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      淺談砌塊路面設(shè)計(jì)與破壞分析

      2015-01-09 03:39:46彭小東劉望坤
      城市道橋與防洪 2015年7期
      關(guān)鍵詞:花崗石面磚水泥砂漿

      彭小東,劉望坤

      (中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院,四川成都 610081)

      0 引言

      砌塊路面是建造成本最低、板厚最薄、使用壽命最長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)最便捷、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用最省、最古老、最環(huán)保、最美觀的中、高級(jí)路面結(jié)構(gòu)形式,是目前已知的最節(jié)約資源和能源、減排、減碳、可持續(xù)發(fā)展的路面結(jié)構(gòu)形式。砌塊路面在我國(guó)已有幾千年的歷史,改革開放后,隨著我國(guó)水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面技術(shù)的發(fā)展,砌塊路面在我國(guó)使用得越來越少;近年來,隨著隨著城市的發(fā)展,為了滿足城市景觀要求,砌塊路面又開始越來越多的應(yīng)用于城市道路的路面。特別是景觀道路。但是目前對(duì)此類路面的設(shè)計(jì)還缺少相關(guān)的規(guī)范和規(guī)定,也無(wú)現(xiàn)行的計(jì)算方法可遵。本文簡(jiǎn)要闡述砌塊路面的設(shè)計(jì)方法,并以西南地區(qū)某砌塊道路為例,分析砌塊路面的破壞原因,探討處理方法。

      1 砌塊路面設(shè)計(jì)方法[1-3]

      雖然砌塊道路已應(yīng)用了幾千年,然而砌塊路面優(yōu)勢(shì)并沒有得到充分的挖掘,其設(shè)計(jì)理念并沒有完全成熟,砌塊路面尚無(wú)公認(rèn)的設(shè)計(jì)理論和方法,目前砌塊路面結(jié)構(gòu)的分析方法有彈性層狀理論、有限元方法和板的破裂理論。層狀彈性理論是將砌塊層和砂墊層等效為一個(gè)各向同性的均勻體材料,雖然對(duì)砌塊層間的荷載擴(kuò)散能力有所擴(kuò)大,但仍是設(shè)計(jì)中通常采用的設(shè)計(jì)方法。所以《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ169-2012(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)中建議通過修正瀝青路面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。修正方式有三種:一是采用等效層的方法,以 2.1~2.9倍塊體厚度的碎礫石代替砌塊層,或以1.1~1.5倍砌塊厚度的密級(jí)配瀝青混凝土層作為砌塊層的等效層;二是認(rèn)為砌塊層的相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)為1.02~1.08;三是采用 16 cm厚度的瀝青混凝土代替砌塊層和砂墊層,沿用以層狀彈性體系理論為基礎(chǔ)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法。但是因?yàn)槠鰤K路面的頂層是離散和不連續(xù)的,在世界各地進(jìn)行的試驗(yàn)表明,砌塊路面對(duì)交通的反應(yīng)方式在某種程度上與傳統(tǒng)意義上的柔性或剛性路面的反應(yīng)不同。砌塊層間荷載擴(kuò)散性主要取決于其各個(gè)組成部分之間的相互作用,所以在實(shí)際應(yīng)用中,一般利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型,比如材料類型和不同結(jié)構(gòu)層的層厚根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇。

      2 砌塊路面破壞實(shí)例分析與對(duì)策

      2.1 路面現(xiàn)狀

      西南地區(qū)某道路路面,車行道路面結(jié)構(gòu)采用刨除原有舊路面層后,加鋪30 cm級(jí)配碎石+15 cmC15混凝土墊層+5 cm花崗石面磚,花崗石面磚尺寸為長(zhǎng)×寬×高=30 cm×15 cm×5 cm?;◢徥娲u與C15混凝土墊層之間用水泥砂漿粘結(jié)。

      道路于2013年投入使用,服務(wù)一年后局部路段出現(xiàn)路面面板與水泥砂漿發(fā)生松動(dòng)脫離,路面面板斷裂、路面沉陷等病害(見圖1、圖2),鉆心取樣發(fā)現(xiàn)基層基本完整。

      圖1 路面破壞現(xiàn)狀

      圖2 面層破壞處鉆孔取芯圖

      2.2 路面破壞分析

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析,發(fā)現(xiàn)本道路存在以下幾個(gè)方面的問題:

      (1)路面類型

      根據(jù)《規(guī)范》及相關(guān)經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)有如下幾點(diǎn)問題:砌塊路面適用于支路、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、人行道與步行街。這些街道都有一個(gè)共同的特點(diǎn),即機(jī)動(dòng)車流量不大,行車速度較慢。而本道路位于商業(yè)中心,是南北方向的交通干道,同時(shí)隨著這幾年汽車保有量迅猛增加,導(dǎo)致通過本道路的交通量很大,并且通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),本道路還有大型公交通過。大量交通的重復(fù)荷載作用,使得路面破壞。

      (2)面磚接縫

      本道路采用的是水泥混凝土墊層上鋪設(shè)花崗石面磚,面磚與墊層之間采用水泥砂漿粘結(jié)。花崗石面磚、水泥砂漿以及混凝土墊層這三者中,由于面磚與水泥混凝土墊層的抗壓強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度相對(duì)水泥砂漿來說都較高,所以在汽車荷載作用下,最具破壞力的是面磚底的拉應(yīng)力,由于面磚底與混凝土之間存在一層抗拉強(qiáng)度較小的水泥砂漿,故最先破壞的即是水泥砂漿層。同時(shí),由于汽車對(duì)路面的沖擊力是隨著車速的增大而增大,路面不平整度的增加而惡化。本道路是一條主干道、車速較快,剎車也很頻繁,面磚接縫的存在不可避免的造成平整度較差,這樣就加大了汽車對(duì)路面的沖擊力,容易造成水泥砂漿的脫落、面磚松動(dòng)。面磚松動(dòng)后,在汽車荷載、雨水侵蝕、冷熱不均等各種因素的共同作用下發(fā)生剝落。

      (3)面磚尺寸

      現(xiàn)狀5 cm厚花崗巖面磚(長(zhǎng)30 cm、寬15 cm、厚5 cm),作為路面直接受力層。根據(jù)《規(guī)范》,對(duì)水泥混凝土基層的砌塊路面,應(yīng)按水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法,在確定水泥混凝土板厚度后,應(yīng)按式(1)計(jì)算:

      式中:hs——砌塊路面塊體厚度(mm);

      hh——水泥混凝土板厚度(mm);

      b——換算系數(shù)可取0.5~0.65,采用的砌塊面積尺寸較小時(shí)取低值,采用的砌塊面積尺寸較大時(shí)取高值。

      如按照混凝土墊層厚度為15 cm計(jì)算,則花崗石面磚的厚度應(yīng)為7.5~9.75 cm。且規(guī)范要求石材砌塊的實(shí)用性及最小厚度宜符合表1要求。

      (4)車行道路面結(jié)構(gòu)

      花崗巖面磚+15 cmC15素混凝土+30cm級(jí)配碎石+壓實(shí)路基。

      結(jié)構(gòu)分析:15 cmC15素混凝土作為持力層,相對(duì)于路面結(jié)構(gòu)稍顯薄弱,雖然目前C15混凝土墊層還未破壞,但是對(duì)于路面的使用壽命有很大的影響;建議混凝土厚度為20 cm,標(biāo)號(hào)等級(jí)不小于C30級(jí),28 d抗折強(qiáng)度不小于4.5 MPa,這樣既能保證路基的強(qiáng)度,避免道路面層受到車行荷載的作用發(fā)生破壞,又能延長(zhǎng)路面的使用壽命。

      (5)鋪筑工藝

      砌塊路面的鋪筑工藝一般有編織形、人字形、延伸形等(見圖3~圖5),本道路花崗石面磚采用的是延伸型鋪筑,且采用的是未有錯(cuò)縫的延伸型,有研究表明,三種鋪設(shè)方式中,采用人字形鋪設(shè)時(shí)傳遞到基層的應(yīng)力最小,而延伸鋪設(shè)時(shí)傳遞到基層的應(yīng)力最小。人字形鋪設(shè),塊的安排使塊之間的相互作用更加有效,一個(gè)塊的旋轉(zhuǎn)和位移影響路面上更多的塊。因此,比延伸式鋪設(shè)擁有更多的塊分擔(dān)載荷。

      2.3 對(duì)策

      根據(jù)前面分析,要解決該道路病害,應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

      (1)更換路面類型,采用瀝青混凝土或者水泥混凝土面層。

      (2)更換粘結(jié)材料:如采用現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)類型,建議將普通水泥砂漿更換成環(huán)氧樹脂水泥砂漿重新鋪筑花崗石面磚,由于環(huán)氧樹脂水泥砂漿具有強(qiáng)度高,粘結(jié)力強(qiáng)、抗蠕變性能優(yōu)越、耐腐蝕以及防水等性能,能有效解決本道路面磚松動(dòng)脫落問題。

      表1 石材砌塊常用尺寸表

      圖3 編織形

      圖4 人字形

      圖5 延伸型

      (3)調(diào)整路面結(jié)構(gòu),要想獲得長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命,必須保證足夠的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,建議增加水泥混凝土墊層厚度。

      (4)更換花崗石面層的尺寸,根據(jù)前述分析,結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際,建議采用長(zhǎng)×寬×厚=10cm×10cm×8 cm或者長(zhǎng)×寬×厚=30 cm×30 cm×10 cm的面磚。

      (5)調(diào)整鋪筑工藝,根據(jù)前述分析,建議采用人字形鋪筑工藝。

      3 結(jié)語(yǔ)

      雖然砌塊路面具有建造成本最低、使用壽命最長(zhǎng)、景觀效果好等諸多優(yōu)點(diǎn),但在使用過程中應(yīng)根據(jù)不同的交通量、使用環(huán)境、氣候等各種因素因地制宜,有針對(duì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制,優(yōu)化面磚鋪筑工藝,并在施工時(shí)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),方能達(dá)到最佳效果。

      [1]CJJ169-2012,城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [2]李彥,羅國(guó)梁.砌塊路面設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪,2006(1):23-25.

      [3]蘇衛(wèi)國(guó),任岐崗.混凝土砌塊路面荷載擴(kuò)散能力和彎沉影響因素分析[J].中外公路,2012(2):77-80.

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