微裂破碎水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

徐勝堂 李文杰

摘 要：舊水泥混凝土路面破碎改造工程中，合理的面層結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。本文結(jié)合某國道舊水泥混凝土路面“白改黑”大修改建工程，對比分析了微裂破碎壓穩(wěn)后加鋪水泥穩(wěn)定碎石層再鋪設(shè)瀝青面層和直接加鋪瀝青面層兩種不同加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)交通流量調(diào)查并結(jié)合路面破碎后現(xiàn)場彎沉值，計算了兩種加鋪結(jié)構(gòu)彎沉設(shè)計值和下面層的最優(yōu)設(shè)計厚度。反演了路面結(jié)構(gòu)的回彈模量，對比了兩種設(shè)計年限的面層鋪設(shè)結(jié)構(gòu)形式，提出了合適的面層鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，為實際工程提供了借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：舊水泥混凝土路面;水泥穩(wěn)定碎石層;最優(yōu)設(shè)計厚度;回彈模量

中圖分類號：U416.216 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0124-05

Abstract： In the old cement concrete pavement rehabilitation project， reasonable surface layer structure design is very important. Combined with the rehabilitation of cement concrete pavement laying with hot mixed asphalt overlay of a national highway， two different overlay structure designs were compared and analyzed. ?that is， to overlay the cement stabilized macadam layer after micro-fracturing， fracturing and stabilization， then to overlay the asphalt surface layer and directly to overlay the asphalt surface layer. According to the traffic flow investigation and the deflection value after road surface breakage， the deflection design values of two kinds of overlay and the optimal design thickness of the lower layer were calculated. The elastic modulus of the overlay was inverted， and suitable paving structure was put forward by comparing two types of paving structure of different design life. It provides reference and guidance for practical engineering.

Keywords： old cement concrete pavement;cement stabilized gravel layer;optimum design thickness;rebound modulus

從20世紀(jì)80年代開始，水泥混凝土路面作為路面結(jié)構(gòu)的主要形式之一，在我國得到了大規(guī)模的發(fā)展。許多道路尤其是南方的許多省際干線公路都是以造價相對較為便宜的水泥混凝土路面為主。隨著路面使用年限的增長，部分水泥混凝土道路達到了設(shè)計壽命，早期修建的水泥混凝土路面都存在不同程度病害，特別是斷板、錯板、裂縫、剝落及坑洞等病害大量存在，使得原有的水泥混凝土路面難以承擔(dān)路網(wǎng)中高等級公路的重任，其大修改造工作日趨繁重[1-4]。目前，舊水泥混凝土路面改建方法主要有挖除重建、“白改白”和“白改黑”[5-8]。相比于挖除重建和“白改白”，“白改黑”施工對周邊環(huán)境影響相對較小，不會產(chǎn)生過多的建筑垃圾，能夠充分利用原有混凝土路面結(jié)構(gòu)強度，并且改造后的瀝青路面行車舒適、易于養(yǎng)護。本文以某國道改造項目為背景，結(jié)合舊水泥混凝土路面微裂破碎后彎沉檢測以及交通流量調(diào)查，提出了不同的面層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并進行了相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能反演分析，為同類項目工程提供了參考和借鑒。

1 工程概況

某國道原設(shè)計為二級公路，水泥混凝土路面寬度為12m，雙向四車道，屬于重載交通，改造路段全長12.7km。由于交通流量大、重載車輛多，該路段存在混凝土板塊破碎、縱橫裂縫、錯臺及崩邊等病害。通過道路結(jié)構(gòu)層調(diào)查以及病害成因分析，確定首先對舊路面進行破碎處理，然后采用鋪設(shè)瀝青面層的“白改黑”施工工藝[9]。首先根據(jù)不同的病害狀況，進行不同程度的微裂破碎處理，而后經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹剀嚹雺海β访姘逑碌拿摽占氨∪趼坊M行注漿處理，以保證路面結(jié)構(gòu)的整體性能，在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)瀝青混凝土面層。

2 瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1 交通量調(diào)查和計算彎沉分析

改造路段交通流量大，重載車輛多，根據(jù)當(dāng)?shù)亟还懿块T現(xiàn)場車流量統(tǒng)計，由南向北方向，僅運沙的大貨車、掛車約為3 700～4 000輛/日，其中還不包括其他大型箱型貨車、大型工程車輛等，南北方向雙向車流量合計可達10 000輛/日。為了保證路基設(shè)計和路面結(jié)構(gòu)能夠達到預(yù)計的功能，路面具有良好的結(jié)構(gòu)性能，需要對行駛車輛進行統(tǒng)計。結(jié)合交通流量的統(tǒng)計，對道路行駛車輛的軸載進行了歸類劃分，具體如表1所示。道路不同結(jié)構(gòu)層對應(yīng)不同的彎沉值[10，11]，原水泥混凝土路面經(jīng)過破碎以及注漿加固處理后，進行了彎沉值的測量。根據(jù) 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）相關(guān)要求[12]，根據(jù)彎沉測量值反算破碎加固后混凝土路面的回彈模量，如表2所示。

2.2 加鋪水穩(wěn)層結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

根據(jù)該國道道路等級以及交通流量預(yù)期，首先分析了道路增設(shè)水泥穩(wěn)定碎石層的結(jié)構(gòu)設(shè)計。瀝青面層設(shè)計為8cm厚瀝青混凝土，其中上面層為4cm細粒式瀝青混凝土（AC-13），下面層為4cm中粒式瀝青混凝土（AC-16），各瀝青層之間應(yīng)設(shè)置黏層，水泥穩(wěn)定碎石基層頂面設(shè)置瀝青下封層和透層。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

考慮到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和經(jīng)濟性，針對增加水穩(wěn)層的路面改造設(shè)計方案，上面層為4cm細粒式瀝青混凝土（AC-13），結(jié)合現(xiàn)場實測彎沉值和交通量計算下面層的最優(yōu)設(shè)計厚度，分別進行了3年、5年兩種設(shè)計使用年限的分析。

2.2.1 道路3年使用年限設(shè)計分析。根據(jù)改造路段行駛車輛軸載分析以及反演計算彎沉值，同時結(jié)合現(xiàn)場彎沉實測值，預(yù)測大修道路3年使用年限的彎沉設(shè)計值為21.6（0.01mm）。為了尋找最優(yōu)設(shè)計方案，分別計算了不同等級回彈模量條件下的彎沉值，如圖2所示;不同等級回彈模量條件下彎沉值與下面層設(shè)計厚度關(guān)系，如表3所示。

由圖2可知，其彎沉值隨著基層回彈模量的減小而增加;當(dāng)基層的回彈模量為269MPa時，下面層的彎沉值達到最大彎沉設(shè)計值21.6（0.01mm）。由表3可知，當(dāng)瀝青混凝土下面層的設(shè)計厚度為4cm時，若基層的回彈模量較大，則其彎沉值要遠小于設(shè)計彎沉值;隨著基層回彈模量的減小，下面層的彎沉值逐漸增大;當(dāng)基層回彈模量小于269MPa時，4cm厚度的下面層設(shè)計不能滿足設(shè)計彎沉值的要求。為了在基層較低的回彈模量條件下，使下面層的彎沉達到設(shè)計值的要求，必須增加下面層厚度，即當(dāng)基層回彈模量為260MPa時，下面層厚度為46mm。

2.2.2 道路5年使用年限設(shè)計分析。根據(jù)改造路段行駛車輛軸載分析以及反演計算彎沉值，結(jié)合現(xiàn)場彎沉實測值，預(yù)測大修道路5年使用年限時的彎沉設(shè)計值為19.1（0.01mm），與道路3年使用設(shè)計年限彎沉值設(shè)計值26.1（0.01mm）相比較小。為了尋找最優(yōu)設(shè)計方案，分別計算了不同等級回彈模量條件下的彎沉值，如圖3所示;不同等級回彈模量條件下彎沉值與下面層設(shè)計厚度關(guān)系，如表4所示。

由圖3可知，當(dāng)基層的回彈模量為333MPa時，下面層的彎沉值達到最大彎沉設(shè)計值19.1（0.01mm）。由表4可知，瀝青混凝土下面層的設(shè)計厚度為4cm時，若基層的回彈模量較大，則其彎沉值要遠小于設(shè)計彎沉值;隨著基層回彈模量的減小，下面層的彎沉值逐漸增大;當(dāng)基層回彈模量小于333MPa時，4cm厚度的下面層設(shè)計不能滿足設(shè)計彎沉值的要求。為了在基層較低的回彈模量條件下，使下面層的彎沉達到設(shè)計值的要求，必須增加下面層厚度，即當(dāng)基層回彈模量為330MPa時，下面層厚度為42mm。

2.3 直接加鋪瀝青混凝土面層設(shè)計分析

由于該國道改造部分路段通過村鎮(zhèn)，道路緊鄰居民住宅，改建后的路面標(biāo)高不能抬高過多，否則將影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ?，因此，部分改造路段未設(shè)置水泥穩(wěn)定碎石層，路面面層為8cm厚瀝青混凝土。其中，上面層為4cm細粒式瀝青混凝土（AC-13），下面層為4cm中粒式瀝青混凝土（AC-16），各瀝青層之間應(yīng)設(shè)置黏層，微裂水泥混凝土基層頂面設(shè)置瀝青下封層和透層。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

考慮到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和經(jīng)濟性，針對路面破碎后直接加鋪瀝青混凝土面層的路面改造設(shè)計方案，上面層為4cm細粒式瀝青混凝土（AC-13），結(jié)合現(xiàn)場實測彎沉值和交通量計算下面層的最優(yōu)設(shè)計厚度，分別進行了3年、5年兩種設(shè)計使用年限的分析。

2.3.1 道路3年使用年限設(shè)計分析。根據(jù)改造路段行駛車輛軸載分析以及反演計算彎沉值，結(jié)合現(xiàn)場彎沉實測值，預(yù)測大修道路3年使用年限時的彎沉設(shè)計值為21.6（0.01mm）。為了尋找最優(yōu)設(shè)計方案，分別計算了不同等級回彈模量條件下的彎沉值，如圖5所示;不同等級回彈模量條件下彎沉值與下面層設(shè)計厚度關(guān)系，如表5所示。

由圖5可知，當(dāng)基層的回彈模量為595MPa時，下面層彎沉值達到極限設(shè)計彎沉值26.1（0.01mm）。由表5可知，瀝青混凝土下面層的設(shè)計厚度為4cm時，若基層的回彈模量較大，則其回彈模量要遠小于設(shè)計彎沉值;隨著基層回彈模量的減小，下面層的彎沉值逐漸增大;當(dāng)基層回彈模量小于595MPa時，4cm厚度的下面層設(shè)計不能滿足設(shè)計彎沉值的要求。為了在基層較低的回彈模量條件下，使下面層的彎沉值達到設(shè)計的要求，必須增加下面層厚度，即當(dāng)基層回彈模量為590MPa時，下面層厚度為45mm;當(dāng)回彈模量為580MPa時，下面層厚度為56mm。

2.3.2 道路5年使用年限設(shè)計分析。根據(jù)改造路段行駛車輛軸載分析以及反演計算彎沉值，結(jié)合現(xiàn)場彎沉實測值，預(yù)測大修道路5年使用年限時的彎沉設(shè)計值為19.1（0.01mm）。為了尋找最優(yōu)設(shè)計方案，分別計算了不同等級回彈模量條件下的彎沉值，如圖6所示;不同等級回彈模量條件下彎沉值與下面層設(shè)計厚度關(guān)系，如下表6所示。

由圖6可知，當(dāng)基層回彈模量為675MPa時，下面層彎沉值達到極限設(shè)計彎沉值19.1（0.01mm）。由表6可知，瀝青混凝土下面層的設(shè)計厚度為4cm時，若基層的回彈模量較大，則其回彈模量要遠小于設(shè)計彎沉值;隨著基層回彈模量的減小，下面層的彎沉值逐漸增大;當(dāng)基層回彈模量小于675MPa時，4cm厚度的下面層設(shè)計不能滿足設(shè)計彎沉值的要求。為了能夠滿足設(shè)計彎沉值的要求，當(dāng)基層回彈模量為650MPa時，下面層設(shè)計厚度為66mm。

3 兩種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對比分析

根據(jù)原水泥混凝土路面不同路況，在不同路段分別采用了加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層再鋪設(shè)面層和直接加鋪面層兩種設(shè)計方案。為了分析兩種改造設(shè)計方法的適用性，分別針對兩種設(shè)計方案進行了3年和5年兩種設(shè)計使用年限條件下彎沉值的對比分析。兩種設(shè)計方案的3年設(shè)計使用年限彎沉對比和5年設(shè)計使用年限彎沉對比分別如圖7、圖8所示。

由圖7可知，在3年設(shè)計使用年限條件下，直接加鋪瀝青混凝土面層的彎沉值較大，且彎沉值隨回彈模量的減小而增大的速率較大。根據(jù)交通量和原路面測量彎沉值，3年設(shè)計使用年限條件下的彎沉設(shè)計值為21.6（0.01mm），原水泥混凝土路面破碎壓穩(wěn)后的彎沉值整體能夠達到設(shè)計要求，直接加鋪瀝青混凝土面層的設(shè)計滿足要求，但需要對局部原路面損害嚴(yán)重部位進行處理，增強路基承載力。

由圖8可知，在5年設(shè)計使用年限條件下，直接加鋪瀝青混凝土面層的彎沉值較大，且直接加鋪面層設(shè)計方案的彎沉值隨回彈模量的減小的而增大的速率較大。根據(jù)交通量和原路面測量彎沉值，5年設(shè)計使用年限條件下的彎沉設(shè)計值為19.1（0.01mm），原水泥混凝土路面破碎壓穩(wěn)后，彎沉值普遍大于5年設(shè)計期限條件下的彎沉設(shè)計值，因此直接加鋪瀝青混合料的設(shè)計方案，較難達到5年設(shè)計使用年限的預(yù)期，此時直接加鋪瀝青面層設(shè)計應(yīng)增加面層厚度才能滿足彎沉值的要求。

4 結(jié)語

舊水泥混凝土路面微裂破碎后采用鋪設(shè)瀝青面層的“白改黑”施工工藝能夠很好地利用原有路面的結(jié)構(gòu)強度，不產(chǎn)生過多的建筑垃圾。舊水泥混凝土路面微裂破碎壓穩(wěn)后作為改建道路基層，通過兩種面層鋪設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計對比分析，優(yōu)化了瀝青面層鋪設(shè)施工方案。在改建道路預(yù)期3年使用年限條件下，原水泥混凝土路面破碎壓穩(wěn)后的彎沉值整體能夠達到設(shè)計要求，可直接加鋪瀝青混凝土面層;在預(yù)期5年使用年限條件下，直接加鋪瀝青面層設(shè)計應(yīng)增加面層厚度才能滿足彎沉值的要求。同時，對局部原路面損害嚴(yán)重部位進行注漿加固處理，增強路基承載力。

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