1.联锁块铺面的破坏形式
根据国内外大量的研究资料和现场调查,可以归纳出联锁块铺面的主要损坏形式有:块体间的松散、分离;块体边缘啃边、剥落;块体断裂;块体表面磨光;车辙或沉陷;沿接缝的剪切破坏;基层底面的疲劳开裂;基层顶面的压碎破坏。
在行车荷载的作用下,块体具有相互分离的趋势,尤其在有坡度的场合,行车的震动作用使块体沿斜坡方向移动,坡顶部的接缝逐渐张开,从而失去嵌锁作用。在铺面设计中,通常采用构造措施来预防这种破坏形式,如采用异形块体、人字形铺筑并设置边缘约束等,因而在结构厚度设计中不考虑这种破坏形式的影响。
联锁块层在扩散荷载过程中的拱效应,极易在块体边缘处产生啃边、剥落现象,造成块体的损坏。为了预防这种现象,通常把块体制成倒角的形状,如图11-12所示。
图11-12 联锁块的倒角
造成块体断裂有两个原因:一是基层顶面不平整导致块体底面脱空;二是块体的(抗弯拉)强度不足。前者可通过良好的施工质量来防止;对后者而言,因为块体是工厂化批量预制的,故可通过限制产品质量来控制这类损坏现象。至于磨光(耗),是因为用于预制联锁块的集料硬度不足,或采用的水泥用量/标号不当,对此同样可以通过限制产品的质量来满足抗磨光(耗)的要求。
车辙和沉陷一般发生在碎石基层的铺面上。车辙由两部分组成:一是重复荷载的反复作用下垫砂、基层、底基层和土基的永久变形累积(进展性的);二是铺面使用初期块体位置的调整和垫砂层的压密(非进展性的)。车辙的出现不仅恶化了行车条件,而且车辙中将会积水,并沿众多的接缝下渗,进而影响结构的承载力。因此,车辙是设计中应予重点控制的指标。
沉陷一般是由基层或土基的局部压实不足造成的,良好的施工质量可以避免沉陷的产生。
剪切破坏发生在碎石/砾石等松散类基层的铺面上,其表现形式为某一块或几块块体明显地被垂直冲剪进入垫砂层或基层。造成这种现象的原因是荷载相对过大,根据发生剪切破坏时联锁块层的嵌锁状态,可以把剪切破坏的原因分成两类:
(1)第一类剪切破坏。基层、土基的强(刚)度太小,使联锁块层不能作为一个整体抵抗荷载。当荷载作用于某些块体时,该块体下的基层、土基变形就会很大,造成基层的剪切破坏,进而导致块体之间的剪应力大于抗剪强度,块体便沿接缝发生剪切错动,荷载下的块体便被冲入垫砂层和/或基层。此外,如果施工质量过差,块体间接缝太宽,接缝间填砂不足或边缘约束松动等情况,也会发生类似的现象。
(2)第二类剪切破坏。就为联锁块层提供形成嵌锁的条件而言,此时的基层、土基并不弱。在嵌锁形成之后,过大的荷载在接缝处产生了大于接缝峰值抗剪强度的剪切应力,造成了剪切破坏。
上述两种剪切破坏的历程有所不同。发生第一类剪切破坏时,联锁块层尚未形成紧密的嵌锁;而第二类剪切破坏则是面层形成结构整体后的强度破坏,即联锁块层历经了嵌锁紧密→嵌锁程度增加→嵌锁稳定→嵌锁破坏的过程。这种现象反映出了铺面结构的承载力不足。
对于第一类剪切破坏,主要是通过良好的施工质量加以预防。当基层、土基的施工质量达到规范的要求时,第一类剪切破坏则不会发生。第二类剪切破坏主要与相对于荷载大小的结构总体强度有关,所以是设计中应予以重点考虑的。
半刚性基层的铺面结构在荷载的重复作用下会产生疲劳,当底面弯拉应力超过其弯拉疲劳强度时即产生疲劳开裂。这种损坏与沥青路面类似。设计中限制基层底面的弯拉应力,以避免这种损坏在设计年限内出现。另一方面,半刚性基层顶面所承受的压应力通常较大,当该压应力大于基层材料的抗压强度时,即会产生这类破坏。实际上,只有在集装箱堆放场的铺面结构设计时,才考虑这种损坏的可能性。在设计时,一般通过限制基层材料的抗压强度来防止压碎破坏。
2.设计指标
由上述关于联锁块铺面的主要损坏形式的分析可知,前三种损坏形式与铺面的结构厚度关系不大,通常可以通过构造措施和产品质量予以控制。而车辙的出现,对铺面使用性能将有较大影响,尤其在道路路面上。在堆场区,由于集装箱作业车以及堆货荷载的吨位很大,所以还应同时考虑结构承载力指标。根据联锁块铺面的结构承载理论,采用铺面结构的回弹弯沉作为表征结构承载力的指标。对具有半刚性基层的铺面结构,主要控制基层底面的弯拉应力;对流动机械等重复荷载,则考虑其疲劳应力;对集装箱等静止荷载,则考虑其容许应力。
综上所述,我国所采用的设计指标为:
(1)碎石基层铺面(www.xing528.com)
承载力指标:
计算弯沉≤容许弯沉(控制第二类剪切破坏)
车辙指标:
计算车辙深度≤容许车辙深度
(2)半刚性基层铺面
基层底面疲劳弯拉应力(流动机械行驶区):
计算应力σ≤σR=σs·km/kd
基层底面容许弯拉应力(集装箱等静物堆放区):
计算应力σ≤σs/k
式中 σs——基层材料的极限抗弯拉强度;
kn——疲劳系数;
kd——动荷系数;
k——安全系数。
铺面结构的弯沉、应力可采用专用软件计算,车辙深度可由式(11-1)计算:
式中 h——联锁块厚度,cm;
l——标准荷载作用下的回弹弯沉,mm;
N——标准荷载作用次数。
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