高速公路旧水泥混凝土路面大修改造结构组合方案研究.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?作者简介：杨春会（），男，高级工程师，研究方向：公路工程管理。文章编号：?（）?高速公路旧水泥混凝土路面大修改造结构组合方案研究杨春会，曹才勇，杨梦，姜引利，邹伟（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 ；湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 ；湖南建设投资集团有限责任公司，湖南 长沙 ）摘要：以衡枣高速公路大修工程为依托，根据原水泥混凝土路面结构类型、路面状况技术评定检测结果、路面病害情况及现状交通荷载情况等，提出 种大修改造结构组合方案。确定了衡枣高速公路衡阳段采用“旧混凝土板共振破碎 加铺沥青面层”方案，永州段采用“旧混凝土路面换板压浆综合处治 加铺连续配筋复合式沥青路面”方案。关键词：水泥混凝土路面；大修；病害处治；共振破碎；复合式沥青路面中图分类号：文献标志码：引言早年修筑的高速公路水泥混凝土路面，大部分已达到使用年限 ，路面存在不同程度的破损，且破损速度逐渐加快，日常养护及专项维修费用不断增长，从全寿命周期成本理念考虑，需要对这些旧水泥混凝土路面及时进行大修改建。旧路面技术状况变异性大，应进行针对性设计，但考虑达到施工的连续性、便利性，设计方案不宜过多。目前国内外旧水泥混凝土路面改造方式主要有“白加黑”“白改黑”种。“白改黑”方案主要采用 种形式：直接加铺；多锤头破碎后加铺；门板打裂、强振打裂后加铺；加铺“连续配筋 沥青面层”；共振破碎直接加铺沥青面层。笔者根据近年来大修工程设计的经验，结合衡枣高速公路具体情况，介绍旧水泥混凝土路面大修改造结构组合方案研究过程，为后续旧水泥混凝土路面大修改建结构设计工作提供借鉴。原路面状况与病害分析 原路面结构衡枣高速公路主线原水泥混凝土路面结构与路幅构成见图 。主线路基宽度分为 和 两种，图 括号内数值为 路基数据。主线半幅板块为 块，板长一般为 ，宽度为 （），横向缩缝设有传力杆。图 主线原水泥混凝土路面结构与路幅构成（单位：）期杨春会，等：高速公路旧水泥混凝土路面大修改造结构组合方案研究 原路面检测应对旧路的结构强度、路用性能等进行准确检测与科学评价，从而为大修方案提供设计依据，以保证改造设计的经济性与合理性 。检测工作包括现场测试和室内试验，现场测试指标包含路面损坏状况 、平均断板率 、平均错台量、路面行驶质量、接缝传荷能力、基层顶面当量回弹模量、板底脱空状况、基层完整性以及各结构层厚度；室内试验指标为面板弯拉强度及基层无侧限抗压强度。原路面现场检测现场检测采用车载智能路面自动检测系统、三米直尺测量、落锤式弯沉仪、探地雷达等手段，结合现场人工对板裂缝处唧泥等外观状况综合判定，检测结果如表 所示。表 水泥混凝土路面检测结果路段位置车道路面损坏状况指数 路面行驶质量指数 平均断板率错台量 平均接缝传荷系数 脱空率基层缺陷比例左幅行车道 衡阳段超车道 右幅行车道 超车道 左幅行车道 永州段超车道 右幅行车道 超车道 原路面室内试验根据病害的分布情况等因素，选取了若干具有代表性的现场试验点，共钻取芯样 个，其中，左幅路面取芯 个，右幅路面取芯 个。路面病害情况见表 。由表 可知，衡枣高速公路水泥混凝土路面基层和底基层的整体承载能力严重降低，不能满足路面重载作用下的正常使用要求。表 原路面病害情况类型基层或底基层破损 个基层或底基层无破损 个共计个面层有病害 面层无病害 合计 ）面层弯拉强度。衡阳段左、右幅面层弯拉强度标准值分别为 和 ，永州段左、右幅面层弯拉强度标准值分别为 和 ，满足规范不低于 的要求。）基层无侧限抗压强度。剔除已破碎、开裂芯样，对现场取回基层有效芯样进行整理、排序等试验前准备工作，再按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（）养护、切割，进行无侧限抗压强度试验，得到各芯样的无侧限抗压强度值。衡阳段左、右幅基层无侧限抗压强度平均值分别为 、，永州段左、右幅基层无侧限抗压强度平均值分别为 、，部分路段基层强度较低，变异性较大。原路面病害特征分析整理分析上述检测结果及现场调查情况，衡枣高速公路水泥混凝土路面病害整体分布特点为：超车道各类病害较少，整体路况较好；多处路段路肩唧泥严重，连续出现泥浆唧出的情况；多处路段超高段病害较为严重，行车道错台严重、裂缝严重，多伴有唧泥、破碎板和接缝料损坏等病害，横向排水不畅，路表水大量渗入到路面结构内部；行车道换板较多，部分新换板接缝处未进行填缝料施工，部分板裂缝、唧呢、错台等病害严重；各类病害的出现具有复杂性，不同种类的病害既有独立发生的情况，也有共同发生的情况；相邻多块板病害均严重的路段多为几种病害同时出现，且均较严重；病害沿路线分布复杂，具有集中性和分散性的特征，既有部分较好路段个别板出现严重病害，也有部分路段连续出现严重病害的情况；基层和底基层承载力较低，基层顶面当量回弹模量较低，芯样大多存在脱空病害，不仅湖南交通科技 卷路面病害严重位置大多出现基层和底基层破碎松散现象，路面无病害位置同样出现了大量基层和底基层损坏的现象。大修改造结构组合方案在高速公路大修设计中，由于每条道路原路面结构以及营运中路面使用状况不同，所以路面结构组合往往是重点、难点，路面的改造方案需要综合原路面使用状况、道路纵断面情况、道路桥梁分布情况和桥面铺装的加铺方案等因素进行确定。交通荷载分析“白加黑”方案为复合式路面结构类型，在结构设计中按 公路水泥混凝土路面设计规范（）进行验算。“白改黑”方案结构组合为混合式基层，在结构设计中按 公路沥青路面设计规范（）进行计算。衡阳段：交通荷载按照规范 计算，设计交通荷载等级为重交通；按照规范 计算，设计交通荷载等级为特重交通。永州段：交通荷载按照 种规范计算，均为特重等级。计算结果见表。表 衡枣高速公路设计交通荷载等级标准路段大型客车与货车交通量（）交通量年平均增长率 车道分布系数方向系数设计车道累计大客车和货车交通量 设计车道累计标准轴载作用次数 设计交通荷载等级沥青路面规范 衡阳段 重永州段 特重水泥混凝土路面规范 衡阳段 特重永州段 特重 初拟加铺方案根据省内外水泥混凝土路面大修改造的成功经验与失败教训 ，通过结构计算，拟定种大修改造方案：，旧混凝土板换板压浆灌缝综合处治 加铺复合式面层；，旧混凝土板换板压浆灌缝综合处治 直接加铺沥青面层；，旧混凝土板共振破碎处治 加铺沥青面层。方案比较如表 所示。表 主线旧水泥混凝土路段路面大修方案比较层位“白加黑”方案“白改黑”方案 上面层 改性沥青 改性沥青 改性沥青 中面层 改性沥青 改性沥青 改性沥青 下面层 普通沥青 （加纤维）普通沥青 （加纤维）应力吸收层、封层 改性沥青同步碎石防水防裂黏结层 厚 改性沥青应力吸收层 改性沥青同步碎石封层补强层、调平隔离层 连续配筋混凝土 （）透层旧路面旧混凝土板换板压浆灌缝综合处治旧混凝土板换板压浆灌缝综合处治旧混凝土板共振破碎经济性造价较高（约 元）造价最经济（元）造价较经济（约 元）方案，通过增加连续配筋混凝土补强层，不仅大大提高了路面结构承载能力，同时较好地解决了旧混凝土板加铺改造的反射裂缝问题，防止反射裂缝效果较好，但其造价较高，施工较复杂；方案，直接加铺较厚的沥青层，通过采用应力吸收层和厚沥青层来防止或延缓旧混凝土加铺改造的反射裂缝问题，其效果一般，但造价最经济且施工简单；方案，采用共振破碎工艺，彻底解决旧混凝土板的反射裂缝问题，路面结构承载能力有所下降，相较于前面 种方案，造价期杨春会，等：高速公路旧水泥混凝土路面大修改造结构组合方案研究较经济，施工较简单，但施工期间对沿线周边居民生活影响较大，设计阶段应尽量避开居民集中区，减少社会影响 。加铺方案比选与推荐 衡阳段加铺方案比选）衡阳段旧水泥路面，无论断板及脱空程度，还是交通量及交通荷载，尤其在重载、超载方面都要少于永州段。经设计验算，采用碎石化改造成柔性路面或直接加铺即可满足结构设计要求，因此不考虑造价较高的 方案。）方案将既有路面碎石化后，使其成为一个柔性基层，可彻底解决旧混凝土板的反射裂缝问题。虽然碎石化后既有路面结构强度有一定程度损失，且其承载能力、耐久性较弱，在重载超载交通下可能出现车辙病害，但参考潭耒高速试验段 左行及益常高速的工程实践经验，以及省内高速公路治超成果，采用碎石化方案能满足未来交通荷载增长需求 。）直接加铺方案对既有混凝土路面板病害处治要求较高，已有工程实践经验及国内相关研究成果表明，对既有混凝土路面病害处治，一般很难完全处治到位。这是由于水泥混凝土路面接缝本身就是一个缺陷，容易产生应力集中现象，在行车荷载作用下，接缝两侧易产生弯沉差，弯沉差的反复产生，易导致沥青面层开裂。虽然在沥青加铺层中设置夹层或加筋材料（如沥青应力吸收膜、土工织物夹层、土工格栅及金属加筋网等），可以有效减缓低温收缩导致的反射裂缝，但难以防止接缝两边混凝土路面板在荷载作用下的垂直错动。在行车荷载作用下，一般路面加铺改造后几年内会逐步出现不同程度的反射裂缝。综合来看，尽管方案 较方案 前期投入稍高，但基本解决了旧混凝土路面改造后的反射裂缝问题，进而在保证路面行驶质量的前提下极大地减少了后期养护维修费用 。永州段加铺方案比选）永州段旧水泥路面损坏较衡阳段严重，断板及脱空程度高，交通量及交通荷载尤其是重载交通较衡阳段大，因此采用 及 方案不能适应目前的交通量及今后交通荷载的增长需求，更重要的是该段重载货运交通比例较高，加之既有路面厚度偏薄，路面结构强度已不能满足交通荷载增长的需要。直接加铺沥青面层则旧混凝土板接缝、裂缝易引起反射裂缝，产生早期损坏。）方案加铺复合式路面具有工程造价高、工期较长、保通压力较大等缺点，但在省内大修工程中已有很成熟的工程经验，实际应用效果好。其路面全寿命周期成本低，能有效控制反射裂缝、断板、错台及唧泥等病害，具有延长路面使用寿命，降低养护成本、运营成本，提高社会效益、环境效益等众多优势；工期较长及保通压力大的问题可通过增加工作面、半幅施工半幅双向通车、一次设计分期实施、保通分流等方案缓解。加铺方案推荐综合上述路面改造方案优缺点、项目特点及投资估算等多方面因素，秉承全寿命周期路面设计理念，在满足未来预期交通量增长需求的同时，兼顾后期养护投入等多方面综合考虑，推荐在衡阳段采用 方案，永州段采用 方案。结语）结合衡枣高速公路大修工程路面结构设计工程实践，详细调查分析衡枣高速公路水泥混凝土路面使用状况、交通荷载情况等，并进行客观评价，为路面结构方案制定提供技术支撑。）提出 种路面加铺方案，并从技术特点、施工难易程度、经济性等方面进行比选，制定适合项目特点的路面大修改造方案。对于交通流量较小、旧路技术 状 况 评 价 为“优”“良”和 部 分“中”的路段，及无居民集中区的路段，采用“旧混凝土板共振破碎 加铺沥青面层”方案，既可以节省大量筑路材料资源和资金，又可减少新能源的消耗，实现循环经济发展模式和可持续发展，减少碳排放，具有良好的经济效益与社会效益。对于交通流量大、重载车比例高、旧路技术状况评价为“优”“良”“中”“次”以及部分“差”路段，采用“旧混凝土路面换板压浆综合处治 加铺连续配筋复合式沥青路面”方案，能充分利用旧水泥路面剩余结构强度，提高整个路面结构层的承载能力和抗疲劳性能，形成高强耐久性长寿命路面。参考文献：张怀宇 高速公路大修工程路面结构及材料设计研究 湖南交通科技，（）：（下转第 页）湖南交通科技 卷 结论本文通过有限元建模和 扫描技术，研究了局部腐蚀对 高性能钢梁力学性能的影响，分析了相对腹板高度、相对腹板厚度和相对翼缘厚度对锈蚀梁极限承载力、临界屈曲荷载的影响，获得了如下结论：）扫描技术扫描锈蚀状态，结合有限元分析能较好地预测局部锈蚀高性能钢力学性能。）腹板厚度的锈蚀损伤对极限强度和临界屈曲荷载的影响大于腹板高度的锈蚀损伤，腹板锈蚀对临界屈曲荷载的退化影响更大。腹板腐蚀不影响极限荷载，但相对腹板腐蚀深度小于 时，临界屈曲荷载的折减率维持在 左右。参考文献：，（）：，（）：唐皇，彭建新，王晗，等 考虑黏结应力传递的抗弯加固锈蚀 梁挠度计算方法 土木与环境工程学报（中英文），（）：唐皇，彭建新，王晗 不同钢板加固方式对锈蚀钢筋混凝土梁承载性能的影响 土木与环境工程学报（中英文），（）：张建仁，唐皇，彭建新，等 锚贴钢板加固 锈蚀梁承载力计算方法与试验研究 工程力学，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：郭鹏 高强钢焊接工字梁整体稳定和局部稳定性能分析 天津：天津大学，（）：于坤，董彩常，姜美文，等 红岛航道桥钢箱梁腐蚀后安全性分析 公路交通科技，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）褚晨枫高速公路改扩建旧路检测与评价技术 长沙：长沙理工大学，交通运输部 ，公路水泥混凝土路面设计规范 北京：人民交通出版社有限公司，交通运输部 ，公路沥青路面设计规范 北京：人民交通出版社有限公司，彭杰 高速公路大修工程路面施工方案优化设计 公路工程，（）：刘朝晖，周婷，李盛，等 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