很好的整体性。当荷载达到0.70～1.40 MPa时，预制板接缝的应变继续增大，传荷性能有所下降。荷载超过1.40 MPa以后预制板接缝应变增幅突然增大，传荷性能明显下降。随着荷载的继续增加，预制板接缝应变增加幅度显著增大。因此应限制预制板接缝数量和超载情况，来保证路面平整度和结构整体性。试验研究发现，5号板受到荷载作用时，图7（a）中的1 757和7 668应变计数值很小，可忽略不计，说明荷载由5号板传递至2、4、6、8号块预制板，而这4块预制板没有将荷载传递给1、3、7、9号预制板，说明预制板受到荷载作用时，只把荷载传递给了相邻预制板。

2.2应变片结果分析

荷载试验X、Y方向接缝应变结果如图10所示。

单点加载和双点加载在相同荷载条件下，接缝应变增长趋势大致相同，接缝应变均随荷载增大而增大，接缝传荷性能随着荷载增大而逐渐降低。工况2 X方向最大应变比工况1 X方向最大应变大13.33%，Y方向最大应变则比工况1最大应变小39.48%，工况2 X、Y方向应变峰值差值更小，说明工况2在多点荷载作用下，接缝整体受力性能更好，传荷性能得到提高，荷载能更好地由5号板传至其他板。通过应变片结果发现5号板受到荷载作用时，图7中的62AX、92AX和34AX等应变片数值很小，说明荷载由5号板传递至2、4、6、8号块预制板，而这4块预制板没有将荷载传递给1、3、7、9号预制板，说明预制板受到荷载作用时，只把荷载传递给了相邻预制板。这与应变计结果相吻合。因此设计预制板尺寸时应尽可能将多块预制板同时承担车载，避免单板受力过重导致结构破坏。

3有限元模拟

3.1有限元模型建立与参数选取

1）各层结构为连续、均匀、各向同性的线弹性体。模型采用C3D8R单元（8节点六面体线性缩减积分单元）[20]。工况1和工况2均为0.7 MPa。

2）为简便运算，模型不设置砂垫层。路面结构自上而下设定为10 cm厚C20基层预制板+灌浆料+30 cm厚压实土基层，模型结构尺寸与图3和图4一致，加载点位置与图7和图8一致。

3）装配式基层与灌浆料使用黏结功能模拟，基层以下等效为Winkler地基。土层与预制板之间横向摩擦系数（μ）设置为0.7，纵向设置为硬接触[21]。在黏结参数中横向摩擦系数（μ）设置为0.7，纵向设置为硬接触，钢模底部设置三相固结，钢模四周不设置约束。在加载面上设置参考点RP-1，将参考点与加载面耦合，有限元模型如图11所示。

4）将5号板中间划分区域，使其划分的网格更加规整并增大模拟计算精确度。基层和灌漿料网格大小为50 mm，土基层与钢模网格大小为100 mm。为使结构网格划分规则增加计算精确度，将5号板中设置参考面，并将参考面向四板边延伸，以此使网格划分形状规则，大小一致。有限元模型网格如图12所示。结构设置所取参数见表2。

因预制预制板与板之间和钢模与预制板之间均由灌浆料进行黏结，但是其连接企口形状不同，依据文献黏结参数见表 3[22-23]。

3.2有限元计算结果与试验结果对比

有限元模型模拟验证结果如图13和图14所示，有限元模拟与试验同一点应变结果对比，有限元模拟应变与试验结果误差在15%以内。

3.3接缝应变分析

有限元模型与试验结果验证后进行影响参数分析。为研究基层混凝土等级对接缝传荷性能以及灌浆料混凝土等级对接缝传荷性能的影响，基层混凝土强度选取3种等级C20、C25、C30，灌浆料25 500、28 000、30 000、31 500、32 500 MPa 5种弹性模量进行有限元模拟计算，模拟计算结果如图15所示，图15中C20—C30表示预制板混凝土强度等级。

由图15可知，工况1中预制板混凝土强度和灌浆料弹性模量一定时，随着荷载增大，装配式基层接缝应变逐渐增大。荷载由0.7 MPa分别增大到1.1 MPa和1.4 MPa，当预制板强度等级为C20时，接缝平均应变从28.76×10-6分别增大到49.21×10-6和69.70×10-6，涨幅为71.11%和142.36%；当预制板强度等级为C25时，接缝平均应变从24.67×10-6分别增大到42.54×10-6和64.09×10-6，涨幅为72.44%和159.79%；当预制板强度等级为C30时，接缝平均应变从22.43×10-6分别增大到38.35×10-6和53.13×10-6，涨幅为73.21%和136.88%。

工况2中荷载由0.7 MPa分别增大到1.1 MPa和1.4 MPa，当预制板强度等级为C20时，接缝平均应变从38.14×10-6分别增大到61.28×10-6和92.34×10-6，涨幅为60.68%和142.11%；当预制板强度等级为C25时，接缝平均应变从27.13×10-6分別增大到51.83×10-6和74.98×10-6，涨幅为91.04%和176.38%；当预制板强度等级为C30时，接缝平均应变从24.37×10-6分别增大到47.53×10-6和68.42×10-6，涨幅为95.04%和180.76%。对比工况1，相同荷载等级下，工况2接缝应变更大且受荷载影响更大。说明超载会使装配式基层接缝应变增大，使接缝处于不利地位，增大接缝工作负担。荷载等级和灌浆料弹性模量一定时，增大预制板混凝土强度有助于降低接缝应变。预制板混凝土强度和荷载等级一定时，改变灌浆料弹性模量对接缝应变影响不大。影响接缝处应变因素由强到底依次为：荷载等级、预制板混凝土强度等级、灌浆料弹性模量。

3.4接缝弯沉分析

装配式基层有限元模拟中影响参数与接缝应变分析相同，取受荷侧接缝弯沉值，结果如图16所示，图16中标识C20—C30代表预制板混凝土强度等级，22 500至31 500表示灌浆料弹性模量。

由图16可知，2种工况随着荷载等级增大，接缝弯沉增大。荷载等级一定时，接缝弯沉均随着灌浆料弹性模量和预制板混凝土强度等级提高而减小。工况1在3种荷载等级下最大弯沉值分别为0.188 7、0.287 1、0.377 8 mm。工况2在3种荷载等级下最大弯沉值分别为0.285 8、0.419 8、0.558 8 mm。说明双点加载作用下，接缝弯沉值更大。

3.5接缝传荷性能分析

装配式基层有限元模拟中影响参数与接缝应变分析相同，结果如图17和图18所示，图17和图18中标识中C20—C30代表预制板混凝土强度等级。

由图17可知，当荷载以及预制板强度等级一定时，随着灌浆料弹性模量的提高，行车方向传荷性能逐渐降低。荷载为0.7 MPa时，C20预制板传荷性能从98.67%逐渐降低至97.25%；C25预制板传荷性能从96.38%逐步降低至94.88%；C30预制板传荷性能从93.90%降低至92.06%。荷载为1.1 MPa和1.4 MPa时，行车方向传荷性能均有不同程度的降低，这说明并不是弹性模量越高的灌浆料和强度等级越高的预制板传荷性能就越好。荷载一定，随着灌浆料弹性模量和预制板强度等级的提高，接缝应变逐步减小，这说明高强度的灌浆料和预制板可以使结构接缝抗破坏的能力提高。当荷载为0.7 MPa时，双点加载情况下，随着预制板混凝土强度等级和灌浆料弹性模量的提高，接缝传荷性能由99.61%逐渐降低至94.41%；当荷载为1.1 MPa时，随着预制板混凝土强度等级和灌浆料弹性模量的提高，接缝传荷性能由99.12%逐渐降低至92.03%；当荷载为1.4 MPa时，随着预制板混凝土强度等级和灌浆料弹性模量的提高，接缝传荷性能由98.94%逐渐降低至86.31%。荷载等级一定时，灌浆料弹性模量和预制板混凝土强度等级的提高均会降低接缝传荷性能。

由图18可知，预制板强度和灌浆料弹性模量一定时，接缝传荷性能随着行车荷载的增大而逐渐降低，这说明超载会降低接缝传荷性能，并且增大接缝应变。装配式基层道路在长期超载作用下，接缝结构发生较大形变从而导致接缝发生结构破坏，装配式道路基层结构应严格控制超载情况。2种工况预制板强度和灌浆料弹性模量一定时，接缝传荷性能也随着行车荷载的增大而逐渐降低，超载会降低装配式基层接缝传荷性能，并且增大接缝应变和接缝弯沉。装配式基层道路在长期超载作用下，接缝结构发生较大形变从而导致接缝发生剪切破坏，装配式道路基层结构应严格控制超载情况。工况2整体传荷性能更好，且传荷性能受荷载等级影响更小，证明多点加载可以使受荷板更好地将荷载传递给其他预制板。

3.6有限元模拟参数分析

由3.3至3.5小节可知，在荷载等级和灌浆料弹性模量相同情况下，双点加载工况C20预制板接缝的应变值和弯沉值较大，2种工况中C30预制板传荷性能较低，故分别对C20预制板接缝应变弯沉值和C30预制板接缝传荷性能使用曲面二元二次函数进行拟合分析。曲面拟合图如图19和图20所示。曲面拟合方程分别编号为1、2、3、4，X自变量为荷载，Y自变量为灌浆料弹性模量，Z因变量为接缝应变、接缝弯沉和传荷性能，为简便拟合将灌浆料弹性模量单位设置为GPa，曲面拟合方程见表4。

由图19可知，随着荷载等级逐渐增大，接缝应变也随之增大。而随着灌浆料弹性模量逐步提高，接缝应变下降趋势不明显。同理，随着荷载等级逐渐增大，接缝弯沉也随之增大。而随着灌浆料弹性模量逐步提高，接缝弯沉下降趋势不明显。

由图20可知，随着荷载等级逐渐增大，接缝传荷性能逐渐降低。而随着灌浆料弹性模量逐步提高，接缝应变下降趋势不明显。同理，随着荷载等级逐渐增大，接缝传荷性能逐渐降低。而随着灌浆料弹性模量逐步提高，接缝传荷性能下降趋势不明显。

由表4可知，曲面拟合方程系数R2数值均大于0.98，说明接缝的应变、弯沉和传荷性能都与荷载、灌浆料弹性模量能够很好地满足二元二次多项式的关系。

4结论

1）预制板混凝土强度等级对传荷性能影响更大，增大预制板混凝土强度等级更能减小接缝应变，增大接缝受力性能，增强装配式基层的结构整体性。接缝传荷性能影响因素由大到小分别为荷载等级、预制板混凝土强度和灌浆料弹性模量。

2）超载作用下，接缝传荷性能降低，且接缝应变和接缝弯沉增大，接缝容易发生应力集中和不均匀沉降，导致剪切破坏，应严格控制超载情况发生。

3）双点加载传荷性能比单点加载传荷性能受荷载影响小，因此在设计实际装配式基层道路时，装配式基层板尺寸不宜过大，避免造成单板单独承受汽车荷载，应使汽车荷载同时作用在2～4块预制板上。

4）有限元软件ABAQUS计算得到的应变弯沉数据与试验数据相吻合，表明接触表面引用内聚力模型可以很好地反映实际试验结果，验证有限元的可行性。

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