出入口处砌块类铺面结构力学分析

发布时间：2022-10-05 10:07 热度：

　　摘 要：对于常用的砌块类人行道结构是否适用于有车辆出行的小区出入口这一问题在工程界还存在争论。针对这一问题，采用ANSYS软件，分析了砂垫层厚度、基层厚度及模量和嵌缝宽度对砌块类铺面结构力学性能的影响。通过考虑车辆累计轴载作用，提出了出入口的砌块类铺面结构。

　　关键词：砌块类铺面;力学分析

　　Abstract: There is debate that whether the sidewalk Block structure can applies to vehicles travel residential entrance in the engineering field. To solve this problem, using the ANSYS software to analyze the impact of the sand cushion thickness, primary thickness and modulus, and caulking width of the pavement structure mechanical properties of block class. Consider vehicles accumulated the axle load, the entrance of the block pavement structure.

　　Key words: block classes pavement; mechanical analysis

　　中图分类号：U412.37+8 文献标识码：A 文章编号：

　　1.前言

　　人行道是城市道路交通设施的一个重要组成部分。它不仅提供人行走，同时也是美化城市环境、体现城市品位的重要载体。目前应用最为广泛的是彩色道板铺砌的人行道。在一些工程中，为了保证人行道的连续性，提升道路的整体景观效果，往往在居民小区出入口处采用人行道一致的砌块类铺面。

　　对于常用的砌块类人行道结构是否适用于有车辆出行的居民小区出入口这一问题在工程界还存在争论。为此，本文针对出入口处砌块类铺面结构进行力学分析研究。

　　2.砌块类铺面力学计算理论

　　砌块类路面结构的各种计算理论，主要体现对嵌挤砌块面层作了不同的假定。目前大体可分为以下四种:：

　　2.1 弹性层状理论

　　收稿日期：2012-5-28

　　作者简介：何慧斌(1976—)，男，江西南昌人，工学博士研究生。

　　弹性层状理论将不连续的块体层和砂垫层等效为一个当量的、各向同性的线弹性均匀材料，用两个参数(弹性模量和泊松比)表征其力学特性。采用与沥青路面相同的轴对称力学模型进行结构的力学分析和位移计算。

　　2.2 有限元方法

　　荷兰Delft大学将块体铺面结构简化为平面应变问题。在该模型中，假定块体是刚性体，接缝只传递剪力，垫砂层被看作互不相关的弹簧，基层、底基层和土基均为各向同性体且在水平方向上是无限大，用弹性模量和泊松比表示。

　　2.3 弹性半空间理论

　　英国港口协会(BPA: British Port Association)将铺面结构转换为弹性半空间体，并采用Boussinesq理论计算土基顶面的应变。

　　2.4 断裂理论

　　这种理论将嵌锁块层看作刚度较低的板，采用板的断裂理论来计算路面结构内的应力和变形。

　　3.有限元模型

　　本文采用有限元软件ANSYS来分析出入口砌块类铺面结构力学。将砌块铺面结构简化为面层有竖向接缝的空间轴对称模型。引入接触单元考虑板块和嵌缝之间的相互作用。砌块、接缝、基层和路基均用杨氏模量E和泊松比u表征。块体的尺寸为200×100mm，厚度为6cm。分析时水平方向为2m，竖向计算深度为3m。在水平边界上假定只有竖向位移，没有水平位移，竖向边界上即没有竖向位移，也无水平位移。根据试算结果，面层采用6块板已足够满足计算精度。

　　人行道板(局部荷载)5kN/m2;车辆荷载仅考虑小型桥车。本研究取用单圆5kN、p=0.35MPa、荷载圆半径δ=6.7434cm的荷载。

　　4.砌块铺面结构分析

　　4.1砂垫层厚度的影响

　　砌块类铺面力学性能对垫层厚度比较敏感。铺面表面弯沉随着垫层厚度的增加呈增加趋势，而基底的弯拉应力显著减少。

　　4.2基层厚度和模量的影响

　　由于基层的刚度非常大，砌块铺装表面弯沉比较小。随着基层厚度增加，弯沉略微减小。当厚度大于15cm以后，弯沉的变化不明显。随着基层厚度的增加，基层底部弯拉应力显著减少。

　　砌块铺装表面弯沉随刚性基层的弹性模量的增加而小幅减少，基层的基顶垂直压力随弹性模量增加小幅增加，而基层的基底弯拉应力随弹性模量显著增加。

　　4.3嵌缝宽度的影响

　　随着嵌缝的宽度的增加，路面的弯沉，基顶垂直应力和基底弯拉应力都有明显增加。在相同的荷载下，接缝越窄，基顶的压应力越小。

　　因此为了提高面层的板体性能应该尽可能的减少接缝宽度。这在一定程度上能解释，世界各国在面层处理上，对同一厚度的嵌挤块将其等效为不同厚度的原因，这主要是由于其施工水平和块的尺寸不同。同时嵌缝的宽度越大，缝中的填充物太多，不利于快体间的初期嵌锁。

　　5.车辙深度

　　砌块铺面的损坏通常不是由于块体的断裂，而是由于块体被冲剪进入基层，以及过大的路表永远变形积累(车辙)造成的。车辙在使用初期主要由块体位置的调整和砂垫层的压密所致，之后的变形积累主要是因为重复荷载作用下砂垫层、基层和土基的永久变形的积累。在实际路面结构上，车辆荷载的反复作用和轮胎的多次揉搓，使得块体相对移动，垫层和路基不断压密，最终形成车辙。

　　出入口日常进出车辆按照90辆/天考虑，设计年限取15年，设计年限内累计轴载次数计算值为492750次，本次计算累计轴载选用5.0×105次。

　　目前港口集装箱码头砌块铺面车辙深度通常控制在30mm以内。对于出入口处砌块铺面，除考虑车辆行驶平整度要求外，还需考虑行人及非机动出行舒适度要求，因此建议车辙深度控制在15mm～20mm。

　　对于刚性基层砌块类铺面，当垫层厚度在2cm-4cm阶段车辙深度显著增加，然后是增速趋缓，但当垫层厚度超过7cm后，车辙深度呈显著上升。

　　增加基层厚度对于减少砌块铺面的车辙深度是非常有效的方法。尤其是当基层厚度小于15cm时，增加基层厚度作用显著。当基层结构层厚度超过25cm时，增加基层厚度对减少车辙深度效果不明显。刚性基层砌块铺面由于基层刚度非常大，因此车辙深度最小。在厚度大于15cm时，车辙深度仅为12mm。因此在满足路用性能的情况下，基层厚度可以取较小值，以得到很好的经济效益。

　　6.结论

　　1.在基底弯拉应力在容许范围内时，可以通过适当减少刚性基层厚度和弹性模量，从而降低工程造价。即使刚性基层的厚度为5cm时，车辙量也不超过20mm。基层厚度的选取时，还应满足最小结构层厚度的要求。

　　2.应尽可能减少接缝宽度以提高面层的板体性能。考虑施工的可操作性，建议接缝宽度控制在3mm～5mm。

　　3.目前采用的6cm厚砌块类人行道结构能够满足累计轴载为：5.0×105次居民小区出入口车辆出行的要求。

　　参考文献

　　【1】孙立军. 现代联锁块铺面[M]，同济大学出版社，2000

　　【2】联锁型路面砖路面施工及验收规程(CJJ 79-98)，中国建筑工业出版社，1998

　　【3】孙立军. 联锁块铺面结构的承载理论.土木工程学报：1995，28(4)：15~21