全国市政工程行业科技成果展示--预制装配式道路基层结构暨产业化研究
“预制装配式道路基层结构暨产业化研究”项目于2011年5月立项，2015年12月完成。该项目研究由长春市市政工程设计研究院完成。该研究项目成果获2014年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖，其成果适用于道路工程，特别适合市政道路工程领域。
预制装配式道路基层施工作业现场
项目研究技术原理
预制装配式道路基层是将混凝土预制基块按嵌挤方式装配，并使用土工格栅包裹基层底面及侧面，然后在基块侧面缝隙内灌注砂浆构成的道路基层结构。
“预制装配式道路基层结构暨产业化研究”项目所采用的技术原理如下。
1）借鉴北京卢沟桥采用的银锭扣结构，在原有的二维约束能力基础上，研制成具有三维约束能力的立体嵌挤组合基层主体。形成有效限制基层反射裂缝、分散温缩应力的板体结构。
2）利用太阳轮行星轮机械传动原理，变实体的摇杆为虚化的偏心距。并将2个偏心圆环内外套装，通过转动圆环实现在矩形外框内对其中圆孔位置的调整，满足检查井周边预制块装配需要。
3）将独柱式悬臂吊与桁吊及履带行走机构集成专用的预制混凝土基块铺设机，使用桁吊完成预制基块卸车作业，使用独柱式悬臂吊完成预制基块铺设作业，实现了基块铺设施工的机械化作业。
预制混凝土基块铺设机作业场景
研究成果及技术创新点
该项目的主要研究成果及技术创新点如下。
1） 在继承卢沟桥银锭扣结构原理的基础上，在原有的二维平面约束基础上发展出具有三维嵌挤稳定的新结构。
2） 系统分析装配整体式混凝土基层结构受力特点，独创基层三维稳定性评价方法。
3） 首次利用有限元软件对装配式道路基块结构进行建模计算，准确模拟基块结构与砂浆两种不同材料在共同受力情况下的力学规律，对材料性能和结构形状的匹配方案进行多参数遴选及优化，获得材料选择范围宽与结构强度大的最小二乘法定理最佳解，攻破了装配式结构设计关键技术难题，为该技术在道路交通行业的应用奠定了理论基础。
4） 按结构计算成果均匀设置基块缝隙，分散干缩及温缩应力，并采用在基块接缝处预留变形空间的方法，利用沥青混凝土材料自适应特性预防基层反射裂缝。
5） 使用土工格栅五面包裹基层、卯榫型砂浆缝隙等技术，发挥多维系统冗余技术优势，提高基层稳定性。
预制混凝土基块铺设作业现场
6） 借鉴机械传动机构原理，虚化太阳轮行星轮摇杆为偏心距，构建双偏心圆环检查井周边异形块结构，解决矩形基块铺设时与既有圆形检查井的配套设计。实现了道路基层全面积预制化（含道路基层、检查井、检查井周边、雨水收水口）。
7） 使用悬臂吊、绗吊、履带行走机构经科学集成研制的铺设机，能实现基块装车、卸车及铺设的机械化作业，采用的骑跨式自行作业模式可以最少占用作业空间，适合城市道路施工。
8） 采用干混砂浆灌缝工艺，施工温度适应性宽，强度高、工期短。
9） 研制双参数检查塞尺，检查基块铺设间隙。
10）编制《预制装配式道路基层工程技术规程》及《预制装配式道路基层施工工艺方法》为设计、施工与验收提出系统规范的技术要求。
11）通过工程技术的系统优化，达到只用1种基块型号及1套检查井异形块组件即可满足结构设计及铺设需要，并使设计、制造、运输、铺设及管理过程简化，成本降低，利于大面积应用。
根据国内外技术查新报告，该项目研究的技术成果属于首创。基于该项目研究成果编制出版的《预制装配式道路基层工程技术规程》在同行业技术中处于领先水平。
铺设完成后的预制装配式道路基层
与国内外同类技术的比较
国内普遍采用的在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层的“白改黑”方案中，多采用铺设土工格栅及应力吸收层等方法防治基层反射裂缝，或先使基层碎块化，然后加压注浆封闭基层裂缝，再铺土工格栅及应力吸收层的方法改造既有道路。上述工艺技术复杂、工期长、成本较高、效果不佳。
对预制基层的研究，国内刚刚开展相关技术的方案研究，但尚未在公开渠道检索到类似研究成果的信息。
在国际上最新工艺是采用粉碎基层的方法，目的是通过使基层碎块化、分散应力从而解决基层反射裂缝问题。但是，该工艺作业时震动及噪音巨大，对周围环境影响明显；而粉碎的基层也因此丧失了原有的结构强度，使既有剩余强度不能充分利用，改造成本更高。
“预制装配式道路基层结构暨产业化研究”项目从结构稳定性入手，始终坚持面向应用，主攻工艺、注重系统工程研究，具有如下技术创新特点。
1）结构创新：（1）独创的三向嵌挤稳定基层，建立基块在X、Y、Z三向相互嵌挤，载荷扩散作用好，基层受力面积大，避免了单个基块的下沉。（2）基层由数个基块组合而成，基块在装配时已经完成干缩变形， 基块缝隙内灌注的砂浆体积小，干缩后的影响小。由于基块在道路面层之下，温差影响小，可减少因干缩、温缩产生的裂缝及反射裂缝。（3）合理设计缝隙，并且使缝隙分散化，减少应力集中现象。通过每条缝隙的微变形避免了单个缝隙的大变形。更能适应北方道路，避免道路翻浆。（4）基块边缘设置三角区，其内填充沥青混凝土，充分利用材料自身的自适应特性通过材料的变形，阻断裂缝发展路线、避免反射裂缝发生。（5）设置多重冗余稳定系统。为提高基层的稳定性，在基块侧面设置横槽、竖槽，在基块底面设置方格网状凸台，利用双向拉力土工格栅五面包裹等技术建立多重冗余稳定系统。
2）工艺创新。为预制基层研制专用铺设机械，并科学的解决与排水专业构筑物的关系。利用机械转动太阳轮与行星轮系结构原理，设置双偏心圆环结构，解决基块铺设时遇到圆形排水检查井的处理。结构简单，作业方便，适用性强。预制块设计组合，仅用单个型号的预制块即可完成铺设。研制专用夹具、检测工具、铺设机械，技术研究覆盖工程系统全过程，全要素。
3）产业化完成好。《结构计算》、《材料配合比试验》、《经济分析报告》、《技术规程》《施工工艺方法》、《弯沉检测》、《铺设机械研制》、试验路段设计及验收、扩大实验路设计及验收。已经建了2个产业化基地。可以完成基块预制、运输、铺设全过程设计与施工作业。
4）创新度高，技术先进。根据吉林省住建厅科技成果鉴定结论：“首次系统研究了嵌挤混凝土预制块路面基层结构，提出的装配式路面基层成套技术填补国内外空白；编制的地方标准可用于施工；可充分利用建筑废弃物；项目总体技术达到国际先进水平”。
检查井区域的预制混凝土基块铺设效果
项目应用成果与效益
该项目研究成果已在长春市道路维护改造工程中得到实际应用。2013年在飞跃中路开展重型基块基层结构试验，基块及砂浆各项指标达到设计要求、竣工弯沉值满足设计要求。2014年对基块尺寸优化后设计出标准型基块，应用于长春市四环路辅道工程。实验路段竣工弯沉值满足设计弯沉值要求、研制的铺设机功能及工艺性能满足设计要求、采用新结构的道路全寿命周期建设及维护费用低于传统二灰碎石基层。
目前，长春市已经建立2个预制件生产示范基地，年产值超1000 万，同时已建立专用铺设机械研制生产基地，已有2台铺设机可以用于施工，促进了建材企业的升级转型及跨越式发展。2015年，长春市计划在道路建设中开展大面积试验与应用,预计推广面积为60000m2，占长春市年均翻建道路面积的20%，可创造2140万元产值。
经济效益 由于预制生产的基块质量保证率高，使用寿命长，。推广后，市政道路年维护道路面积减小，道路翻建周期更长，道路全寿命维护费用降低。
社会效益 1） 减少施工占道时间。传统道路修建，一般需要45～60天。采用本技术仅用传统工艺施工周期的1/4时间。而且实现了渐进式竣工的方式，能尽快开放交通。2）交通间接利益好。车辆行驶顺畅，事故率降低。3） 道路工况良好。刹车启动频率相对降低，道路使用寿命延长。4）可以延长道路施工季节，满足在初春、初冬季节道路建设施工需要。
环境效益 1）预制基块制作原材料来源多样化，既可利用混凝土制作，也可利用建筑废弃材料、粉煤灰、矿渣等再回收资源制作，减少对一次性资源的消耗。2）颠覆现场湿作业的传统模式。传统二灰碎石基层施工在运输、拌合、摊铺过程中都会产生大量扬尘，产生雾霾，对城市环境造成严重污染。该工艺的大面积推广应用，可有效降低传统基层施工过程中对环境造成的污染。3）预制基块采用模块化设计、预制化生产，机械化铺装，绿色化施工，是一种“资源节约、环境友好”的新型道路基层施工工艺。
（长春市市政工程设计研究院 供稿）
注：本文刊载于《市政技术》2016年第1期，第5、6、7页。