李嘉琦 周冰清 李月光

(武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063)

目前公路和城市道路使用较多的是沥青混凝土路面和水泥混凝土路面，但是对于一些特殊场合，如人行道和城市广场、农村低等级公路、山区复杂道路，以及一些对于路面荷载等级要求较高、需便于维修养护的场合，如物流园区、港区堆场等场合，预制块路面应用广泛[1]。预制块路面结构相比传统的水泥混凝土路面[2]和沥青路面具有特殊性，主要在于其面层和砂垫层。面层是由预制块块体紧密拼接而成，块体间填筑接缝砂，预制块面层下设砂垫层和基层。这种特殊结构可以形成嵌挤效应，提高预制块路面的承载力[3]。然而，在路面行车荷载长期作用下，预制块块体容易出现松散、断裂，接缝砂容易流失等病害[4]，从而影响路面的使用。

目前对预制块路面力学性能的研究主要集中在预制块路面的结构承载力和耐久性，如采用室内承载板法研究预制块路面在荷载作用下的弯沉值，采用室内环道试验方法[5]研究预制块路面在荷载长期作用下的路面车辙深度。这些研究考虑的是预制块面层，未能涉及预制块面层之下的砂垫层[6]。实际上，预制块面层和砂垫层之间的相互作用十分重要，砂垫层不仅起到找平、调平的作用，还有分散预制块面层荷载的功能，这对于预制块路面的嵌挤效应影响很大。

底部槽型预制块由于底部开槽的特殊构造，在预制块面层振动压实后，垫层砂能够填进预制块底部的凹槽中，与预制块面层有更好的接触，从而提供更大的水平阻力，使这种嵌挤作用更牢固，改善路面性能。为了研究预制块面层与砂垫层之间的相互作用，本文对底部槽型预制块路面抵抗水平滑动的能力进行了研究。试验选用预制块类型为联锁预制块(interlocking precast block，IB)和底部槽型联锁预制块(underside shaped interlocking precast block，USB)，研究各工况下预制块路面的抵抗水平滑动的能力[7-8]。

1 试验准备

试验路面结构与预制块路面结构承载力试验相同，即将试验路面结构安装在一个100 cm×100 cm×60 cm的木箱里，木箱外四周需进行加固，以保证预制块路面结构在荷载水平加载时能够保持稳定。各结构层尺寸分别为30 cm的土基、15 cm的级配碎石基层、3 cm或5 cm的砂垫层，预制块尺寸为230 mm×115 mm，厚度为60 mm。预制块块间接缝统一为3～5 mm，预制块采用编织式铺筑，即不考虑接缝宽度和预制块铺筑方式对预制块路面水平滑动的影响。

利用液压千斤顶作用在反力架上，对预制块路面结构进行水平加载，用安置在预制块面层相应位置的百分表来测量预制块面层的水平位移(0.01 mm)，用力传感器来测量水平加载的荷载数值，即为预制块路面的水平阻力(kN)。考虑到基层类型与预制块路面水平位移之间没有直接关联，因此，预制块路面水平加载试验仅选用级配碎石基层这一类型，具体试验工况如下：选取30，50 mm 2种砂垫层厚度，砂垫层类型为普通砂垫层和掺入30%碎石的砂垫层，预制块类型为联锁预制块IB和底部槽型联锁预制块USB，共8种工况，来研究预制块路面的水平阻力与水平位移间的关系。

2 试验过程

为了更准确地测定水平阻力，在预制块路面均匀选取6个不同位置处安置L形的钢条，每个钢条的间距为10 cm，用百分表测量各个位置的水平位移，然后将6个位置水平位移取平均值作为预制块路面的水平位移(0.01 mm)，考虑到预制块路面在发生较大水平位移时，预制块路面结构已经失去稳定状态，试验测量记录预制块路面发生最大水平位移值为1 500(0.01 mm)，即1.5 cm；用力传感器测量液压千斤顶在水平加载时的力，即为预制块路面的水平阻力，液压千斤顶与预制块路面之间有一个垫块，以确保液压千斤顶可以均匀水平加载，试验时应缓慢匀速加载，记录力传感器和百分表相应的数值，试验布置见图1。

图1 水平加载百分表布置图

3 试验结果与讨论

预制块路面的水平阻力试验主要研究不同工况下，预制块路面不同水平阻力时所对应的水平位移。试验结果分3种情况来讨论，即不同砂垫层厚度、不同砂垫层类型和不同预制块类型。将每一种工况下所测得的预制块路面水平阻力和相应的水平位移值绘制成平滑的曲线，分别讨论不同工况对预制块路面水平阻力的影响，结果如下。

3.1 砂垫层厚度对预制块路面水平阻力的影响

30，50 mm砂垫层厚度情况下，砂垫层类型为普通砂垫层和掺入30%碎石的砂垫层的预制块路面水平阻力和水平位移曲线见图2、图3。

图2 普通砂垫层时预制块路面水平阻力-水平位移曲线

图3 掺入30%碎石砂垫层预制块路面水平阻力-水平位移曲线

从图2、3中可见，对于不同砂垫层类型，不同预制块类型，30 mm砂垫层的预制块路面在发生同样的水平位移时，其水平阻力均明显大于50 mm砂垫层下的水平阻力，即增大砂垫层厚度，预制块路面的水平阻力出现了降低。

为了定量分析各工况下预制块路面水平阻力与水平位移的关系，使用临界水平阻力f这一指标来定量分析预制块路面抵抗水平位移的能力，即预制块路面发生不超过300(0.01 mm)的水平位移时，所产生的最大水平阻力即为临界水平阻力f，即图2、3中虚线部分左侧的最大水平阻力。

30 mm的普通砂垫层联锁预制块IB和底部槽型预制块USB路面的临界水平阻力f相比50 mm砂垫层厚度时分别提高了4.8%、7.7%；砂垫层类型为掺入30%碎石砂垫层时，30 mm的砂垫层联锁预制块IB和底部槽型预制块USB路面的临界水平阻力f相比50 mm砂垫层厚度时分别提高了14.3%、7.3%。

由此可见，砂垫层厚度较大时，会降低预制块路面的水平阻力，使预制块路面更容易出现水平滑动，从而影响预制块路面结构受力，这与结构承载力试验的结果是相符的，即增大砂垫层厚度，预制块路面承载能力下降。预制块路面实际使用过程中，也不宜采用过低的砂垫层厚度，这是因为过低的砂垫层厚度起不到调平预制块面层的作用，从而影响预制块路面结构的嵌挤效应。而从实际工程来看，过低的砂垫层厚度也不利于施工。因此，认为预制块路面砂垫层厚度采取30～50 mm是合理的。

3.2 砂垫层类型对预制块路面水平阻力的影响

对比图2和图3可以发现，当砂垫层为掺入30%碎石的砂垫层时，不论砂垫层是30 mm厚，还是50 mm厚时，联锁预制块IB和底部槽型预制块USB路面水平阻力相比普通砂垫层时都出现了明显的下降。

掺入30%碎石的砂垫层相比普通砂垫层，30 mm和50 mm砂垫层厚度联锁预制块IB路面的临界水平阻力f分别下降了13.8%、21.0%；而30 mm和50 mm砂垫层厚度底部槽型预制块USB路面的临界水平阻力f分别下降了15.7%、15.4%。这说明改变砂垫层材料类型，对预制块路面水平阻力有较大的影响，掺入30%碎石的砂垫层降低了预制块路面抵抗水平滑动的能力。

在结构承载力试验中，改变普通砂垫层类型为掺入30%碎石的砂垫层，各工况预制块路面的临界弯沉值L的平均值降低了2.8%～22%。这说明，虽然掺入30%碎石的砂垫层提高了预制块路面的承载能力，但是同时也降低了预制块路面抵抗水平滑动的能力。为提高预制块路面抵抗水平滑动的能力，建议在掺入30%碎石的砂垫层中再掺入一定量的水泥，以提高砂垫层的整体性。

3.3 预制块类型对预制块路面水平阻力的影响

由图2、图3可见，联锁预制块IB和底部槽型预制块USB的水平阻力和水平位移曲线都是先增大，后减小，最后趋于平稳。第一阶段为水平阻力增大的阶段，这时预制块路面处于静摩擦的状态，此时块体之间互相挤压、接缝宽度减小，块体之间更加紧密，所以预制块路面整体只产生少量的位移，而减小到趋于平稳状态时，即为第二阶段，此时预制块路面整体已经发生了明显的滑动位移。

图4、图5分别为不同预制块类型时，预制块路面水平阻力和水平位移的关系曲线。

图4 普通砂垫层预制块路面水平阻力-水平位移关系曲线

图5 掺入30%碎石的砂垫层预制块路面水平阻力-水平位移关系曲线

由图4、图5可见，联锁预制块IB和底部槽型预制块USB路面的水平阻力和水平位移曲线的变化趋势有所不同，USB曲线在第一阶段相比IB 要更陡一些，即此时USB曲线对应的水平阻力要大一些，而在第二阶段预制块路面出现明显滑动位移时，USB曲线和IB则较为相似，都比较平稳，联锁预制块IB在下降段的趋势则明显更缓一些，但USB曲线对应的水平阻力更小一些。因此，这两阶段的水平阻力反映了在相同的水平力作用下，底部槽型预制块USB路面相比联锁预制块IB路面更难发生水平滑移。

为了进一步研究联锁预制块IB路面和底部槽型预制块USB路面在抵抗水平滑动时的差异，将IB和USB路面的临界水平阻力f和对应的水平位移值进行比较，整理结果见表1。

表1 各工况下IB和USB路面临界水平阻力f和水平位移值比较

由表1可见，各工况下，联锁预制块IB和底部槽型预制块USB路面的临界水平阻力f相差0.03～0.06 kN，相应的水平位移值相差53～80(0.01 mm)。f相差最小为50 mm普通砂垫层厚度时，此时USB相比IB提高了4.8%，而f相差最大为50 mm掺入30%碎石的砂垫层时，USB比IB提高了12.2%，30 mm普通砂垫层时提高了7.7%，30 mm掺入30%碎石的砂垫层提高了5.4%。因此，可以认为，底部槽型预制块USB路面抵抗水平滑动的能力相比联锁预制块IB路面有所提升，这一结果与结构承载力试验结果相符，即底部槽型预制块USB路面的力学性能要优于联锁预制块IB路面。

4 结论

1) 30 mm砂垫层厚度的预制块路面的临界水平阻力f相比砂垫层厚度为50 mm时提高了4.8%～14.3%，低厚度砂垫层的预制块路面抵抗水平滑动能力更好。

2) 掺入30%碎石砂垫层的预制块路面的临界水平阻力f相比普通砂垫层时出现了下降，各类工况下降了13.8%～21%。对比结构承载力试验结果，发现砂垫层掺入30%碎石后，预制块路面的结构承载力得到了提高，但是抵抗水平滑动的能力下降，进一步的建议是在掺入30%碎石的砂垫层中再掺入一定量的水泥。

3) 底部槽型预制块USB路面的临界水平阻力f相比联锁预制块IB路面提高了4.8%～12.2%，底部槽型预制块USB路面抵抗水平滑动的性能相比联锁预制块IB路面更好。