铺面工程学联锁块铺面特点

1.嵌锁的形成

采用在几何尺寸上符合精度要求的块体，按照规范要求进行施工的铺面，施工后即可获得一定的嵌锁。不过，此时的嵌锁是初步的、不稳定的。随着行车荷载重复作用次数的增加，垫砂层中出现了压密变形，基层、土基中也可能出现永久变形。这些永久变形的出现，使联锁着的块体的位置不断加以调整，并逐渐达到一个平衡、稳定的工作状态。在这个过程中，垫砂层、基层和土基中的永久变形便传到了路表——路表便出现了永久变形累积。可以说，嵌锁程度趋于增加和稳定的过程与永久变形的累积过程是相伴而生的。

嵌锁的产生可以分为几个阶段。当铺面铺筑完成时，即便未经充分碾压，其初始嵌锁程度并不低，只是相当不稳定。随着永久变形的产生和块体位置的调整，块体间的嵌锁程度逐渐调整，并达到初步的平衡状态。随着变形的进一步增加，嵌锁程度越来越大，并逐步达到最终的稳定平衡状态，并形成一个稳定的结构层。

所以，永久变形是嵌锁的产生和改善所不可或缺的因素。在荷载作用初期，永久变形累积量急剧增加。这一方面是由于垫砂层的变形，另一方面是块体调整自身位置的结果。随着荷载作用次数的增加，永久变形的增长速度逐渐减小，这表明垫砂层逐渐压密，块体间的嵌锁趋于稳定。当荷载作用次数达到一定数值时，永久变形的增加速度已经很小，这说明联锁块层已成为一个稳定的结构层。

永久变形的出现使块体间的嵌锁得以改善，但这并不意味着嵌锁的发展是以车辙的出现为代价的。车辙的出现与否除与永久变形量有关外，还与车辆行驶时的横向分布状况有关。而车辆在道路横向上的均匀分布和均匀压密并不会导致车辙的出现。

2.荷载扩散能力

嵌锁形成之后，块体不是各自独立地承受荷载，而是形成具有荷载扩散能力的整体层次。荷载通过联锁块层、垫砂层传至基层，使基层顶面承受一定的压应力。该压应力的大小反映了联锁块层扩散荷载的能力，压应力越小，表明联锁块层扩散荷载的能力越强。

图11-2（a）和图11-2（b）是基层顶面压应力随荷载大小的变化而变化的曲线。从图中可以看出，荷载越大，基层顶面压应力σ占所加荷载应力p0的比值越小；也就是说，弯沉越大，联锁块层的荷载扩散能力越强。当荷载（弯沉）达到一定的数量级时，值趋于稳定。

图11-2　基层顶面压应力随荷载大小的变化（齿边矩形块体，人字形铺筑）

从图11-2中还可以看出块体厚度和形状的影响。块体厚度越大，荷载扩散的能力和范围越大。面层采用60 mm，80 mm，100 mm和120 mm的矩形块体时，碎砾石基层顶面压应力占所加压应力的比值分别在95%～75%，88%～60%，75%～50%和65%～40%之间［图11-2（a）］。与矩形块体相比，齿边矩形块体的荷载扩散能力更大些。80 mm厚度的块体，其值在70%～45%之间［图11-2（b）］。

依据基层顶面压应力相等的原则，可以对比一下联锁块路面与沥青路面的异同。分析表明，联锁块层的荷载扩散能力比同厚度沥青层的荷载扩散能力大。

铺筑方式和基层类型对基层顶面的应力具有影响。总体上说，平行式顺块铺砌与人字式铺砌之间并无显著的区别，当所施加的压应力大于0.3 MPa时，人字式铺砌表现出了略好的荷载扩散能力。半刚性基层的铺面结构，其基层顶面应力要大得多。

3.永久变形

就重复荷载作用下路面表面处的永久变形和车辙现象而言，联锁块铺面与沥青铺面具有相似性。但是，二者的永久变形（车辙）产生的位置和产生规律具有本质的不同。在联锁块铺面中，永久变形产生于垫砂层、（碎石）基层和土基中，再反映到路表面上。在沥青铺面中，永久变形主要产生于面层，尤其是半刚性基层的场合。

图11-3反映了块体厚度的影响。在荷载作用初期，块体间的嵌锁程度不高时，块体厚度的影响还不是十分显著；但随着荷载作用次数的增加，在联锁块达到嵌锁稳定状态之后，块体厚度对永久变形的影响变得十分显著。这就是说，只有在形成紧密嵌锁的条件下，才能体现出厚块体的优越性来。另外，还可以看出，当块体较薄时，增加块体的厚度对减小永久变形是十分有效的；但随着块体厚度的增加，再增加块体厚度的效果却逐渐变差。

图11-3　永久变形所荷载作用次数的累积

块体形状的作用一直是一个争议较大的问题，因为不同的研究人员得出了不同的试验结果。这主要是由于在竖向荷载的作用下，块体的形状没有表现出显著的作用，但在水平荷载的作用下，其差异却是明显的。图11-4是不同形状的块体在单方向行车荷载作用下的水平向变形比较［3］。

图11-4　块体形状对水平蠕变位移的影响

图11-5　块体形状对永久变形的影响

实际上，块体形状不仅影响铺面的水平蠕变，对铺面结构的车辙变形乃至回弹弯沉都有决定性的影响。澳大利亚［4］和南非［5］的试验结果表明，矩形块体铺面的变形要比异形块体铺面的变形大，并且在形成紧密嵌锁之前，异形块铺面能承受更大的荷载。

不过，南非［5］、日本［6，7］和澳大利亚［8］试验结果也指出，并非所有的块体形状都有相同的抵抗交通荷载的能力，不同块体形状的性能差异，如图11-5所示。由此可知，选择适当的块体形状对于确保联锁块铺面的使用性能而言是十分重要的。不过，块体厚度的作用可以大大抵消其形状的影响，再加上合适铺筑方式的选择，使得块体形状在实践上不是一个决定性的因素。

块体铺筑方式对其使用性能具有显著的影响。人字式铺砌的铺面，在行车荷载作用下产生的车辙深度最小；平行式顺块铺砌的车辙深度较大，尤其是当块体的长边与行车方向平行而不是垂直时；编结式的铺筑方式的车辙深度居中。(www.xing528.com)

垫砂层对铺面变形具有较大的影响。试验结果表明［9-11］，砂的级配和棱角对铺面性能影响很大；不合适的垫砂级配（尤其是含有较多的黏土时，如20%～30%）可导致铺面结构的破坏，因此应严格限制砂中的黏土含量。

垫砂的棱角对铺面性能的影响也不能忽视。研究表明，尖角砂优于圆角砂。

垫砂厚度是影响铺面性能的另一重要因素。欧洲习惯采用50 mm的垫砂厚度（压实后的厚度）。

4.回弹弯沉

当铺面的嵌锁达到稳定状态之后，回弹弯沉也达到稳定的状态。不过，与沥青路面相比，联锁块铺面的回弹弯沉要大得多。块体厚度越大，荷载作用点的弯沉越小，而远离荷载处的弯沉越大。这说明厚块体铺面的荷载扩散能力较大，弯沉盆较平坦。

5.表面特性

联锁块铺面具有很好的抗滑性能，图11-6是国外学者的测试结果［5，8］。

6.承载机理

嵌锁的产生、发展与稳定为荷载的扩散提供了必要的条件，这使得荷载的扩散成为可能，但荷载扩散的机理与常规的水泥/沥青混凝土路面具有明显的不同。对联锁块铺面而言，由于组成面层的联锁块体很小，无法像水泥混凝土路面板那样靠板体的挠曲来扩散荷载；由于块体间的接缝多，也不能像沥青混凝土路面那样靠结构层的连续性来扩散荷载。接缝是联锁块层中的不连续部位，接缝的存在使块体间不能传递弯拉应力。但嵌锁的存在使接缝具备了传递剪力的可能，从而将块体自身承受的竖向荷载扩散出去。那么，块体间是怎样传递剪力的？或者说块体间的竖向抗剪能力是怎样产生的？

为了探讨接缝竖向抗剪能力的产生原因，可以考察一下回弹弯沉在联锁块面层扩散荷载过程中的作用。图11-7示意了施荷面积与块体平面位置之间的相互关系。施荷面积的直径为20 cm，至少可覆盖3块块体（最多可涉及6块块体）。因此，路面在荷载的作用下产生弯沉时，块体必将随之发生微小的转动。由于诸块体已处于稳定的、相互嵌锁的平衡状态，故块体的任何微小转动都将受到相邻块体的钳制，从而产生水平向的挤压力，如图11-8所示。正是这个挤压力和荷载作用下块体间的竖向相互错动趋势，使块体接触面上产生了竖向摩擦力，形成了抗剪强度。所加的荷载越大，回弹弯沉就越大，相应的块体转动角度也就越大，块体间的水平挤压力也就越强。于是，荷载便被扩散到了更大的范围。由此不难理解，对联锁块铺面而言，在路面边缘施加一定的约束是十分必要的；否则，荷载的扩散能力是难以持续长久的。

图11-6　摆式仪测得的抗滑结果

图11-7　荷载接地面积与块体的位置关系

图11-8　拱效应示意图

按照正常设计施工的联锁块铺面，上述效应是始终存在的；当铺面为了排水需要而设有一定的拱度时，块体间的侧向挤压力将更为显著。如图11-9所示的是因路拱的存在而产生挤压力的过程。

图11-9　铺面有拱度存在时的拱效应示意

上述两种现象说明，联锁块层能将竖向压力（竖向荷载）变为水平推力（块体间的挤压力）。具有这种特性的结构可从力学上描述为“拱”。所以，联锁块层具有明显的“拱效应”，并借以扩散荷载。在扩散荷载的过程中，回弹弯沉起着决定性的作用，荷载的扩散与回弹弯沉是同时产生、同时消失的。这可以很好地解释试验的结果：在同样大小的荷载作用下，具有半刚性基层的联锁块路面的弯沉要比粒料基层路面的弯沉小得多，相应地，块体间的挤压力、荷载扩散能力也小得多。拱效应的存在也说明了为什么在铺面的构造上必须设置边缘约束。

综上所述，永久变形的存在使块体达到了紧密的嵌锁稳定状态；而弹性变形（回弹弯沉）的存在又借“拱效应”使联锁块层具有荷载扩散能力——这便是联锁块铺面区别于其他铺面结构的主要特点。

联锁块层靠拱效应扩散荷载，那么向四周的扩散能力是否相同？实测结果表明，粒料基层、矩形块体、人字式铺筑的路面，距荷载中心距离相同处的路面回弹弯沉值几乎相同。这说明联锁块铺面在圆形荷载作用下表现出了轴对称的弹性变形特性和轴对称的力学特性。而齿边矩形的荷载扩散能力比矩形块体好，半刚性基层的均匀性也优于粒料基层，故上述结论对齿边矩形和半刚性基层的路面结构也是成立的。