旧水泥混凝土路面加铺层结构设计探析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-03-14作者简介：王志晟（1992），男，工程师，从事公路桥梁设计工作。旧水泥混凝土路面加铺层结构设计探析王志晟（江西九洲建设设计有限公司，江西 上饶 334000）摘要：为探索技术上可行、经济上合理的旧水泥混凝土路面加铺层结构方案，以某国道病害水泥混凝土路面为例，对微裂破碎压稳后增设水稳碎石基层并加铺沥青面层和直接加铺沥青面层两种加铺层的结构方案展开设计，并结合路面破碎后弯沉值计算结果，对两种结构的设计弯沉及下面层最优厚度进行比较，对基层回弹模量展开反演；最终采用微裂破碎压稳后增设水稳碎石基层并加铺沥青面层的设计方案进行施工，水泥混凝土路面路用性能恢复较好。关键词：水泥混凝土路面；加铺层；结构设计；回弹模量中图分类号：U416.2文献标识码：B0 引言随着社会经济的发展，交通量及车辆载重量增大，对路面结构造成较大破坏，越来越多的旧水泥混凝土路面进入养护维修期。与沥青路面相比，水泥混凝土路面修复过程复杂，难度大，且水泥混凝土路面加铺沥青层还面临反射裂缝问题，引发加铺层或面层开裂的可能性也较大。旧水泥混凝土路面病害处治大致有两种思路：一是在旧水泥面板上加铺级配碎石层或半刚性基层，再加铺沥青面层；二是在处治后的旧水泥面板上直接加铺沥青面层。第一种思路能显著增强病害严重水泥混凝土路面结构层强度，但面临路面与桥隧标高的不同并且桥隧处理难度较大，造价也高；第二种思路不存在路面与桥隧标高的不同，施工简便，造价低，并能充分利用旧水泥路面强度，快速恢复路用性能。结合以上分析，本文依托某水泥混凝土路面工程实例，结合对旧路病害路面弯沉检测及交通量预测结果，从以上两个方面展开面层结构设计，并进行了路面结构力学性能反演，可为同类型公路结构设计提供参考。1 工程概况某国道公路段原按二级公路设计，水泥混凝土路面，双向四车道，为重载交通路段，路面宽12.5 m，路段全长14.6 km。该公路段于2012年建成运行，在持续服役的过程中，交通量及重载车辆持续增多，部分路段先后出现水泥面板破碎、错台、崩边、横纵裂缝等病害。为此，必须采取有效措施及时处治病害，恢复路用性能，提供安全舒适的行车环境。基于对现状公路病害的调查与评定，公路管理部门提出将旧路路面微裂破碎压稳后作为道路基层，其上采用两种路面加铺层结构方案：一是在旧水泥面板上增设碎石化水泥混凝土底基层和水稳碎石基层，设置下封层和透层后，加铺沥青混凝土面层；二是经过重车碾压后对面板下薄弱路基和脱空等处注浆加固，在提升路面结构性能的基础上，直接加铺沥青混凝土面层。2 旧路病害处理全面调查旧水泥混凝土面板使用情况，并对严重病害、结构承载力不足等区域展开深入分析，使用落锤式弯沉仪、探地雷达等无损检测设备对面板脱空、结构层均匀程度、路面承载力等展开检测评价1。依据评价结果，按照公路水泥混凝土路面养护技术规范（JTJ 073.12012）处治旧路病害。2.1 严重破碎、龟裂及沉陷的处理以1块路面板为单位，清除此类病害部位旧水泥混凝土面板，并通过冲击钻或钢钎等装置凿除破碎板，注意保护道路基层和周边面板。浇筑的新水泥混凝土面板强度应不小于原路面板强度，且必须选用早强、后期强度稳定、无收缩的混凝土材料，按比例掺加外加剂以控制凝结时间。2.2 脱空板及错台的处理活动接缝、唧浆、错台等均属于脱空板，应采用板底压浆的方式补强，即按设计方案在面板底部脱空处钻孔，借助高强压力将流体加固材料压入孔内，待95总656期2023年第26期（9月 中）加固材料凝固并具备设计强度后，向面板均匀施力，达到稳固脱空板的目的。处治错台病害时，必须先明确形成错台的原因。对于因基层强度不足而引发的错台，必须先采用与脱空板处治相同的方式处理基层。对于接缝稳固且错台高差小于1.0 cm的情况，可不予处治；对于错台高差大于等于1.0 cm的病害，应将较高侧板块边缘50 cm范围内的面板切削，使其与沉降板边缘高度齐平；对于存在基层脱空的错台板块，应在脱空板下灌注膨胀水泥浆。2.3 接缝处理加铺沥青混凝土面层前，必须采用清缝机对旧水泥路面全部横纵向接缝实施清缝，并使用性能较好的热聚氯乙烯胶泥以及温度稳定性好、黏结性强、回弹性能优异的密封材料机械嵌缝2，确保清缝干净、嵌缝饱满。对嵌缝后的接缝，必须覆盖 1层无纺土工布养生，覆盖宽度应超出缝隙两侧各50 cm。3 加铺层结构设计3.1 交通量调查该病害公路段交通量大、重载车辆多，根据当地交通管理部门提供的车辆统计资料，单向运行的挂车、大货车、大型厢式货车、工程车辆等日交通量达到38004000辆/d。为确保路基结构刚度及路面结构承载力满足日益增长的交通量需求，必须对路段运行车辆轴载进行归类划分，结果见表1。不同结构层的弯沉值不同，测量破碎并注浆加固后的旧水泥混凝土路面的弯沉值，并按照 公路沥青路面设计规范（JTG D502017）的规定展开加固后路面回弹模量推算3。根据推算结果，该病害水泥混凝土路面为二级公路，实测平均弯沉值为 16（0.01 mm），回弹模量计算值为1 025.1 MPa。表1 病害路段双向运行车辆轴载情况车型京华BK661宇通ZK6820HNG2东风SP9250五十铃exr181l红岩CQ30290长征CZ3175SS361解放CA-340前轴重/kN703050.7603247.822.8后轴重/kN9065114.110012090.756.6后轴轮组数双轮组双轮组双轮组双轮组双轮组双轮组双轮组后轴数2133221后轴距/m33333日交通量/（辆/d）4211 320521 0652 9842 9351 9423.2 加铺水稳碎石基层设计结合交通量预测结果及弯沉值，决定对该病害水泥混凝土路面在水稳碎石基层上加铺8cm厚的沥青混凝土面层，上面层为4 cm厚的AC-13细粒式沥青混凝土层，下面层为 4 cm 厚的 AC-16 中粒式沥青混凝土层，层间设黏层，水稳碎石基层顶面设沥青下封层和透层。出于路面结构设计方案合理性与经济性的考虑，在保持上面层厚度4 cm不变的情况下，对3年和5年两种设计使用年限下下面层最优设计厚度进行分析确定。3.2.1 3年设计使用年限结合现场弯沉实测结果，可以预测出旧水泥混凝土路面3年使用年限内设计弯沉为21.7（0.01 mm），不同回弹模量下弯沉值及下面层设计厚度取值情况见表 2。根据表2中的结果可知，随着基层回弹模量的减小，弯沉值呈增大趋势，当回弹模量取269 MPa时，下面层弯沉即达到21.7（0.01 mm）的设计值；当基层回弹模量超出269 MPa时，4 cm厚度的下面层已经无法满足设计弯沉要求；为使下面层满足设计弯沉，将下面层厚度增大至4.6 cm，但工程量和造价也必将增大。回弹模量/MPa弯沉/（0.01 mm）下面层设计厚度/cm1 00010.8480011.7460013.9440017.1430020.4428021.2427521.3427221.4427121.5427021.6426921.7426022.04.6表2 3年设计使用年限对应的弯沉值及下面层设计厚度（方案一）3.2.2 5年设计使用年限根据现场弯沉实测结果，推算出旧水泥混凝土路面大修后5年使用年限内设计弯沉为19.1（0.01 mm），远小于3年使用年限内的设计弯沉。分别展开不同回弹模量下弯沉值及下面层设计厚度的计算，结果见表3。根据表3中的结果，当回弹模量取333 MPa时，下面层弯沉即达到19.1（0.01 mm）的设计值；在基层回弹模量取值较大的情况下，弯沉值远比设计弯沉小；当基层回弹模量小于333 MPa时，需要将下面层设计厚度增大至4.2 cm才能满足设计弯沉要求。表3 5年设计使用年限对应的弯沉值及下面层设计厚度（方案一）回弹模量/MPa弯沉/（0.01 mm）下面层设计厚度/cm1 00010.8480011.7460013.9440017.1435018.5434018.8433519.0433319.1433019.24.296交通世界TRANSPOWORLD3.3 直接加铺沥青混凝土面层设计该旧路改造工程部分路段紧邻住宅，加铺方案设计时路面标高抬高受限4，故此类路段未设置水稳碎石层。改造段全部采用8 cm厚的沥青混凝土面层，上面层为4 cm厚的AC-13细粒式沥青混凝土层，下面层为4 cm 厚的 AC-16 中粒式沥青混凝土层，层间设黏层，水泥混凝土基层顶面设置下封层和透层。在假设上面层厚度4 cm不变的情况下，对3年和5年两种使用年限下下面层最优设计厚度进行分析确定。3.3.1 3年设计使用年限结合对病害路段车辆轴载的分析及对弯沉值的反演，路段维修处治后 3 年内设计弯沉为 21.7（0.01mm）。不同回弹模量下弯沉值及下面层设计厚度取值情况见表4。根据表4中的结果，随着基层回弹模量值的减小，弯沉值持续增大，当回弹模量取595 MPa时，下面层弯沉即达到21.7（0.01 mm）的设计值；基层回弹模量超出595 MPa时，4 cm的下面层厚度已无法满足设计弯沉要求。表4 3年设计使用年限对应的弯沉值及下面层设计厚度（方案二）回弹模量/MPa弯沉/（0.01 mm）下面层设计厚度/cm1 00013.0480016.1460021.5459521.7459021.84.558022.15.63.3.2 5年设计使用年限根据现场实测弯沉所推算出的旧水泥混凝土路面大修后5年使用年限内设计弯沉为19.1（0.01 mm）。不同回弹模量下弯沉值及下面层设计厚度的计算结果见表5。据此，当回弹模量取675 MPa时，下面层弯沉即达到19.1（0.01 mm）的设计值；在基层回弹模量取值较大时，弯沉值远比设计值小；当基层回弹模量小于675 MPa时，必须将下面层设计厚度增大至6.6 cm才能满足设计弯沉要求。表5 5年使用年限弯沉值及下面层设计厚度（方案二）回弹模量/MPa弯沉/（0.01 mm）下面层设计厚度/cm1 00013.0480016.1470018.5468018.9467519.146506.63.4 两种加铺方案的比较在前文对旧水泥混凝土路面加铺水稳碎石基层再铺设沥青混凝土面层及直接加铺沥青混凝土面层两种方案基层回弹模量与弯沉值、下面层设计厚度的关系展开分析的基础上，进行设计使用年限内弯沉值的比较，具体见表6。根据表6可知，当设计使用年限为3年时，在旧水泥混凝土路面直接加铺沥青混凝土面层后弯沉值较大，表6 两种设计方案下的弯沉值单位：0.01 mm设计使用年限3年5年设计方案加铺水稳碎石基层加铺沥青混凝土面层加铺水稳碎石基层加铺沥青混凝土面层回弹模量/MPa1 00015.113.010.713.090011.314.111.214.180012.016.012.016.070012.718.112.618.460013.821.313.750015.015.140017.117.030020.119.120021.9且弯沉随基层回弹模量的减小而大幅增大；3年使用年限内，路表弯沉设计值为21.6（0.01 mm），旧路面破碎压稳后弯沉值基本满足设计要求，但必须对旧路严重病害进行处治，以提升路基承载力。当设计使用年限为5年时，在旧水泥混凝土路面直接加铺沥青混凝土面层后弯沉值也较大，变化趋势与3年设计使用年限基本一致；5年使用年限内，路表弯沉设计值为19.1（0.01mm），旧路面破碎压稳后弯沉值普遍高出设计弯沉，故在旧路混凝土路面直接加铺沥青混凝土面层的方案无法达到设计要求，必须相应增大面层厚度。4 结束语综上所述，旧水泥混凝土路面病害复杂，变异性大，设计加铺层时需要考虑的变量多，设计参数的确定存在一定难度。旧路结构强度及反射裂缝始终是沥青加铺层设计中需要考虑的主要因素。出于路用性能性和经济性方面的综合考虑，最终选用方案一对该旧水泥混凝土路面进行改造，即在旧水泥面板上增设碎石化水泥混凝土底基层和水稳碎石基层，设置下封层和透层后，加铺沥青混凝土面层。2020年初改建道路建成运行，至今为止，沥青混凝土面层未出现明显裂缝。2022年底的跟踪检查结果显示，层间反射裂缝处于可控状态，说明下封层及透层的设置取得了较好的抑制反射裂缝效果。（下转第100页）97总656期2023年第26期（9月 中）根据观测结果确定新旧部分的沉降差，据此评价新旧路基的拼接效果。以新、旧路基沉降最大点为例，观测结果如图1、图2所示。分析图1、图2可知：新路基表面的沉降率可控制在2 mm/月以下，虽然有沉降，但变化较为平缓，且随着时间的延长，沉降趋于稳定；旧路基填筑时，沉降率为5 mm/月，属正常现象。拼宽施工后，路基的固结度随着使用时间的延长而持续提高，沉降速率有逐步减小的趋势，旧路基建设时间较早，已经达到相对稳定的状态，新路基刚建成，开始出现沉降，此时新旧路基的沉降差较大，但随着时间的推移，新路基的沉降逐步趋稳，新旧路基的沉降差减小，协调性得以提升。5 结束语综上所述，对既有路基进行拼宽处理是提高公路通行服务能力的重要方法，能够在实现交通发展目标的同时发挥既有公路设施的价值，起到减少资源投入、降低成本的效果。新旧路基拼接施工的细节多，本文对液压夯实机补强、羊足碾补强、土工格栅铺设等技术手段进行了分析和总结。根据竣工后的沉降观测结果可知，新旧路基的沉降得到有效控制，沉降差在许可范围内，新旧路基的整体性和稳定性均良好，表明工程采取的路基拼接技术具有可行性，可供参考。后续将就如何进一步保障新旧路基的稳定性、耐久性以及提高效率等做持续深入的研究，促进该技术的发展。参考文献：1 朱浩然，赵冰强.高速公路路基拼宽质量控制研究J.四川建材，2022（6）：26-27.2 王翠丽.路基拼宽质量控制要点与防治措施探析J.江西建材，2020（11）：178-179.3 于庆江.高速公路改扩建工程路基路面拼接技术应用J.工程建设与设计，2020（7）：116-117，123.20406080100120140时间/d（a）填土高度-时间关系曲线20406080100120140时间/d14121086420填土高度/m沉降量/m0-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20（b）沉降-时间关系曲线图1 新路基沉降最大点的沉降历时曲线20406080100时间/d（a）填土高度-时间关系曲线20406080100时间/d10864200-2-4-6-8-10-12-14沉降量/m填土高度/m（b）沉降-时间关系曲线图2 旧路基沉降最大点的沉降历时曲线（上接第97页）参考文献：1 杨腾龙.浅析旧水泥混凝土路面加铺沥青结构设计方法J.福建建设科技，2022（3）：101-103，107.2 龚宁，曹建大.高速公路改扩建工程旧路加铺利用的研究J.公路，2021，66（2）：396-398.3 郭锋.公路旧路加铺 AC-13 配合比设计及施工控制J.公路交通科技（应用技术版），2018，14（3）：117-120.4 严明星，赵彬强.旧路改造路面加铺纵横坡优化设计研究J.低温建筑技术，2017，39（11）：96-99.100