基于推出试验的接缝普通混凝土路面混凝土板-粒料基层界面摩擦特性研究

《Designs》：Characterization of Concrete Slab–Granular Subbase Interface Friction in Jointed Plain Concrete Pavements

　　

混凝土板–粒料基层界面摩擦的可靠表征对于接缝普通混凝土路面（JPCP）的分析与设计至关重要。尽管以往研究已利用推出试验（push-off test）对板–基层摩擦进行了探讨，但在一致的试验框架内对界面条件、板厚、移动速率及重复加载进行系统比较的研究仍然有限。本研究旨在通过试验研究，增进对支承于压实粒料基层上的混凝土板摩擦响应的理解。研究人员对18块厚度分别为100、150和200 mm的混凝土板进行了推出试验，考虑了两种界面条件：混凝土与粒料基层直接接触（粗糙界面）以及由聚乙烯薄膜隔开（光滑界面）。同时考虑了三种移动速率（6、9和12 cm/h）及连续加载循环。试验结果以摩擦阻力（FRF）、位移和表观摩擦系数进行评估。还采用了试验设计（DOE）筛选方法，并借助帕累托图和响应等值线图来评估所研究参数的影响。结果表明，界面条件是影响摩擦阻力的主导因素。对于100 mm厚板，从光滑界面变为粗糙界面时，初始FRF增加了203.1%–220.0%，具体取决于移动速率。增加板厚通常会增加FRF，但会降低表观摩擦系数；而连续加载循环则使摩擦阻力逐渐减小。移动速率的影响相对不太显著。这些发现量化了界面条件和加载参数对板–基层摩擦的影响，并为后续路面建模与设计研究提供了试验数据。

全球人口增长持续增加交通基础设施需求，公路运输需求不断上升，路面结构作为公路交通系统的重要组成部分，其性能直接关系到运输效率与安全。接缝普通混凝土路面（JPCP）因其结构承载力和耐久性被广泛应用，但其性能不仅取决于混凝土板本身，还受下层结构层特性的显著影响。在刚性路面中，基层与混凝土板之间的摩擦力是控制板–基层界面行为的关键参数。当混凝土板因温度变化、湿度变化或混凝土徐变产生收缩时，界面摩擦力抵抗板移动，在混凝土内产生直接拉应力；约束越大，拉应力越大，可能引发开裂。以往研究虽采用推出试验（push-off test）对多种基层类型进行了探讨，但多集中于连续配筋混凝土路面、稳定基层或特定夹层系统，对混凝土板直接支承于压实粒料基层上的摩擦行为，尤其是界面条件、板厚、移动速率和重复加载在统一试验框架下的系统比较仍然不足。此外，以往研究识别出两种典型的摩擦系数（μ）–位移关系，即A型（渐增趋于极限值）和B型（初始峰值后下降），但影响参数的系统量化仍不充分。因此，本研究旨在通过推出试验定量表征不同界面和加载条件下混凝土板与压实粒料基层间的摩擦响应。

研究人员在穆斯坦西里亚大学工程学院土木工程系材料实验室进行了推出试验，试验箱尺寸约4.1 m × 2.1 m，内铺200 mm厚压实粒料基层材料（SGM）。共浇筑18块混凝土板，尺寸为1000 mm × 500 mm，厚度分别为100、150和200 mm。两种界面条件为：混凝土直接浇筑于SGM上（粗糙界面）以及采用125 μm低密度聚乙烯（LDPE）薄膜隔离（光滑界面）。试验采用3种移动速率（6、9和12 cm/h），并对每块板施加连续加载循环。测量指标包括摩擦阻力（FRF）、位移和表观摩擦系数，并采用试验设计（DOE）筛选方法结合帕累托图和响应等值线图评估各参数影响。

关键技术方法方面，混凝土粗骨料来自Al-Niba’ee地区碎石，细骨料为Al-Ukhaider天然河砂，均按SCRB/R10筛分；基层粒料级配满足SCRB/R10及ASTM D1241-15要求。混凝土抗压和抗弯强度按ASTM C78-84测定。推出试验采用液压千斤顶施加水平力，50 kN测力传感器测量力，两个线性可变差动变压器（LVDT）和两个百分表测量位移。基层压实度约为最大干密度（MDD）的95%，最佳含水量6.2%；试验环境温度16.9–28.9 °C，相对湿度46–90%。每种组合浇筑一块板，加载循环不视为独立重复样本。

研究结果如下：

3.1 摩擦阻力与位移曲线：通过对比100 mm厚板在6 cm/h移动速率下粗糙和光滑界面的FRF–位移曲线，发现粗糙界面FRF显著高于光滑界面，且达到相同力时位移更小；所有条件下首次加载循环FRF最高，随后逐渐降低，表明重复加载导致界面逐渐退化。摩擦系数按μ=F/N计算，其中F为FRF，N为板重；粗糙界面下的μ应视为表观或等效摩擦系数。

3.2 初始摩擦阻力随加载循环的变化：对100 mm厚板在6、9、12 cm/h下的循环试验表明，FRF总体上随循环次数增加而降低；光滑界面线性趋势线的决定系数R²分别为0.9961、0.9828和0.9510，而粗糙界面曲线呈非线性下降，最后循环下降更明显。

3.3 基层摩擦变量分析与筛选：利用Minitab 18进行DOE筛选，帕累托图显示界面条件对初始FRF和μ的影响最大，其次为板厚和移动速率；由于无独立重复试验，统计显著性无法验证，故仅作为探索性比较。

3.4 界面、移动速率和厚度对初始FRF的影响：等值线图显示，从光滑变为粗糙界面时，100 mm厚板初始FRF增加220.0%、204.9%、203.1%（对应6、9、12 cm/h）；板厚从100增至200 mm时，光滑界面FRF增加52.9%、54.3%、44.9%，粗糙界面增加33.9%、45.7%、53.5%；移动速率影响较小，但提高速率会增加FRF。

3.5 界面条件、移动速率和厚度对位移的影响：等值线图显示，从光滑变为粗糙界面时，100 mm板位移在6、9、12 cm/h下分别减少40.0%、34.3%、53.5%；移动速率对位移影响较小，最低位移出现在约9 cm/h，但变化幅度相对界面条件很小。

3.6 界面条件、移动速率和厚度对摩擦系数的影响：从光滑变为粗糙界面时，100 mm板μ增加216.7%、204.3%、203.6%（对应6、9、12 cm/h）；板厚增加使μ降低，例如光滑界面下从100增至200 mm时μ下降25.0%、23.2%、27.7%，这是因为FRF增加幅度小于板重增加幅度；移动速率影响最小，但提高速率会增加μ。

3.7 与以往研究比较及主要贡献：结果与Suh等和Maitra等人的研究一致，界面条件对摩擦行为起主导作用；板厚增加使FRF增加但μ降低；重复加载使摩擦阻力下降；移动速率影响有限。本研究主要贡献在于定量表征了混凝土板–压实粒料基层的摩擦相互作用，并利用DOE筛选比较了各参数相对重要性。

讨论部分指出，界面条件是最关键变量，板厚和移动速率为次要因素；重复加载下摩擦阻力降低与以往研究一致；移动速率影响有限，但本试验速率（6–12 cm/h）高于实际温度湿度变化引起的速率，不能直接外推；聚乙烯薄膜能有效降低摩擦阻力，凸显了界面处理的重要性。

翻译研究结论部分：首次加载循环时FRF最高，反映混凝土板与基层间粘结程度最大，连续加载循环使FRF逐渐降低，表明重复滑动导致板–基层界面逐渐退化。在最初几次加载循环中，最大FRF降低伴随初始滑动位移增加，表明循环加载下界面逐渐被调节。界面条件被确定为主导因素，粗糙界面始终产生更高的FRF和表观摩擦系数，同时减小板位移。增加板厚提高FRF但降低表观摩擦系数，因为板重增加比例大于摩擦阻力增加比例。移动速率总体影响最小，在研究范围内其影响远不如界面条件和板厚显著。聚乙烯隔离膜有效降低摩擦阻力并促进板移动，凸显了界面处理在评估JPCP摩擦约束中的重要性。DOE筛选分析和等值线图一致识别界面条件为控制FRF、位移和μ的最主要变量，板厚和移动速率为次要因素，为后续路面分析建模优先考虑界面参数提供了基础。实验确定的表观摩擦系数和FRF–位移关系可为板–基层相互作用的解析和数值模型提供定量输入，但直接用于工程设计需结合具体试验条件并进一步校准和验证。总体而言，准确表征板–基层界面对于理解摩擦约束和选择代表性参数至关重要；未来研究应扩展不同粒料基层材料、级配、含水量和界面处理，并开展现场验证。