嵌挤组装式混凝土砌块道路基层的结构外形及嵌挤度

郭  高，徐  俭，赵健淳

                                （长春市市政工程设计研究院 ，吉林 长春  130033）

摘  要：嵌挤组装式混凝土砌块道路基层是国内道路结构的最新专利技术，其核心是具有三向立体嵌挤及卯榫功能的砌块。该砌块由混凝土预制成型，按一定规则组装并灌注砂浆即构成道路基层结构。该结构的施工工艺是将常规道路施工在同一场地顺序作业的模式，改为在不同场地分期作业的模式，关键是将基层结构养生场地由路床转移至预制场，从而达到缩短建设工期，减少温差、运距、设备、人员等环节对施工质量的不利影响，保证道路基层施工质量的目的。该结构主要应用于道路抢修^[4]、停车场、高架桥下被交路口、地道桥下穿路段的道路施工，具有工期短、强度高、抗翻浆、寿命长的特点。

关键词：道路；基层；嵌挤度；砌块互卯；纵横错缝；立体嵌挤

中图分类号：               文献标志码：B          文章编号：1009-7767（2014）02-0000-00

External Form and Interlocked-denseness Degree of Road Base Structure with Interlocking Assemble Type Concrete Block

Guo Gao，Xu Jian，Zhao Jianchun 1  技术背景

混凝土预制块在建筑及市政工程中已有广泛的应用，为使预制块组合体有足够的整体稳定性，通常采取砌块自身设置卯榫结构、砌块之间靠螺栓连接结构、预留型芯配钢筋现浇混凝土结构、缝隙灌注砂浆结构等形式。在这些结构中，利用混凝土预制件自身设置卯榫连接及预留型芯配钢筋现浇混凝土结构，不但使预制件外形复杂，增加制造工艺难度，并且因卯榫截面受预制件尺寸限制，连接强度有限，在使用中容易损坏。而采用砌块之间螺栓连接结构时，由于钢筋与混凝土强度差大，在有震动荷载情况下连接处的混凝土易损坏，需要设置过渡材料，造成工艺复杂、成本提高。砂浆灌注工艺因简单而被经常使用，但是普通混凝土预制块之间在无卯榫条件下由于整体稳定性差容易产生滑移、错动，致使砂浆结构在动载荷作用时松散^[1]，砌块间的连接也随之失效，最终导致结构破坏。

经考察老式木箱的边角均采用双向嵌锁稳定结构，北京琉璃河大桥及卢沟桥所使用的银锭扣卯榫结构，也是利用卯榫固定相邻的石料。这类卯榫结构，没有使用现代的钢筋或螺栓连接，仍然具有极佳的稳定特征，据此可证嵌锁与卯榫是保持桥梁等建筑结构稳定和长寿命的诀窍。

笔者总结了北京琉璃河桥银锭扣结构特性及常见混凝土预制块结构的利弊，依靠砌块之间互为卯榫的原理，提出一种平面纵横均为错缝、立面互为卯榫，具备三向立体嵌挤稳定的新型结构——嵌挤组装式混凝土砌块道路基层结构。

2  砌块外形结构设计

嵌挤度是指衡量砌块结构在受垂直荷载作用时，砌块之间互为卯榫产生嵌挤作用大小的程度。例如：1块红砖，呈立方体，由于其侧面为90°角，因此嵌挤度为零。当将砖块按路面砖的铺设方式以相互垂直的行列组合成平面结构时，尽管其中单块砖可以承载垂直力，但是在不考虑缝隙内填砂与砖块侧面的摩擦作用条件下，各相邻砖块不能相互抵抗垂直荷载^[1]，结构特点表现为各砖块沉降量不均，导致平整度差。这种结构在水平方向的荷载是按行或列传递受力，如果使其如路面砖一样的错缝排列，使每块砖相对于其他砖都是卯榫，也只能传递错缝方向的荷载，而对于通缝方向及垂直方向仍然不能传递荷载。即使将砖块按人字型双向错缝排列，使之具有水平面X、Y 2个方向的抗荷载能力，依然不能相互抵抗垂直荷载，不具备抵抗沉降的功能，因此没有垂直方向的整体稳定性。

嵌挤组装式混凝土砌块道路基层结构中的砌块不但具备水平面内X、Y 2个方向的抗荷载能力，同时还具有砌块之间相互抵抗垂直荷载的能力，因此可以适应车辆荷载的工作环境，这是作为道路基层结构使用的首要条件。该结构中的砌块有甲、乙两种结构型式。

1）甲型砌块

首先建立1个立方体。在该立方体三视图中，将主视图按正梯形上窄下宽断面绘图，侧视图按倒梯形上宽下窄断面绘图，这样就形成了该结构单块砌块的完整图形。将许多相同的砌块按相邻斜面贴合的原则组装在一起，即为砌块组装基层主体结构。砌块顶面长边减去底面短边所得差值的一半与砌块厚度之比称为嵌挤度，即β=（a-b)×0.5/h，一般采用分数表示，如1/8，1/6，1/4等。这个指标代表砌块之间相互抵抗沉降及传递水平荷载的能力，比值越大，嵌挤度越高，组合后整体性越好。

为减少砌块结构受温度疲劳应力及混凝土干缩率的影响^[2]，甲型砌块设计成矩形，主要尺寸特征是：砌块外形长、宽、高比例近似为1:1.2：0.5的立方体；砌块顶面与底面是平面，4个侧面都是由斜面组成的，约定从俯视图可以看见的斜面称为阳斜面，看不见的斜面称为阴斜面，砌块的4个侧面是由阳斜面与阴斜面交叉排列构成（见图1）。

a)立面图                         b)侧面图                       C)俯视图

图1  甲型砌块结构图

2）乙型砌块

每4个相邻甲型砌块的边角，形成1个竖直的空腔，该空腔由相邻的4个甲型砌块的侧面构成，空腔形状是2个尖角相对的四棱锥体，此处为灌浆通道，在灌注砂浆后形成乙型砌块（见图2）。

         a)立面图                         b)侧面图           C)俯视图

图2乙型砌块结构图

混凝土砌块组装连接后的结构图见图3。

                                    图3  混凝土砌块连接结构图

3    受力分析

砌块组装后，在水平面内构成相互垂直的行与列，每个砌块的四角都与其他3个砌块形成1个四棱锥嵌挤体。组合体中任何单块砌块在X、Y 2个水平方向的移动，不但会受到同行或同列砌块突出棱角的阻挡，还会通过四棱锥体使两侧45°角方向范围内的砌块参与受力，这样就形成1个三角形受力影响区。该三角区内受力的砌块数位S= n²-1(n≧2,且为整数），这使组合体具备很强的抵抗水平移动的能力，见图4。

图4  砌块组合体水平受力图

在竖直的Z轴方向，由于每个砌块都有2对阳斜面与阴斜面，因此任何砌块在竖直方向的移动，都会受到相邻的2个砌块的限制，这2个砌块又把压力向分别与他们嵌挤的其他4个砌块传递。我们把压力通过斜面传递1次称为1级，设N为平面中单个砌块受压时，压力沿某路径传递的级数（单个方向途经的砌块数），按2^N等比数列的规律扩散与传递，则共同承担受力的砌块总数为S=n²(n为自然数）见图5。

图5  砌块组合体垂直受力分析图

如此，结构外形设计具备限制组合体中单个砌块沿着X、Y、Z 3轴的移动及转动的立体卯榫与嵌挤组合特点,即平面中的单个砌体都能与周边8块砌块相互卯榫与嵌挤，从而相互限制水平及垂直移动，并以此增加砌块组合体整体结构强度，进一步提高应对地质病害或自然环境造成的路基塌陷的抵抗力，因此对不均匀沉降有良好的适应能力。如混凝土砌块的厚度大于翻浆期冰冻深度（不是最大冻深），则对道路翻浆有更好的抵抗能力。

4  结语

   综上所述，嵌挤组装式混凝土砌块道路基层结构，仅预制砌块甲就能满足组装需要，砌块乙在灌浆过程中形成，因此具有良好的互换性，制造、运输、安装、管理都很方便。先组装砌块再灌注砂浆，养生1d即可进行路面铺装,因此工艺简单，能满足道路施工工期短、强度高、寿命长的要求，特别适合交通量大、建设期短、养护困难的城市道路。该结构也为解决道路软基、冻土等重点难点问题提供新的技术解决途径^[3]。此外，由于该结构可以利用粉煤灰、石屑、建筑垃圾等废弃材料的特点，对减少粉尘污染保护环境有积极意义。

参考资料：

[1]邵腊庚，李宇峙.嵌挤式混凝土块路面接缝剪切特性的探讨[J].公路交通科技，1999，16（3）:10-13.

[2]赵维霞，杨萍，许婵娟，等.现浇回填用泡沫混凝土研究制备[J].混凝土，2010（1）:45-49.

[3]王保龙，崔吉淦，方永禄，等.二灰碎石基层材料抗冻性研究[J].混凝土与水泥制品，2001（1）：9-11.
[4]王志强.二灰碎石加入化学添加剂进行力学性能改良的试验研究[J].交通标准化,2011(1):25-28.

阻隔路面加铺层反射裂缝的结构

郭  高，刘秀丽，李敬成

                                   (长春市市政工程设计研究院，吉林 长春  130033）

1、          摘  要：在以往的旧水泥混凝土路面改造项目中，一般采用设置应力吸收层的办法来防治反射裂缝，例如用Trupave聚酯玻纤布铺设在混凝土板顶面；采用压浆加铺；把原有混凝土板碎化后作为基层等。但是，这些措施属于全路幅的无差别改造，由于某些情况下反射裂缝影响面积仅占道路总面积的3%～5%，如果采用全面积防治，不仅会造成改造效果不佳，而且工程造价奇高。提出1种仅针对反射裂缝的改造方案，通过在2块相邻的混凝土板接缝处的上边缘设置三角区，在其中填充具有足够韧性变形能力、并且能够适应路面环境温度及车辆荷载的材料，即采用应力形式转化结构和应变自适应材料来解决反射裂缝问题。该结构是最新专利技术，具有新理念、新结构、新工艺的特性，是与《嵌挤混凝土预制块基础结构》配套的关键技术之一。

关键词：路面结构；旧水泥混凝土路面；反射裂缝；应变三角区；转变应力形式；应变自适应材料

中图分类号：               文献标志码：B          文章编号：1009-7767（2014）01-0000-00

The Road Structure with Interlocking Assemble Type Concrete Block for Separating the Reflection Crack of Overlay

Guo Gao，Liu Xiuli，Li Jingcheng

 1  技术背景

在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层是改善原有路面使用性能、提高承载能力的有效措施。其中，反射裂缝的防治一般通过改善加铺层抗裂能力来实现。例如：成绵高速公路“白改黑”工程采用SBS改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13；成渝高速公路“白改黑”工程更是采用压浆加铺、共振碎石化，以及Trupave聚酯玻纤布、热熔式SBS卷材方案等多种对比方案^[2]。尽管各方案适用范围不同，效果差别很大，但都具有全路幅无差别改造的特点。这类无差别改造并不适用旧有路面强度较高，技术状况等级在“中”以上，仅需防治道路纵、横及施工缝位置的反射裂缝的情况。此时裂缝影响的面积仅占道路全面积的3%～5%，如果不突出重点，而做全面积防治，可能导致出现防治效果差、效费比低的结果。

   提出阻隔路面加铺层反射裂缝的结构，是采用应力模式转化结构和自适应材料来解决反射裂缝问题，利用该结构建立相邻混凝土板之间及混凝土板与上面层之间的柔性（相对于刚性）过度，转换受力性质并缓解由于板块间位移产生的应力集中现象，从而阻隔反射裂缝的发生^[5]。该项专利技术的开发，是为了解决《混凝土砌块组装式道路结构》和《嵌挤混凝土预制块基础结构》实用新型技术在实际应用中遇到的加铺层反射裂缝问题。

2  结构设计思路

混凝土路面加铺层产生反射裂缝的根本原因是当基层相邻混凝土板块发生平面拉开、垂直上下错动、翘曲扭动时，传递给上面层剪、拉、弯、扭力，而相邻2块混凝土板之间的间隙宽度十分有限，在如此短的距离（间隙）内，沥青混凝土面层参与抵抗拉伸或剪切的材料数量过少，不足以通过变形来抵抗外力，最终由于外力超过材料的屈服极限导致材料被剪断或拉断（见图1）。

如果能够通过改变结构的方式转变沥青混凝土面层的受力性质，化剪应力为弯曲应力，并通过增加参与受拉弯材料的数量，使材料性能恰好能够适应变形产生的外力，则裂缝可以避免。

图1  混凝土板加铺层结构反射裂缝产生原因

注：①，②是混凝土板；③是沥青混凝土面层；L_X是混凝土板的间隙，即横缝、纵缝、施工缝。

3  结构设计

在2块相邻的混凝土板接缝处的上边缘，设置有1对三角区（切掉上角），形成1个断面为顶角在下方的三角形^[4]。三角区上表面与沥青混凝土面层底面接触，2个侧边分别属于相邻的2块混凝土板，下顶角恰好在板块接缝处。在该三角区域内，填充具有足够韧性变形能力、并且能够适应路面环境温度及车辆荷载的材料，例如：SBS改性沥青玛蹄脂碎石^[2]、Trupave聚酯玻纤布、高黏沥青^{[1] [2] [3]}拌和小粒径碎石以及能够满足该填充料使用要求的其他单一或混合材料。具体结构见图2。

图2：缓解应力的三角区结构图

注：①，②为混凝土板；③为沥青混凝土面层；④为该专利结构。

当2块相邻的混凝土板因温度变化发生膨胀或冷缩及因荷载产生震动或翘曲时，引起板块之间的距离、相对高度、顶平面角度发生变化，三角区内的填充材料在车辆荷载的作用下始终与三角区下表面（三角形的2个侧边）贴合，而三角区上部平面的宽度（即三角形的边长）给其上的沥青混凝土面层提供了适当的拉伸、弯曲变形空间，由此避免反射裂缝引起的对沥青混凝土面层的剪切应力，即可避免反射裂缝的发生。

4  结构受力分析

   1）相邻混凝土板块产生拉开或收缩

三角形为等腰三角形，下顶角C为90°。当2块相邻的混凝土板块间距产生拉开或收缩时，结构受力及变形情况见图3。

图3  混凝土板块间距变化后结构受力及变形情况

当2块相邻的混凝土板间距产生变化时，水平方向产生间隙增量△L_X，三角区内的填料会在车辆荷载的作用下向下移动，即三角区内填料沿2个侧边向下滑移，同时三角区顶面向下平移。由于三角区内填料的整体下移，造成顶面产生在垂直方向变化的空隙，即下移增量△H_c。根据三角形角度关系，有△H_c =1/2△L_X；在车辆荷载的作用下，其上面层沥青混凝土会随之产生向下的弯曲，形成凹状变形以便填补空隙。由于三角区顶面宽度同时也是沥青混凝土面层弯曲变形时可以利用的长度区间L_D,因此只要L_D足够大，即可满足沥青混凝土在该长度范围内产生弯曲变形而不开裂的条件。

如果在三角区内表面喷洒黏合油，当板块间隙增大时，三角区内填料不会向下产生滑移，只会产生弹塑性变形，上表面会出现凹状弯曲，其上的沥青混凝土亦随之发生弯曲，但在此情况下沥青混凝土发生的弯曲变形量要小于三角形内表面涂腊做滑移的情况，其弯曲变形时在三角区底角处也能柔和过度，避免应力集中，受力条件更好。但是，此种情况对三角区内的填料性能要求更高。

2）相邻混凝土板块产生上下错动

当2块相邻的混凝土板块产生上下错动时，结构受力及变形情况见图4。

图4  混凝土板块上下错动后结构受力及变形情况

当两相邻板块间隙不变，只产生上下错动时，如图4中右侧板块向上位移△H_c，三角区内的填料会产生向左的水平方向的位移，以便适应变化。而三角区内的填料非刚性体，又有车辆荷载在其上作用，此时三角区顶面边AB会发生倾斜，由原来的水平状态变为A点低，B点高的斜面。即在△ACB中，A点未动，B点上升到B^/,C点左移到C^/点。顶面产生的斜率为△H_c/L_D，只要沥青混凝土材料能够适应该斜率的弯曲变形而不开裂即可满足要求。

如果在三角区内表面喷洒黏合油，当板块之间产生垂直位移时，三角区内填料不会产生滑移，三角区右边受压应力，左边受剪切，只会产生弹塑性变形，对三角区下顶角的材料要求更为苛刻，但是，如果在下顶角位置留有一定空隙（切角）或安置直径大于△H_c及L_X+△L_X的滚珠（小粒径卵石），便能很好地适应板块间的各种位移变化。

3）相邻混凝土板块产生翘曲

当2块相邻的混凝土板块产生翘曲时，结构受力及变形情况见图5。

图5  混凝土板块翘曲后结构受力及变形情况

对加铺层沥青混凝土材料来说，受压好于受拉，因此只做受拉情况分析。当2块相邻的混凝土板块相对发生左板逆时针、右板顺时针转动时，三角区顶面材料与其上的沥青混凝土材料同时受拉应力作用，扭转偏角为α时，对沥青混凝土面层带来△L_D=2H (tanα)的水平方向拉开距离增量。即A点左移到A′, B点右移到B′，C点分别被拉开到左右C′位置。只要沥青混凝土材料在L_A′B′距离内，产生△L_D拉伸量而不开裂即可满足要求。

5  具体实施方式

阻隔路面加铺层反射裂缝的嵌挤组装式混凝土砌块道路结构，其特征在于：在相邻预制块的接缝处的上缘做切角处理（新板块预制或旧板块切割），形成三角形空腔，然后在三角区内喷黏合油，再将配置好的高黏沥青卵石混合料填入三角区中，使三角区上表面与混凝土板块平，即完成该结构安置。混凝土板块上照常规铺设沥青混凝土加铺层，并碾压。

6  结语

  该结构通过设置应力吸收三角区改变面层材料受力形式的方法避免加铺层反射裂缝的产生，不但为既有混凝土路面改造提供不同的技术解决途径，而且为新建道路沥青混凝土路面组合设计开拓刚性基层结构的选择。

   参考文献：

[1]龙丽琴，张东长，贾学明.超薄水泥混凝土加铺层界面黏结性能研究[J].公路，2012（3）:89-92.

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[3]孙巍.寒区水泥混凝土路面填缝材料的选取[J].黑龙江交通科技，2005（9）：66-67.

[4]寿崇琦，尚盼，康杰分，等.水泥混凝土路面填缝材料的抗疲劳老化性能研究[J].公路，2007（6）：172-174.

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