? ? ? ? ? ? ? ? ?瀝青路面裝配式預(yù)制混凝土塊基層結(jié)構(gòu)類型的探源

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2021-03-30? 發(fā)表于《建筑砌塊與砌塊建筑》

郭高1? 戰(zhàn)宏宇1? 王景鵬1? 張東方1? 遲文仲1?? 郭梓爍2

( 1.長春市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 長春 130033；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱 150001）

（2021-03-30??? 發(fā)表于《建筑砌塊與砌塊建筑》）

【摘要】通過對瀝青路面所采用裝配式預(yù)制混凝土塊基層結(jié)構(gòu)類型的探索，為三維嵌擠基塊鋪裝結(jié)構(gòu)與荷載傳遞關(guān)系對路基工作性能的影響提供研究方法。具體是將預(yù)制混凝土塊裝配式基層的結(jié)構(gòu)特性,與竹篾編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，結(jié)果證明：三維嵌擠基塊鋪裝與編織面具有相同的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征、三連節(jié)點(diǎn)垂直互鎖關(guān)系和荷載分級傳遞路徑；研究結(jié)論是采用三維嵌擠基塊鋪裝的裝配式路面基層結(jié)構(gòu)屬于編織類，可稱之為編塊結(jié)構(gòu)。該結(jié)論對借鑒編織技術(shù)拓寬和充實(shí)裝配式基層的研究有積極意義。

【關(guān)鍵詞】路面基層；混凝土塊；預(yù)制裝配；編織；結(jié)構(gòu)

O 引言

? ? ? 瀝青路面裝配式基層,是使用具有嵌擠[1]結(jié)構(gòu)的水泥混凝土預(yù)制塊,在施工現(xiàn)場組裝、并在接縫中填充灌漿料形成的結(jié)構(gòu)，其上面加鋪瀝青面層后即構(gòu)成“白加黑”的復(fù)合式路面（見圖1）。這種瀝青路面裝配式基層適應(yīng)于市政道路、應(yīng)急搶修道路、公路、港口場站道路工程。該項(xiàng)技術(shù)由長春市市政工程設(shè)計(jì)研究院開發(fā)，于2013年開始工程試驗(yàn)應(yīng)用，2015年通過吉林省科技廳主持的科技成果鑒定；2020年下半年完成了CECS《瀝青路面裝配式基層技術(shù)規(guī)程》[2]起草工作。初步統(tǒng)計(jì)截止到2020年底，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在長春市、沈陽市、吉林市和哈爾濱市應(yīng)用，累計(jì)鋪裝道路面積達(dá) 70萬平方米（塊），獲得工期短、強(qiáng)度高、質(zhì)量好、環(huán)境優(yōu)，可利用建筑回收材料，全壽命周期建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用低的積極效果。

? ? ? 隨著該項(xiàng)技術(shù)工程推廣應(yīng)用量的擴(kuò)大，為更準(zhǔn)確地歸納裝配式基層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及開發(fā)新塊型的需要[3]，確定其結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)而從結(jié)構(gòu)原理的角度解釋裝配式基層的工作性狀，就顯得十分必要和急迫[4]。雖然目前尚不能通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來清楚描述這種三維嵌擠裝配式基層的結(jié)構(gòu)類型，但由于預(yù)制混凝土基塊的原型帶燕尾隼，因此其結(jié)構(gòu)類型一定與現(xiàn)有某種結(jié)構(gòu)相同、或至少是相似?；诖擞斜匾_始關(guān)于三維嵌擠裝配式基層結(jié)構(gòu)類型的探索。

??????????????? ?

2.裝配式基層

? ? ? ??用于裝配式基層鋪裝的預(yù)制素混凝土大塊可簡稱為基塊?；鶋K的原理模型是由榫卯平面的二維嵌擠演變?yōu)槿S嵌擠的結(jié)構(gòu)[5]，具體改變方法是由兩個(gè)燕尾榫以小端對接，旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)燕尾榫并使上下燕尾榫成90度再相貫疊合成一體，以組合后的燕尾榫上下矩形端面的四框?yàn)橄嘭灳€，填補(bǔ)空缺面構(gòu)成的六面體結(jié)構(gòu)?；鶋K的六面體外形由平行的頂面和底面、以及四個(gè)側(cè)斜面組成，其中頂面及底面為矩形，四個(gè)側(cè)面由陽斜面的倒梯形、與陰斜面的正梯形相互間隔組成（見圖2、圖3）。當(dāng)對基層施加垂直荷載時(shí)，基塊以兩個(gè)陽斜面作為荷載輸入端，以兩個(gè)陰斜面作為荷載輸出端，輸入端與輸出端間隔分布，在平面相互呈直角（見圖2d、圖3）。

?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖2，基塊演變圖

? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3，基塊三視圖

? ? ??基塊按側(cè)面輸出端陰斜面，疊壓在輸入端陽斜面的規(guī)則裝配鋪設(shè)。觀察基塊的裝配式接觸平面，可見由矩形圖案橫豎交替排列組成的矩陣，在矩陣相鄰行（列）之間的接縫處形成凸凹交替的形狀，在矩陣行與列交叉處的四個(gè)相鄰基塊之間有方形孔。

? ? ??矩陣行與列的斷面圖中，基塊均以正梯形和倒梯形間隔排列。因此，同一個(gè)基塊在A-A斷面是倒梯形與兩側(cè)基塊的陰斜面接觸；B-B斷面則是正梯形與兩側(cè)基塊的陽斜面接觸（見圖4斷面圖中心的一個(gè)基塊）。在圖4的斷面圖中，任意一個(gè)基塊與兩側(cè)基塊組成三連塊榫卯嵌擠關(guān)系，行與列方向的三聯(lián)塊在平面相互交叉呈直角。位于交叉點(diǎn)的基塊，在垂直面由基塊的陽斜面和陰斜面，形成相反的嵌擠關(guān)系，而構(gòu)成垂直方向的互鎖效應(yīng)（見圖4）。由于基塊的鋪裝面結(jié)構(gòu)在垂直方向具有對稱性，即使翻轉(zhuǎn)鋪裝面，基塊之間的嵌擠關(guān)系不發(fā)生改變。

?

?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 1）側(cè)面基塊的嵌擠力；2）嵌擠合力

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖4? 基塊矩陣平面及斷面圖 ?????????????????????????????

? ? ? ?當(dāng)來自路面的垂直荷載作用在矩陣面的某基塊頂面時(shí)，產(chǎn)生的壓應(yīng)力除傳導(dǎo)向下至路基上外，部分應(yīng)力還會從受荷基塊的兩個(gè)陰斜面（輸出端），擴(kuò)散傳遞到兩側(cè)相鄰基塊的陽斜面（輸入端）；并分別經(jīng)受荷基塊的兩個(gè)陰斜面再次分散輸出。路面壓應(yīng)力可利用基塊斜面?zhèn)鬟f，每傳遞一次分為一級，各級傳遞路徑的方向相差90度。在圖5中，用字母A、B、C、D、E表示各級傳遞順序，箭頭代表傳遞方向。每一級傳遞過程中，基塊都由一個(gè)輸入路徑，分離出2個(gè)輸出路徑；應(yīng)力傳遞路徑圖形如“T”字，其中“T”字筆畫的“豎”是輸入路徑，向左右延伸的“橫”是兩個(gè)輸出路徑，每個(gè)輸出路徑都沿各自所處方形孔的邊緣環(huán)繞形成一個(gè)個(gè)閉合環(huán)路。基塊按側(cè)面輸出端陰斜面疊壓輸入端陽斜面的規(guī)則裝配，由于一個(gè)基塊有兩個(gè)對稱分布的陰斜面，因此應(yīng)力沿著方形孔形成的閉合環(huán)繞路徑，在矩陣圖中呈現(xiàn)出順時(shí)針與逆時(shí)針交替分布樣式（見圖4）。應(yīng)力傳遞路徑具有分級擴(kuò)散和閉合環(huán)繞兩個(gè)特征：分級擴(kuò)散使應(yīng)力最終達(dá)到每個(gè)基塊，覆蓋基層全面積；閉合環(huán)繞能使基塊之間建立起應(yīng)變的協(xié)調(diào)關(guān)系。

? ? ? ? 基塊的受力結(jié)構(gòu)特征，是輸入與輸出端在側(cè)面間隔分布。基塊的鋪裝特征，是以基塊陰斜面與陽斜面相互疊壓裝配成平面，在鋪裝面相鄰的兩行與兩列交叉處形成多個(gè)方形口?；鶋K鋪裝面的荷載傳遞特征，是荷載以“T”形路徑分級擴(kuò)散覆蓋基層全面積，并在方形口周圍形成閉合環(huán)繞路徑?；鶋K鋪裝的斷面特征，是任意三個(gè)相連的基塊組成榫卯嵌擠關(guān)系，在行與列三連塊交叉點(diǎn)的基塊構(gòu)成垂直互鎖關(guān)系。裝配式路基的整體結(jié)構(gòu)特征，是具有垂直面及平面對稱性，基塊鋪裝面需要在四周封邊固定。

? ? ? ? ?為探索裝配式基層的結(jié)構(gòu)類型，以三維嵌擠基塊鋪裝的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)特性作為篩選條件，將連鎖混凝土路面磚路面結(jié)構(gòu)[6]和竹篾編織結(jié)構(gòu)，納入對比目錄。連鎖路面磚路面結(jié)構(gòu)是在砂墊層上鋪裝塊體、并在接縫內(nèi)嵌入砂粒；由于路面磚側(cè)面均為垂直面，其荷載傳遞方式依靠路面磚受荷后所發(fā)生的微小轉(zhuǎn)動、擠壓，使接縫嵌砂粒傳遞應(yīng)力給四周的路面磚[7]。因此，連鎖路面磚路面結(jié)構(gòu)形式，并不能完全滿足篩選條件，可以判定連鎖路面磚路面結(jié)構(gòu)與本文介紹的裝配式基層，并不屬于相同類型的受力結(jié)構(gòu)形式。

? ? ? ?我們發(fā)現(xiàn)：生活中最常見的竹篾編織，其受力方式與基塊鋪裝，在平面特征與傳荷路徑方面有相似之處，因此做以下具體分析。

3.竹篾編織與裝配式基層的對比

? ? ??編織結(jié)構(gòu)最基礎(chǔ)的技法是經(jīng)緯法“十字”平編，竹編工藝大體可分為起底、編織、鎖口三道工序。在編織過程中，竹絲篾條采用挑壓交織，被挑壓的蔑稱為“經(jīng)”，而編織的蔑為“緯”。中間留有空隙，可編織成“井”字紋理，生成一個(gè)個(gè)緊致的方形孔[8]。

? ????????

? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? a)竹篾編織平面篾條疊壓關(guān)系圖??????????????b)編織面荷載傳遞路徑圖?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖5竹篾編織與基塊鋪裝對比圖

? ? ??將竹篾編織平面與三維嵌擠基塊鋪裝做對比觀察，可見經(jīng)緯篾條相互疊壓形成交叉排列的矩陣面，經(jīng)緯蔑順序疊壓組成方形孔[9]；經(jīng)緯交叉形成編織面的節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)處經(jīng)緯蔑條相互別壓發(fā)生彎曲且彎曲方向相反。在圖5中，若以中間節(jié)點(diǎn)為參照物，經(jīng)向篾條的兩端是荷載輸入端，緯向篾條的兩端是荷載的輸出端，經(jīng)緯篾條交叉形成節(jié)點(diǎn)。篾條任意三個(gè)相連的節(jié)點(diǎn)均構(gòu)成三點(diǎn)別壓關(guān)系，中間節(jié)點(diǎn)受經(jīng)緯兩個(gè)相反的別壓構(gòu)成垂直互鎖關(guān)系[10]。對比顯示竹篾編織面裝配規(guī)則及斷面三連節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)均，符合基塊鋪裝特征。

? ? ? ?編織面經(jīng)緯交叉疊壓形成節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，荷載由經(jīng)篾兩端輸入，利用節(jié)點(diǎn)將荷載傳遞到緯蔑，再通過緯條兩端輸出。應(yīng)力路徑顯示 “T”形分級擴(kuò)散路徑并在編織網(wǎng)孔處形成閉合環(huán)繞路徑，由點(diǎn)荷載逐漸擴(kuò)散到編織全面積。荷載傳遞路徑圖與基塊鋪裝面一一對應(yīng)。編織結(jié)構(gòu)同樣具有基塊鋪裝所具備的垂直面及平面對稱性，也需要在編織四周封邊固定。

? ? ? ?經(jīng)過對編織面節(jié)點(diǎn)輸入與輸出端位置及接觸方式、編織面方形口構(gòu)成、斷面三連節(jié)點(diǎn)別壓關(guān)系及荷載傳遞路徑[11]的對比，可見基塊鋪裝所得的三維嵌擠結(jié)構(gòu)與竹篾編織具有相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。故該種預(yù)制素混凝土基塊可稱之為編塊。

4. 結(jié)語

? ??經(jīng)過基塊鋪裝面與竹篾編織面的對比獲得結(jié)果如下：

1）三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面節(jié)點(diǎn)的輸入與輸出端都有固定位置，相互交叉且間隔分布。

2）三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面,節(jié)點(diǎn)均利用疊壓實(shí)現(xiàn)荷載輸入與輸出端之間傳遞，疊壓有順序并形成方形口；

3）三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面,均有由三連節(jié)點(diǎn)建立的嵌擠或互相別壓的關(guān)系，平面兩個(gè)方向的三連節(jié)點(diǎn)交叉的中間節(jié)點(diǎn),因受到相反嵌擠或別壓,在垂直方向構(gòu)成互鎖關(guān)系；

4）三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面的傳荷路徑,均按“T”形分級傳遞、逐漸由點(diǎn)荷載擴(kuò)散到全面積，并在方形口周圍形成有方向的閉合環(huán)繞路徑；

?? 綜上所述，三維嵌擠基塊鋪裝結(jié)構(gòu)屬于編織類型，可稱之為編塊結(jié)構(gòu)。對裝配式基層結(jié)構(gòu)類型的探索，可進(jìn)一步理解塊體結(jié)構(gòu)與荷載傳遞的關(guān)系及對工作性能影響，有利于推動裝配式基層的研究和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]郭高,徐儉,趙健淳.嵌擠組裝式混凝土砌塊道路基層的結(jié)構(gòu)外形及嵌擠度[J].市政技術(shù),2014,32(02):34-36.

[2]T/CECS769-2020：瀝青路面裝配式基層技術(shù)規(guī)程[S].北京，中國計(jì)劃出版社，2020.

[3] 莫品疆. 混凝土預(yù)制塊體路面在農(nóng)村公路中的應(yīng)用研究 [D]重慶交通大學(xué)，2014,6,5

[4]王火明. 混凝土預(yù)制塊路面力學(xué)行為及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[D]重慶交通大學(xué)，2014,3,15

[5]郭高,戰(zhàn)宏宇.三維嵌擠裝配混凝土預(yù)制塊在道路工程的應(yīng)用 [J].建筑砌塊與砌塊建筑,2019,1:9-14.

[6]陳智杰.預(yù)制裝配式水泥混凝土路面應(yīng)用技術(shù)研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2017,(4):63-65.

[7] 蔣帥,陳明,肖杰, 等.裝配式基層道路結(jié)構(gòu)接縫荷載應(yīng)力分析[J].公路工程.2019.6（03）：241-245

[8]馬毓蔓. 馬陸篾竹編織工藝及傳承研究[D].北京理工大學(xué),2016.

[9]劉文思. 民間傳統(tǒng)竹編包裝設(shè)計(jì)研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2020.

[10]黃蔚欣,張登文.編織結(jié)構(gòu)——自由形態(tài)網(wǎng)殼建造[J].建筑技藝,2018,(8):42-43.

[11]孫建誠.瀝青混凝土路面裝配式基層連接方式力學(xué)特性[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2020,2(01):140-143.

?