淺談水泥混凝土路面破碎板的治理

周武軍 黃元輝

【關(guān)鍵詞】板底脫空;破碎板;直接換板;先灌漿后換板

【中圖分類號(hào)】U418.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）09-0071-03

0 引言

隨著瀝青混凝土技術(shù)的日益成熟和瀝青路面的大量普及，水泥混凝土路面逐漸減少，目前存在的水泥混凝土路面基本是開通運(yùn)營(yíng)了10年以上的老路，路面病害較嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為單塊板多條橫向裂縫、板角斷裂、局部沉降明顯，或多快板出現(xiàn)了連續(xù)的縱向裂縫，這些病害不加以處置會(huì)嚴(yán)重影響行車安全;目前，許多老路改建工程都采用“白加黑”工藝，對(duì)路面板及基層的完整有一定要求，因此如何更有效地處理破碎板顯得尤為重要。本文通過北海運(yùn)營(yíng)管理中心更換破碎板及其相關(guān)工程實(shí)例，探討水泥混凝土路面破碎板問題的治理。

1 破碎板成因分析

水泥混凝土路面指主要材料是水泥混凝土作為面層的路面，俗稱混凝土路面，亦稱剛性路面，于1868年由蘇格蘭人首次建造使用，在20世紀(jì)20年代末傳入中國(guó)。水泥混凝土路面由墊層、基層、面層組成，具有穩(wěn)定性和耐久性好、強(qiáng)度高、抗滑性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。柳北高速合浦至北海段作為20世紀(jì)90年代修建的道路，是素混凝土路面，只在橫縫位置設(shè)計(jì)一排傳力桿，是比較傳統(tǒng)的水泥混凝土路面，其路面病害的發(fā)生具有比較廣泛的代表性，下面我們分析造成水泥混凝土板塊破碎的原因。

混凝土板塊破碎的根本原因是承受不住車輛荷載，不是混凝土板的強(qiáng)度不夠，而是很多超重車輛行駛重壓。在過去的20多年里，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，交通量逐年增大，而且很多超載車輛從高速公路通過，特別是在K550+000～K566+764這段沒有收費(fèi)站的開放路段，許多超載車輛直接從合浦開往北海，水泥混凝土路面承受不住超載車輛的荷載，導(dǎo)致路面出現(xiàn)很多病害，久而久之發(fā)展成破碎板。以北海運(yùn)營(yíng)管理中心管轄路段合浦至北海段水泥混凝土路面為例，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，路面板厚26 cm，水穩(wěn)層厚18 cm，級(jí)配碎石層厚16 cm，按照當(dāng)初的設(shè)計(jì)規(guī)范可以計(jì)算出水泥混凝土板塊的極限承載力，計(jì)算過程如下[1]。

（1）板底地基綜合回彈模量計(jì)算。

α=0.26Ln（h0）+0.86=0.26×Ln（0.16）+0.86=0.384

Et=（ ）αE0=（ ）0.384×80=123.91 MPa

（2）混凝土板的彎曲剛度計(jì)算。

Dc= = =46.4 MN·m

（3）水穩(wěn)層的彎曲剛度計(jì)算。

Db= = =1.013 MN·m

（4）路面結(jié)構(gòu)總相對(duì)半徑計(jì)算。

rg=1.21? ?=1.21? ?=0.878 m

（5）極限軸載應(yīng)力計(jì)算。

σpmax= r? h? P? = ×0.8780.65×0.26-2P? =0.019 3P

（6）溫度應(yīng)力計(jì)算：最大溫度梯度取86 ℃/m。

kn= （ + ）-1= （ + ）-1

=5 081.96 MPa/m

rβ=? =

=0.118 m

ξ=- =-

=0.190

t= = =1.71

CL=1-（ ） =1-

=0.887

BL=1.77e ×CL-0.131（1-CL）=0.475

σtmax= BL= ×0.475=1.81 MPa

其中，面層厚度hc=0.26 m，水穩(wěn)厚度hb=0.18 m，級(jí)配碎石厚度hx=0.16 m，面層泊松比vc=0.15，水穩(wěn)泊松比vb=0.20，面層彎拉彈性模量Ec=31 000 MPa，水穩(wěn)彈性模量Eb=2 000 MPa，級(jí)配碎石彈性模量Ex=250 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以面層板在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)在行車荷載及溫度梯度的綜合作用下不產(chǎn)生疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并以最重軸載和最大溫度應(yīng)力作用下不產(chǎn)生極限斷裂作為驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)，具體表現(xiàn)形式如下：

γr（σpr+σtr）≤fr

γr（σp，max+σt，max）≤fr

其中，fr為水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，γr為水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度計(jì)算系數(shù)，取1.14[1]。根據(jù)上述極限軸載應(yīng)力計(jì)算過程和水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)，最后得到不同荷載下水泥混凝土板塊的極限彎拉應(yīng)力（見表1）。

從表1中可看出，在軸載達(dá)到180 kN時(shí)，極限彎拉應(yīng)力為4.96 MPa，即將達(dá)到水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。也就是說，當(dāng)軸載超過180 kN時(shí)，可以認(rèn)為水泥混凝土已經(jīng)產(chǎn)生極限斷裂，路面板開始產(chǎn)生明顯裂縫并最終形成破碎板，影響路面使用性能和行車安全[2]。

板底脫空也是加速混凝土板塊破碎的一大因素。所謂板底脫空是指水泥混凝土路面在正常使用后，受交通荷載和環(huán)境因素的影響，會(huì)逐漸在板塊和基層之間產(chǎn)生局部空隙，這種空隙就叫作板底脫空（如圖1所示）[3]。

板底脫空現(xiàn)象較為常見且分布廣泛，脫空的出現(xiàn)對(duì)水泥混凝土路面板的受力非常不利，它改變了路面的力學(xué)結(jié)構(gòu)，使原有的彈性路基上的彈性薄板受力形式不復(fù)存在，取而代之的是一種類似于懸臂梁或簡(jiǎn)支梁的受力模式（如圖2所示）。

從圖2中可以看到，混凝土板塊沒有脫空前是與地基整體受力的，主要承受荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力，當(dāng)板底脫空后變成簡(jiǎn)支或懸臂形式，主要承受荷載產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力，而混凝土板的抗彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，所以脫空后的路面會(huì)很快產(chǎn)生裂縫甚至發(fā)展成為破碎板[4];脫空一般都是在板中央或者板角及板邊產(chǎn)生，因此板塊的裂縫一般都是在混凝土板的1/2至1/3處，此處的彎拉應(yīng)力是最大的，此時(shí)路面板一般就會(huì)在這些位置產(chǎn)生裂紋甚至破碎，若不及時(shí)采取相應(yīng)的措施處治產(chǎn)生裂縫的板塊，在雨水滲入和行車荷載的反復(fù)作用下，導(dǎo)致脫空范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，路面板更容易破碎，嚴(yán)重影響行車安全和路面板的使用壽命。

2 直接換板和先灌漿后換板的成果比較及分析

柳北高速合浦至北海段K500+000～K566+764上行線于2015—2016年兩年間更換了很多破碎板，也對(duì)很多板塊實(shí)施灌漿補(bǔ)強(qiáng)工程，灌漿補(bǔ)強(qiáng)的鉆孔孔徑為φ45 mm，鉆孔深度不少于2.5 m，采用雙液化學(xué)灌漿技術(shù)。下面通過數(shù)據(jù)的分析對(duì)比換板的效果。

2015年共計(jì)更換破碎板9 370.35 m2，灌漿補(bǔ)強(qiáng)2 333.25 m2，其中先灌漿后換板2 333.25 m2，直接換板7 037.10 m2，根據(jù)后期調(diào)查統(tǒng)計(jì)，質(zhì)保期滿后直接換板斷板917.99 m2，先灌漿后換板斷板210.46 m2，斷板率對(duì)比如圖3所示。

2016年共計(jì)更換破碎板9 202.93 m2，灌漿補(bǔ)強(qiáng)6 182.79 m2，其中先灌漿后換板2 314.12 m2，直接換板6 888.81 m2，根據(jù)后期調(diào)查統(tǒng)計(jì)，質(zhì)保期滿后直接換板斷板229.40 m2，先灌漿后換板斷板57.39 m2，斷板率對(duì)比如圖4所示。

對(duì)比2015—2016年直接換板和先灌漿后換板質(zhì)保期滿斷板率可以發(fā)現(xiàn)，直接換板的斷板率要明顯高于先灌漿后換板的，這是因?yàn)楣酀{后，會(huì)把板底及基層脫空的部位填充密實(shí)，讓其恢復(fù)到原先與地基均勻承受荷載的狀態(tài)，即抗壓狀態(tài)，這時(shí)候混凝土強(qiáng)大的抗壓能力就能表現(xiàn)出來，板塊只有承受超過混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)的荷載才會(huì)產(chǎn)生破壞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于達(dá)到極限彎拉強(qiáng)度時(shí)導(dǎo)致的破壞。

3 換板的若干建議

在路面使用過程中完全使板底和基層填充密實(shí)是不切實(shí)際的，只能盡可能地讓它們的脫空范圍變小。通過先灌漿后換板工程能夠很好地填充密實(shí)板底及基層下面的空隙，改善面板和基層之間的聯(lián)系，使其重新結(jié)合成為一個(gè)整體，一起承受車輛荷載，大大提升了路面的使用性能和行車舒適性。此外，要對(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，比如在發(fā)現(xiàn)板底脫空現(xiàn)象后（唧泥嚴(yán)重路段），要在其發(fā)展成破碎板前及時(shí)對(duì)該路段進(jìn)行板底灌漿，確保脫空得到有效治理并不再進(jìn)一步擴(kuò)散，這樣有利于提高路面的使用壽命。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)柳北高速合浦至北海段水泥混凝土路面更換破碎板工程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及研究，分析了路面板破碎的成因并對(duì)換板提出了若干建議，希望對(duì)以后的水泥混凝土路面的養(yǎng)護(hù)有幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]JTGD 40—2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3]陳拴發(fā).水泥混凝土路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]趙隊(duì)家.重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：人民教育出版社，2012.