四、沥青路面装配式基层的接缝体及亚结构

郭高1、郭子硕2、战宏宇1、迟文仲1

(1.长春市市政工程设计研究院有限责任公司，

2.哈尔滨工业大学）

【摘要】装配式基层是采用预制块体与灌浆湿接结合的成型工艺。预制块体四周由接缝体所包裹。基层还可视为在由作为连接相的接缝体框架围成的作为分散相的网孔内填充现浇混凝土后构成的二元结构。接缝体与块体可互作对方的浇筑模具。成型工艺的倒置并不改变基层结构的三维嵌挤关系。基层传荷板的工作有方向性，为单向板受力状态。在块体侧面增设横槽使传荷板正反面均可发挥传递荷载的作用并使板块受力由单向板变为类似双向板的工作状态。

【关键词】装配式基层；接缝体； 传荷板；键槽；斜压杆

1接缝体主结构

    装配式基层是先铺装基块，并在接缝内灌浆湿接，最后在基层四周采用混凝土封边后构成的整体结构，其上设置沥青混凝土作为面层。由于接缝结构在装配式基层中构造复杂并承担传荷作用，因此将接缝作为结构件单独研究，即接缝体，其更应成为装配式基层的结受力稳定的关键。将接缝作为结构体,依据材料分类、成型工艺及组成结构的不同阶段，可将灌缝料视为在灌缝之前是材料，灌缝过程中是砂浆，砂浆在基块接缝空隙内被块体塑形凝固形成网架状。

     装配式基层是采用预制块体与砂浆湿接结合的成型工艺，基块四周由接缝体包裹。基层可视为由分散相与连接项组成，其中基块为分散相，凝固的砂浆为连接相。因此，基层可视为由接缝体框架与网孔内浇筑混凝土形成的块体所组成的二元结构。接缝体与基块互为补集，二者可以互为模具和填充材料，如图1所示，工序的转变并不改变装配式基层结构特征。接缝体合纵连横包裹基块并利用倾斜的传荷板发挥传荷作用。预制的结构件不论是基块还是接缝体，都需要首先发挥成型模具的塑形的作用，然后在型腔内浇筑混凝土之后，才能形成整体结构并用于承担荷载。

     基层的接缝体尺寸的长及高度与基块高度相等，厚度约为4cm，宏观呈纵横排列的方格网框架，框架侧壁为接缝体主结构——传荷板。传荷板在纵横轴向均交叉排列，轴向投影呈“X”形，如图2所示。以框架网孔为参照物，在纵横断面，在纵断面有一对阳斜面传荷板，在横断面则有一对阴斜面传荷板，围绕网孔的四片传荷板组合构成三维嵌挤关系。由于接缝体与网格内空腔为互补结构，如先预制接缝体在按纵横轴向相互交叉铺装并在网格内填充混凝土组成的整体，与先预制三维嵌挤基块在按编织规则铺装并在接缝灌浆的结构完全一样。接缝体与块体均可互为浇筑模具，成型工艺的倒置并不改变基层结构。

 

 

 

图1 接缝体立体图及拼装成块体单元大样图

 

 

 

  

图2 十字交叉布置图及铺装大样图

    同一片传荷板的两面均为工作面，其阳斜面为荷载输入面，阴斜面为荷载输出面。接缝体框架内有众多方格网孔，当网孔内的块体受到垂直荷载作用时，只通过块体四周的两个阳斜面传荷板传递应力，因此，传荷板可分为受力传荷板与非受力传荷板，见图2。

    当车轮荷载作用在块体时，一部分荷载传至块体下的垫层，另一部分荷载通过受力传荷板将应力传递到两则相邻的块体。由于接缝体网孔内的传荷板分为受力与非受力传荷板，且相互交叉分布，荷载压力跨越传荷板按“T”形扩散路径传递应力。因此应力在传递荷载过程中，以应力跨越一次受力传荷板分为一级，逐级传递。第一级有三个块体协同工作，共同承担荷载；第二级有7个块体协同工作；第三级有13个块体协同工作。当发生第三次传递后，路面弯沉值已经很小，因此，只统计分析传荷板三次传递所影响的协同工作的块体数量及分布。由于框架网格内各块体四周的传荷板的受力具有方向性，且相互呈90°，随着车轮的前进，荷载在块体侧面第一次传递的方向也随着受力传荷板呈现出纵横交替的输出方式。例如，当车轮所在块体的荷载传递方向为左右，下一个块体的荷载传递方向则为前后，按此规则纵横交替出现。

因此，由13块组合的“工”字图形影响面积,如图3所示，也以正向与横向交替出现。车轮行驶过程始终有13个块体协同承担荷载，类似车辆行驶时伴随的影子。但是，不论“工”字图形正向与横向如何交替变化，协同受力影响面积（影子）不会发生改变。在纵向，车轮轨迹经过的块体队列中，块体应力曲线并非断崖式变化，而是根据车轮位置的移动，经历空载，增强，极值，减弱，最后消失的五个阶段，其应力变化波形长度覆盖五个连续的块体尺寸，应力值最大的块体对应路面最大弯沉数值。

图3 工字型荷载传递

   装配式水泥混凝土路面板接缝形式一般采用传力杆、企口搭接，集料镶嵌，直接接触等方式。

案例1 相比较而言企口搭接法比板块侧面直接接触具有更高的传荷效率，使装配式路面有很高的整体性。受荷板块承受的荷载通过梯形企口的倾斜面传递到未受荷板上，两板的接触面充当传荷媒介[1]。采用企口搭接的板间传荷效率与企口尺寸有关，当企口深度与厚度均为4厘米时，传荷系数出现98.4%的极大值。因此，一般企口深度为板厚的1/3~1/4，企口厚度一般在2~8厘米，见图4。

    

图4 企口搭接法

    案例2采用预应力水泥混凝土面板组成铺面，板尺寸为1.5米×1.5米，板厚0.25米，单方向侧面设置企口，企口深度占板厚1/3，约8厘米，企口厚度约占企口长度1/3，约2.5厘米。然后在板块双向采用钢绞线拉伸。该道面施加的双向预应力使得板块之间黏合非常紧密，整体性较好，板间接缝传荷能力主要分为3个方面：首先为板与板之间的摩擦作用；其次为预应力钢绞线，最后是企口的作用[2]。当板块之间为直接接触时，即便是采用双向钢绞线拉伸，由于企口及板块尺寸的误差，并非所有企口都能与块体紧密贴合，因此，企口的作用也是十分有限的，再次证明板块间紧密黏合的重要性[2]。

 

      

图5  板块双向钢绞线拉伸和企口组合

    案例3 当在单块为尺寸为3 ×2米，厚度为0.3米，抗压强度为C30的两板之间预留5cm接缝并灌注水泥浆。其接缝传荷能力已超过99.09%[3]， 进一步显示出，砂浆与板块紧密黏合的摩擦对传递荷载的关键作用。

       

图6 仅使用砂浆灌缝对板块接缝传荷系数的影响

    案例4 根据哈工大郭梓烁对装配式基层结构计算成果表明，采用三维嵌挤基块铺装，块体尺寸为1×1米，厚度为0.3米，接缝宽度4厘米，接缝灌浆。基层在横向及纵向的荷载传递率如图7，研究表明其力学行为与半刚性基层相似。受荷点距弯沉盆边缘半径约900毫米。

 

图7 基层在横向及纵向的荷载传递率

    四个案例分别采用企口、企口加双向钢绞线、块体接缝灌浆、斜面嵌挤企口加灌浆的工艺，结果表明，板块之间的紧密黏合作用及企口对传荷有关键作用。

    装配式基层使用的三维嵌挤基块的四个侧面均为企口，四个企口均以斜面传递荷载，其企口的深度为0.3米与基块厚度一致，企口的厚度为7.5厘米是基块厚度四分之一。块体的四个企口斜面，分别按一阴一阳成对配置成榫卯，两个榫卯上下颠倒并在平面交叉分布，这种利用榫卯颠倒并交叉装配的结构也称为编块结构[4]。装配式基层是采用编块铺装并在接缝灌浆形成的二元结构的单层结构。

    块体尺寸大，接缝少，减少水泥浆引起的干缩，接缝体占基层总体积约8%，因此可减少基层92%，干缩体积。对减少干缩裂缝有积极意义。根据填充式大粒径水泥稳定碎石基层技术特点，“基层强度主要来源于主骨料间的框架嵌锁作用，填充料起到稳定骨料框架的作用。具有整体呈现柔性特征，并具有良好的承载力”和“提高高速公路沥青路面基层抗裂性，延长公路使用寿命” ，“材料具有柔性特征，因此不会出现如半刚性材料的收缩裂缝[5]。有工程实践表明：填充料大于10%，会影响大粒径碎石的骨架形成，填充料小于6%会影响填充料的密实和骨架结构的稳定性”，”水泥填充式大粒径碎石的力学性质介于优质骨架密实型级配碎石和普通水泥稳定碎石之间，英雄所见略同，装配式基层接缝体的体积约8%，恰好在这个范围。

2接缝体的亚结构

    采用将方格网框架空腔灌浆与企口相结合的方式，对提高接缝体荷载传递率更加有效和可靠。在传荷板空腔灌填的混凝土芯体凝固后形成块体，由于传荷板的荷载扩散过程有嵌挤方向性，使网格内的块体工作时处于单向板状态。为使受力更加合理，在传荷板两面设置有横向小键槽详见图8，其断面为梯形，深高比约为3厘米，键槽长度与传荷板长度相等，该小键槽可视为传力杆与斜压杆的复合构件[6]。两个倾斜方向的斜压杆交叉设置融合为一体见图9，其断面如两个下底对接的梯形。

小键槽是多见于建筑墙体在垂直接缝处设置的抗震连接结构，起到力的传递作用。其中传荷板与平面的倾斜角度按嵌挤度1/4设置。

 

                                                    图8 接缝体组合图

图9 传荷板及斜压杆结构图

                                        a、左侧块体受力                   b右侧块体受力

  图10传荷板两侧块体右受垂直荷载时的应力传递路径

    如图10所示接缝体的传荷板设置在左右两块体之间，当左侧块体受到垂直荷载作用时，压力作用给传荷板，传荷板直接将应力传导至右侧块体。斜压杆只起到增加传荷板受荷面积的辅助作用；当右侧块体受到垂直荷载时，压力经过块体传递到斜压杆右侧的顶平面，再经过斜压杆跨越接缝传导至斜压杆左侧的下端面，实现跨缝传递荷载，作用与水泥路面的传力杆类似。资料表明传力杆跨越接缝两端发挥抗剪作用，传力杆直径由25mm增加到32mm时，传荷系数由91.5%到93.1%，可加大与混凝土的接触面积，使传荷能力提高。斜压杆断面约为60mm×900mm，应有更大的传荷能力。传力杆是迄今最可靠和有效的一种接缝传荷装置[7]。工程中也可在路面板端部使用现浇或预制榫卯来替代传力杆发挥抗剪功能。斜压杆即为现浇榫卯式传力杆，可提供咬合力、摩擦力及销栓作用[**]，区别在于传力杆为道路横向接缝布置的杆件工作在抗剪状态，而所有传荷板均布置斜压杆，斜压杆凸出与传荷板的两面。可视为安装在相邻块体接缝处的杆件，其两端为铰接受压力和扭力作用。构成斜压杆的小键槽深度及厚度尺寸的增大，相当于传力杆直径和长度增加，对荷载传递有显著影响。

    斜压杆的存在，不仅使基块阳斜面具备输出应力的能力，而且使阴斜面也具备应力输出能力。因此斜压杆的设置使基块四个斜面均承担垂直荷载呈双向板工作状态。基块的阳斜面通过传荷板传递荷载，基块的阴斜面利用斜压杆传递荷载，即块体周围的四片传荷板，其中的阳斜面传荷板利用板面传荷，阴斜面传荷板利用键槽构建的斜压杆传递荷载，由此，块体的受力状态也由单向板变为双向板状态，使结构受力更均衡。基块在预制时，侧面四周设置有环绕一周的横槽，分布数量按轻型、标准和重型划分为1、2、3道**，在灌缝后形成环绕基块的（小键槽）斜压杆,基块整体可视为被传荷板包裹并用横、竖加强筋编织的鸟巢。

    传荷板竖向还设有键槽，该键槽为薄板状梯形断面，倾斜角度与传荷板相同，深高比约为5，构成传荷板平面卯榫，增加基块之间水平抗滑能力及与传荷板的纵横向联锁作用。

    资料表明灌缝料的性能满足装配式基层接缝使用要求[8]。接缝体主要工作在受压状态，比单纯的集料嵌锁或传力杆受剪切更符合水泥基灌浆料的材料性能特点。特别是在灌缝料掺加可再分散胶粉或纤维之后，抗折及耐久性提高。符合关键结构使用材料数量少，但性能更高的总体统筹规则。

   装配式基层由接缝体与灌芯体混凝土的结合，是具有嵌挤功能的，单一粒径骨架密实型平面结构。具有与传统材料使用摊铺碾压工艺成型基层相同的整体性。

3结语

①沥青路面装配式接缝体基层是由带有小键槽的倾斜的传荷板交叉组成网格状多孔框架。在众多的网孔内浇筑混凝土形成块体，构成的整体结构。基层块体四周由接缝体包裹，可视为由作为连接相的接缝体框架与作为分散相的网孔内填充的混凝土块体所组成的二元结构；

②装配式基层采用预制块体与浇筑湿接结合的工艺，接缝体与块体均可互为浇筑模具，成型工艺的倒置并不改变基层三维嵌挤结构关系；

③基块的阳斜面通过传荷板传递荷载，基块的阴斜面利用斜压杆传递荷载，即块体周围的四片传荷板，其中的阳斜面传荷板利用板面传荷，阴斜面传荷板利用键槽构建的斜压杆传递荷载，由此，块体的受力状态也由单向板变为双向板状态，使结构受力更均衡

④工程使用的预制块称为基块，块体的四个侧面均为斜面企口，分别按一阴一阳成对配置成榫卯，两个榫卯上下颠倒并在平面交叉分布，这种利用榫卯颠倒并交叉装配的结构也称为编块结构。

参考资料：

[1]王轩. 装配式基层道路结构接缝荷载应力分析[D].湖北工业大学,2020.

[2]苏海花.装配式预应力水泥混凝土道面足尺试验研究[D].江苏开发大学建筑工程学院,2020.

[3]蒋帅. 装配式基层道路结构接缝荷载应力分析[J]. 湖南省交通科学研究院有限公司,2019.

[4]郭高，战宏宇等.沥青路面装配式预制混凝土块基层结构类型的探源[J].建筑砌块与砌块建筑，2021,1(214):22-24.

[5]朱展.水稳填充大粒径碎石基层材料应用研究[D].东南大学，2017.

[6]DB22/T5006-2018：装配式路面基层工程技术标准[S].长春，吉林人民出版社，2018.

[7]杨莉. 水泥混凝土路面接缝传力杆工作性能研究[D].南京理工大学,2016.

[8]马健生,孙大伟,余地, 等.装配式道路基层结构填缝材料配比设计及性能分析[J].公路,2017,62(10):17-21.