淺談舊混凝土路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)

陳寶銀，何山清，蔡光華，史會(huì)東

(武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023)

隨著我國(guó)道路建設(shè)的發(fā)展，水泥混凝土路面修補(bǔ)及重復(fù)利用方面的問(wèn)題越來(lái)越得到路橋工作者的關(guān)注。水泥混凝土路面在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生各種破壞，這些破壞嚴(yán)重的影響了行車(chē)的安全性和舒適性。我國(guó)舊水泥混凝土路面上進(jìn)行加鋪主要是瀝青加鋪層。當(dāng)前，一些國(guó)外專(zhuān)家通過(guò)大量的試驗(yàn)提出了許多瀝青加鋪層設(shè)計(jì)方法。我國(guó)對(duì)瀝青路面加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，雖然已經(jīng)編制了規(guī)范。但是對(duì)舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)研究較少，沒(méi)有形成一個(gè)完整的體系來(lái)指導(dǎo)瀝青加鋪層設(shè)計(jì)。本文以某條城市一級(jí)公路的加鋪層實(shí)際使用狀況的調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)。對(duì)瀝青加鋪層的三種常用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析，比較得出了各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。

1 對(duì)舊混凝土路面狀況的調(diào)查［1］

瀝青加鋪層設(shè)計(jì)最重要的一環(huán)是對(duì)舊混凝土路面的狀況進(jìn)行調(diào)查和評(píng)定。對(duì)路面結(jié)構(gòu)的完整性和表面功能的調(diào)查是舊混凝土路面調(diào)查的主要內(nèi)容，通過(guò)調(diào)查，可以取得各種損壞數(shù)據(jù)，并得出其對(duì)路面使用性能的影響，然后在調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)舊混凝土路面進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析的結(jié)果用來(lái)指導(dǎo)舊混凝土路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)。

1.1 路面破損狀況評(píng)價(jià)［2］

在我國(guó)舊混凝土路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)中，對(duì)路面破損狀況的評(píng)價(jià)主要是采用了規(guī)范中路面狀況指數(shù)PCI作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。PCI的數(shù)值范圍為 0—100%，如表1所示 ，其值越大，路況越好。

表1 路面狀況指數(shù)PCI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) /%

1.2 路面車(chē)轍狀況評(píng)價(jià)［2］

在進(jìn)行混凝土路面車(chē)轍深度的調(diào)查和數(shù)據(jù)分析時(shí)，得出由于分車(chē)道行駛和渠化交通，混凝土路面的公路上容易產(chǎn)生車(chē)轍變形，因此車(chē)轍破壞是公路產(chǎn)生破壞的普遍形式。因?yàn)檐?chē)轍深度是車(chē)轍影響交通安全的主要因素，所以路面車(chē)轍狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)是一個(gè)與車(chē)轍深度相關(guān)的量。依據(jù)路面彎沉的檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)路面車(chē)轍狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)是路面代表車(chē)轍深度RD，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 車(chē)轍深度RD評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) /mm

1.3 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般是采用強(qiáng)度系數(shù)(SSI)，SSI對(duì)評(píng)定路面整體結(jié)構(gòu)功能的評(píng)定非常重要，它的值為路面允許彎沉值與路段實(shí)測(cè)代表彎沉值的比值。彎沉值的計(jì)算方法可參考現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D50-2006》［2］的有關(guān)規(guī)定，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3。

表3 強(qiáng)度系數(shù)SSI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

式中：當(dāng)SSI＞1時(shí)，表明路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有儲(chǔ)備量;

當(dāng)SSI=1時(shí)，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備量為0，處于臨界狀態(tài);

當(dāng)SSI＜1時(shí)，表明己有車(chē)輛荷載作用己超過(guò)路面的結(jié)構(gòu)承載能力。

1.4 路面功能方面評(píng)價(jià)［3］

路面功能方面評(píng)價(jià)主要內(nèi)容是行駛質(zhì)量調(diào)查和路面平整度的調(diào)查，RQI是行駛質(zhì)量調(diào)查的指標(biāo)，國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)是路面平整度的調(diào)查的指標(biāo)，加鋪層設(shè)計(jì)中衡量路面使用質(zhì)量的好壞常用這兩個(gè)指標(biāo)。因?yàn)镮RI具有時(shí)間和空間穩(wěn)定性，所以IRI能被廣泛采用，而且IRI與幾乎所有的平整度儀有很好的相關(guān)性，它不僅能反映縱斷面的不同性質(zhì)，而且其在斷面呈現(xiàn)長(zhǎng)波特性時(shí)效果很好。現(xiàn)在IRI通常作為加鋪層設(shè)計(jì)中進(jìn)行舊混凝土路面評(píng)價(jià)的指標(biāo)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4。

表4 行駛質(zhì)量指數(shù)RQI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

式中：RQI——行駛質(zhì)量指數(shù);

IRI——國(guó)際平整度指數(shù);

σ——路面平整度標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 瀝青加鋪層設(shè)計(jì)

2.1 ARE 法

ARE(Austin Research Engineers)法提出在溫度應(yīng)力與車(chē)輛荷載作用下，垂直相對(duì)位移與水平相對(duì)位移會(huì)產(chǎn)生在舊水泥混凝土板接縫處，它會(huì)導(dǎo)致瀝青加鋪層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力與拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生反射裂縫。設(shè)計(jì)控制的指標(biāo)包括水泥混凝土上方瀝青層的層底剪應(yīng)變和拉應(yīng)變，ARE方法力學(xué)概念簡(jiǎn)單清晰，很容易被工程設(shè)計(jì)者理解和應(yīng)用，但因?yàn)锳RE分析方法中作了一些不成熟的假定，導(dǎo)致ARE法無(wú)法考慮裂縫或接縫處的應(yīng)力集中對(duì)罩面層反射裂縫的影響，也不能準(zhǔn)確的分析瀝青加鋪層中應(yīng)力分布狀況。

2.2 美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)法［2］

美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)(AI)法也是一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，提出行車(chē)荷載所引起的接縫處的豎向彎沉差是瀝青加鋪層產(chǎn)生破壞的原因，可以忽略設(shè)計(jì)中溫度的影響。設(shè)計(jì)參數(shù)主要是層間處置措施、水泥混凝土板長(zhǎng)和接縫寬度。對(duì)層間處置的方法主要是排水下封層、應(yīng)力吸收薄膜層、設(shè)置土工織物或?qū)εf水泥混凝土板進(jìn)行破碎與穩(wěn)定處理。瀝青學(xué)會(huì)法控制指標(biāo)是彎沉差，罩面層的厚度是用簡(jiǎn)單的圖表來(lái)確定的，它雖然考慮了防反射裂縫措施對(duì)減薄罩面層厚度的影響，但只是給出定性分析而沒(méi)有給出定量的關(guān)系。罩面層厚度的增加對(duì)減少?gòu)澇潦且?0 cm厚度的罩面等比例外延的，實(shí)際上在工程設(shè)計(jì)中是不可能以10cm等比例外延的。因此在我國(guó)實(shí)際工程應(yīng)用中很少采用美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)法，但是美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)法還是可以起到借鑒作用的。

2.3 AASHTO 法［3］

當(dāng)前最完善的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是AASHTO設(shè)計(jì)法，在此方法中，瀝青加鋪層的厚度是由等效結(jié)構(gòu)數(shù)來(lái)確定的?？尚行匝芯?、防反射裂縫措施的選擇、厚度計(jì)算和舊水泥混凝土板的處理是AASHTO經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的主要內(nèi)容。AASHTO經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)是新建水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方程，它考慮了舊路面的剩余壽命，也考慮了影響路面使用性能的其他因素，并應(yīng)用了可靠度的概念。AASHTO法設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是概念明確，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮防反射裂縫措施對(duì)罩面層厚度和路面使用性能的影響。其計(jì)算公式如下：

式中：h——加鋪層厚度。

B——混凝土層厚與瀝青層厚的當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，它是混凝土厚度缺額的函數(shù)，由(6)式確定：

hd——按未來(lái)交通要求和現(xiàn)有地基承載力，由新建混凝土路面設(shè)計(jì)方法確定的單層混凝土面層所需厚度(cm);與溫差、板長(zhǎng)、地基承載力、交通量等因素有關(guān)，只能作粗略的計(jì)算。在瀝青加鋪層設(shè)計(jì)中，混凝土面板的估計(jì)厚度hd可參照表5取值［5］。

表5 混凝土面板的厚度 /cm

he——有效厚度，cm。

C1——考慮損壞接縫和裂縫是否修復(fù)的系數(shù)，一般情況下按每km未修復(fù)接縫和裂縫的數(shù)量在0.6—1.0范圍內(nèi)選取，加鋪前已進(jìn)行全厚度修補(bǔ)時(shí)，C1=1。

C2——考慮舊面層是否存在耐久性問(wèn)題的系數(shù)，嚴(yán)重碎裂時(shí)，C2=0.80—0.87，有少量碎裂時(shí)，C2=0.88—0.95，有耐久性裂縫但未碎裂時(shí)，C2=0.96—0.99，無(wú)耐久性問(wèn)題時(shí)，C2=1.0。

C3——考慮疲勞損壞程度的系數(shù)，大量橫向裂縫板，C3=0.90—0.93，較多橫向裂縫板(5%—15%)，C3=0.94—0.96，少量橫向裂縫板( ＜5%)，C3=0.97—1.0。

h0——舊混凝土板的厚度/cm。

2.4 COE 法

美國(guó)工程師部隊(duì)(COE)法也是一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它是通過(guò)補(bǔ)足厚度缺額的概念提出的，它考慮了交通量、路面損壞狀況等對(duì)瀝青加鋪層厚度的影響，COE法原理簡(jiǎn)單、清晰，很容易被工程設(shè)計(jì)者接受和應(yīng)用。COE法提出了舊水泥混凝土面層上加鋪瀝青層的經(jīng)驗(yàn)厚度計(jì)算公式：

式中：A——混凝土層厚與瀝青層厚的當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，A=2.5。

F——控制舊面層板在加鋪后裂縫進(jìn)一步發(fā)展程度的系數(shù)，隨交通和路基強(qiáng)度變動(dòng)于0.6—1.0。

hd——按現(xiàn)有地基承載力和未來(lái)交通要求，由新建混凝土路面設(shè)計(jì)方法確定的單層混凝土面層所需厚度，cm。

Cb——舊面層板的狀況系數(shù)，含有多條裂縫或角隅斷裂時(shí)，Cb=0.75;含有細(xì)微的初始裂縫時(shí)，Cb=1。

h0——舊混凝土板的厚度，cm。

上式中hd與交通量、地基承載能力、板長(zhǎng)、溫差等因素有關(guān)，只能作粗略的計(jì)算。在瀝青加鋪層設(shè)計(jì)中，hd可參照表6［2］取值。

上式中Cb值變動(dòng)的范圍較大，很難真確的選用數(shù)據(jù)，在選用數(shù)據(jù)時(shí)，最好是以舊混凝土路面狀況指數(shù)的評(píng)級(jí)結(jié)果為依據(jù)，按表6取值［2］。

表6 舊混凝土面板狀況系數(shù)表

2.5 伯克利分校的設(shè)計(jì)方法

加州大學(xué)的Monismith和Cotezee提出伯克利分校的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法是在二維有限元應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上控制反射裂縫的。它的原理是先建立路面結(jié)構(gòu)的有限元離散模型，然后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，根據(jù)加鋪層的應(yīng)力、應(yīng)變與允許值的對(duì)比值來(lái)確定加鋪層厚度，各種車(chē)輛荷載的疲勞作用按米勒假定計(jì)算。伯克利分校設(shè)計(jì)法的參數(shù)為彈性力學(xué)參數(shù)、荷載類(lèi)型、幾何尺寸和設(shè)計(jì)荷載作用次數(shù)。這種設(shè)計(jì)方法的分析體系很容易發(fā)展為一個(gè)商業(yè)計(jì)算軟件。但在伯克利分校設(shè)計(jì)法中罩面設(shè)計(jì)子系統(tǒng)是一個(gè)需要不斷改進(jìn)的過(guò)程。所以實(shí)際工程適用性較差。同時(shí)伯克利分校設(shè)計(jì)法與我國(guó)路面設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法相差較大，無(wú)法照搬套用，因此只能在理論分析的基礎(chǔ)上參考借鑒。

3 工程實(shí)例分析

某條城市一級(jí)公路混凝土面板厚為26 cm，板長(zhǎng)為5 m，舊路面狀況評(píng)級(jí)為次等，通過(guò)對(duì)該條道路的觀察測(cè)量得出該條公路的交通等級(jí)為重，公路所處地區(qū)年平均溫度差為39℃。設(shè)計(jì)瀝青加鋪層的厚度。

(1)瀝青學(xué)會(huì)法［4］

用貝克曼梁測(cè)定接縫處板邊的彎沉W1和W2分別為39 cm和42cm，則平均撓度為40.5 cm，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)11%，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，按每1 cm厚瀝青加鋪層減小撓度2%計(jì)算，加鋪層厚度需7 cm。通過(guò)查加鋪層厚度設(shè)計(jì)通用表，得到加鋪層最小厚度為10 cm，故加鋪層厚度可按10 cm設(shè)計(jì)。

(2)AASHTO 法［5-6］

由表5，hd取25 cm，在加鋪瀝青層前對(duì)舊路面中損壞較嚴(yán)重的裂縫和接縫進(jìn)行全厚度修補(bǔ)，損壞較輕的不修補(bǔ)，則C1可取0.8，工程中混凝土面板有較多的耐久性裂縫且有少量碎裂，C2取0.90，有大量的橫向裂縫，C3取 0.91。

計(jì)算有效厚度he：

he=C1C2C3h0=

0.8 ×0.90 ×0.91 ×26=17.0(cm).

計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)B：

B=2.2233+0.00153(hd-he)2-

0.0604(hd-he)=

2.2233+0.00153(25-17)2-

0.0604(25-17)=1.84.

瀝青加鋪層厚度h：

h=B(hd-he)=1.84 ×(25-17)=14.72(cm).

(3)COE法

由表5，hd取25 cm，由表6 Cb取0.81，A 取2.5。對(duì)于F值，由于加鋪瀝青層后，舊混凝土面板的裂縫一般不再進(jìn)一步發(fā)展，故F取1。

瀝青加鋪層厚度h：

h=A(Fhd-cbh0)=

2.5 ×(1 ×25-0.81 ×26)=9.85(cm).

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)例中的計(jì)算結(jié)果可以知道，選取不同的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行瀝青加鋪層設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)厚度就會(huì)產(chǎn)生很大的差別。因而在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，要因地制宜，采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法。

4.1 瀝青學(xué)會(huì)法的控制指標(biāo)是彎沉差，AI法測(cè)試容易，結(jié)合踏勘對(duì)舊路面狀況進(jìn)行評(píng)估。雖然它考慮了防反射裂縫措施對(duì)減少罩面層厚度的影響，但是只給出定性分析而沒(méi)有給出定量的關(guān)系。所以它適用于板塊整體性較好，縱橫裂縫較少的加鋪層設(shè)計(jì)。

4.2 AASHTO法是以舊混凝土裂縫類(lèi)的損壞狀況為依據(jù)，根據(jù)彌補(bǔ)厚度缺額的概念來(lái)設(shè)計(jì)瀝青加鋪層的，它考慮了舊路面的剩余壽命，也考慮了影響路面使用性能的其他因素，并應(yīng)用了可靠度的概念。AASHTO法設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是概念明確，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮防反射裂縫措施對(duì)罩面層厚度和路面使用性能的影響，所以它適用于一般舊混凝土路面的加鋪層設(shè)計(jì)。

4.3 美國(guó)工程師部隊(duì)法和AASHTO法一樣也是以舊混凝土裂縫類(lèi)的損壞狀況為依據(jù)，根據(jù)彌補(bǔ)厚度缺額的概念來(lái)設(shè)計(jì)瀝青加鋪層的，但是它沒(méi)有考慮在加鋪瀝青層前，對(duì)有損壞的裂縫和接縫進(jìn)行修復(fù)和統(tǒng)計(jì)未修復(fù)裂縫和接縫的數(shù)量。因此導(dǎo)致美國(guó)工程師部隊(duì)法的計(jì)算結(jié)果比按AASHTO法的計(jì)算結(jié)果的合理性差。

［1］ 何山清，徐邦凱.舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層設(shè)計(jì)［J］.中南公路，2002(3)：4-7.

［2］ JTG D50-2006，路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ JTJ073.2-2001，公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ 吳國(guó)雄，曹陽(yáng)，付修竹.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪設(shè)計(jì)影響因素研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，10(4)：39-41.

［5］ 李冰，朱群平，郭明慧.淺析舊混凝土路面瀝青加鋪層的設(shè)計(jì)方法［J］.公路工程與運(yùn)輸，2008(9)：27-29.

［6］ 周建華，王惠勇，李興慶.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)方法初探［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2005(3)：27-29.