談改建工程中鋼筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 芳

(大同公路分局，山西大同 037006)

1 概述

近年來，隨著我省車輛噸位增加，使得水泥混凝土路面病害日趨嚴(yán)重，為了減少水泥混凝土病害，防止裂縫的擴(kuò)展，在我省省道孫吳線小站至孫啟莊段改建工程中采用雙層鋼筋網(wǎng)水泥混凝土路面。下面就以孫吳線改建工程為例，淺談舊混凝土路面改建工程中雙層鋼筋網(wǎng)水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 原有水泥混凝土路面狀況及處理原則

孫吳線小站至孫啟莊段始建于1985年，經(jīng)過多年的使用，全線路面損壞嚴(yán)重，路面有破碎板、縱橫向裂縫、角隅剝落、接縫剝落、坑洞、露石、補(bǔ)丁、角隅斷裂、錯(cuò)臺(tái)、脫空等病害，已不能滿足當(dāng)前的交通量運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

為了充分摸清舊混凝土路面損壞狀況，保證改建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，本項(xiàng)目對(duì)舊混凝土板進(jìn)行了逐板詳細(xì)調(diào)查，并參照J(rèn)TJ 073.1-2001公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范及JTG D40-2002公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范，主要以斷板率及平均錯(cuò)臺(tái)量兩項(xiàng)指標(biāo)來表征舊混凝土路面的損壞狀況，作出評(píng)定等級(jí)。

1)舊路路況的調(diào)查。

a.首先對(duì)舊路采用現(xiàn)場調(diào)查與檢測的方法，對(duì)混凝土板表觀狀況沿路逐板進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查記錄，如具體裂縫長度寬度、錯(cuò)臺(tái)量及破碎板的數(shù)量、接縫、角隅等病害的輕、中、重程度等級(jí)調(diào)查分類，再依據(jù)JTJ 073.1-2001公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范評(píng)定出路況的等級(jí)。K0+000～K31+875段，由于過去重車較多、車輛超載及交通量大且舊路厚度偏薄、路基強(qiáng)度不足、排水設(shè)施不完善，致使雨水流直接侵蝕路基、路面，造成路面破壞特別嚴(yán)重。K31+875～K69+566.156段，曾于1998年進(jìn)行路面改造，改造后為路肩硬化水泥混凝土結(jié)構(gòu)，行車道加鋪27 cm水泥混凝土、路肩加鋪20 cm水泥混凝土，經(jīng)過幾年的使用，路況稍好，但由于局部排水不良造成該地段路面與橋涵相接處、挖方及縱坡較大處路面等破碎嚴(yán)重。

b.舊混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)查。通過在全線選取比較有代表性的地方如高填方處、挖方處、零填處及一般地段，對(duì)路面混凝土板選取已損壞地方，分別按不同的幾種類型如縱向裂縫、橫向裂縫、破碎嚴(yán)重的板塊、完好的板塊等，進(jìn)行鉆孔芯取樣，鉆芯直徑為150 mm，通過鉆孔芯樣可以量測出混凝土板的厚度，并對(duì)鉆孔芯樣做劈裂試驗(yàn)確定劈裂強(qiáng)度，根據(jù)所建立的劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，由劈裂強(qiáng)度得到彎拉強(qiáng)度再計(jì)算出彎拉模量。全線共取樣16組，芯樣完整成型的只有4組，因其他幾組芯樣均不完整，未進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)后計(jì)算4組試樣的彎拉強(qiáng)度為4.15 MPa ～5.62 MPa，彎拉彈性模量為30 GPa～38 GPa，但是，4組的回彈模量值無法確定舊路面層的彈性模量;對(duì)舊路基層進(jìn)行鉆芯取樣，得到基層的材料組成主要是粉土及砂礫，其中砂礫含量為10%～30%、而粉土的含量達(dá)70%以上、石灰含量很少，且路面基層未形成板體，芯樣未能成型。因此，舊路基層頂面的回彈模量近似于30 MPa～60 MPa同土路基基本相同，故在結(jié)構(gòu)計(jì)算中選取40 MPa。

c.對(duì)舊路土路肩的檢測。通過側(cè)向環(huán)刀對(duì)路肩土進(jìn)行取樣，測定路肩填土的壓實(shí)度，經(jīng)檢測路肩填土壓實(shí)度均未能滿足要求，故在路基填筑或路面施工前，需對(duì)原舊路路肩填土進(jìn)行碾壓夯實(shí)以達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的壓實(shí)度。

2)對(duì)于舊混凝土板的處理原則。

a.嚴(yán)重?cái)嗔寻?指嚴(yán)重裂縫分割成4塊～5塊，或中等裂縫分割成5塊以上)、脫空、錯(cuò)臺(tái)、唧泥等板塊損壞較嚴(yán)重的路段采取碎石化處理。將舊水泥混凝土路面碎石化的目的是消除舊水泥混凝土路面的板體脫空，加強(qiáng)破碎板之間擠密嵌固，以及由路面結(jié)構(gòu)破損所帶來的路面結(jié)構(gòu)整體剛度的不均勻性，從而消除舊板接縫或裂縫向上反射。對(duì)原混凝土路面進(jìn)行沖擊破碎碾壓，將其混凝土板破碎成小板塊，板破碎大小一般控制在40 cm以內(nèi)，其次應(yīng)保證板底脫空現(xiàn)象徹底消除，從而形成穩(wěn)定均勻的結(jié)構(gòu)層。碎石穩(wěn)壓一般要求最終兩次沉降差值不大于5 mm。破碎后混凝土板用做新建路面的墊層或底基層，并在其上加鋪對(duì)應(yīng)段落的路面結(jié)構(gòu)。

b.對(duì)于舊面板破損程度較輕，不進(jìn)行破碎處理的所有接縫和裂縫采用自粘式土工格柵(EGA-50-50)進(jìn)行粘貼修補(bǔ)，以防止裂縫向上反射。先將土工格柵切割成60 cm寬的長條帶，之后將表面雜物清除并保證舊面板清潔干燥，再將土工格柵鋪放粘結(jié)在接縫及裂縫處粘結(jié)牢固，縫兩側(cè)各30 cm。

3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土面層的設(shè)計(jì)過程包括結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)、平面設(shè)計(jì)、接縫設(shè)計(jì)和配筋設(shè)計(jì)。

3.1 各結(jié)構(gòu)層類型及厚度的確定

1)基層及底基層材料的確定。

a.基層材料的選用:碎石強(qiáng)度較高，且級(jí)配容易達(dá)到，密實(shí)嵌固性好，容易形成板體，而板體強(qiáng)度高。因此基層材料選用水穩(wěn)碎石，水泥含量為5.5%。b.底基層材料的選用:為充分利用大同優(yōu)質(zhì)粉煤灰資源，故底基層采用水泥、石灰、粉煤灰砂礫。摻入水泥2%的含量，目的是為了提高二灰砂礫的早期強(qiáng)度。

2)稀漿封層。

由于路面經(jīng)由接縫或裂縫下滲的水量較多，在重交通荷載的反復(fù)作用下，板邊、板角的撓度加大，板與基層間積聚的自由水產(chǎn)生高速流動(dòng)、沖刷、侵蝕基層，因而對(duì)基層的首要要求是抗沖刷能力。為防止水流侵蝕基層，特在30 cm水泥混凝土面板下設(shè)置8 mm厚的稀漿封層。

3)各結(jié)構(gòu)層厚度的確定。

a.交通量。

根據(jù)《孫吳線小站至孫啟莊段運(yùn)煤通道公路工程可行性研究報(bào)告》提供的交通量見表1。

表1 汽車交通量

路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為20年，交通量年平均增長率為5.45%;設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)為2 523×104;屬特重交通。

b.可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

該路段設(shè)計(jì)為二級(jí)公路，因此設(shè)計(jì)中的變異水平等級(jí)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期應(yīng)符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。但由于該段交通量大且設(shè)計(jì)為雙層鋼筋混凝土，故可提高可靠度指標(biāo)，選用一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

c.以彎拉強(qiáng)度作為厚度設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，初擬混凝土板厚度，計(jì)算荷載疲勞應(yīng)力與溫度疲勞應(yīng)力產(chǎn)生的綜合應(yīng)力，在足夠的可靠度水平下，不超過混凝土的彎拉強(qiáng)度。

4)各結(jié)構(gòu)層具體設(shè)計(jì)原則。

a.改建路段:對(duì)舊路路況評(píng)定為中、次等級(jí)的路段，采用30 cm雙層鋼筋網(wǎng)水泥混凝土+8 mm稀漿封層+20 cm水穩(wěn)碎石上基層的結(jié)構(gòu)組合，調(diào)平層采用水穩(wěn)碎石;當(dāng)填土高度小于50 cm時(shí)，挖除舊路面后，加鋪新的路面結(jié)構(gòu)層。對(duì)舊路路況評(píng)定為差等級(jí)的路段，采用30 cm雙層鋼筋網(wǎng)水泥混凝土+8 mm稀漿封層+20 cm水穩(wěn)碎石上基層+30 cm水泥、石灰、粉煤灰砂礫的結(jié)構(gòu)組合，調(diào)平層采用水泥、石灰、粉煤灰砂礫;當(dāng)填土高度小于70 cm時(shí)，挖除舊路面后，加鋪新的結(jié)構(gòu)層。對(duì)舊路路況評(píng)定等級(jí)為優(yōu)的路段，采取挖除舊斷板換補(bǔ)雙層鋼筋網(wǎng)混凝土板。

b.新建部分(包括未硬化的土路肩部分、橋頭下挖處及改線段落):30 cm雙層鋼筋網(wǎng)水泥混凝土+8 mm稀漿封層+20 cm水穩(wěn)碎石上基層+30 cm水泥、石灰、粉煤灰砂礫底基層+30 cm砂礫墊層。

c.為減少占地和填挖數(shù)量，保證加寬段施工質(zhì)量，對(duì)部分段落采用小矮墻結(jié)構(gòu)。

d.停車帶及爬坡車道說明。

為了充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)新理念，以及“以人為本”的精神，本次設(shè)計(jì)中徹底解決了進(jìn)入二電廠送煤車輛在主行車道上滯留等待而造成的堵車問題，在K9+880～K10+650段左側(cè)增設(shè)7 m寬的輔助車道(二電廠輔道);K37+100～K37+940段設(shè)計(jì)縱坡為5%，為了保證該路段通行能力，故在該路段右側(cè)重車上坡方向加寬3 m增設(shè)爬坡車道。

3.2 鋼筋網(wǎng)的布置

鋼筋網(wǎng)的布置為單層或雙層鋼筋網(wǎng)，指布置在面層厚度的下1/3處或上、下1/3處，橫向鋼筋位于縱向鋼筋之下。

3.3 平面設(shè)計(jì)及接縫設(shè)計(jì)

3.3.1 交叉口、廣場、車道寬度變化處、匝道出入口等部位的設(shè)計(jì)

交叉口、廣場、車道寬度變化處、匝道出入口等部位，板塊劃分有其特殊性，設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn):1)道路的直道部分應(yīng)保持縱縫的連貫;2)接縫應(yīng)正交，盡量避免主要行車部位出現(xiàn)銳角，若不得已出現(xiàn)銳角板，應(yīng)設(shè)置板角補(bǔ)強(qiáng)鋼筋;3)混凝土板分塊不宜過小，最小邊長不小于1.5 m，每塊混凝土板的面積約在30 m2以內(nèi);4)分塊接縫宜采用“井”字形，接縫應(yīng)對(duì)齊，不得錯(cuò)縫，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)縫時(shí)，應(yīng)加設(shè)鋼筋防裂。

3.3.2 接縫的設(shè)置

設(shè)置橫向縮縫是為了減少混凝土的收縮應(yīng)力和溫度翹曲應(yīng)力，避免混凝土板出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫。板厚中央加設(shè)傳力桿，可以大大加強(qiáng)接縫傳荷能力，有效防止錯(cuò)臺(tái)。

設(shè)置脹縫的目的是為了混凝土板的膨脹提供伸長的余地，從而避免產(chǎn)生過大的熱壓應(yīng)力，引起路面板在高溫季節(jié)拱脹和折斷。脹縫兼具有其他所有接縫的功能，但施工和維護(hù)困難，應(yīng)盡可能少設(shè)。資料顯示，脹縫處是混凝土路面病害發(fā)生得最多的地方，究其原因，一方面是由于施工時(shí)傳力桿未能正確定位、封縫不好等，另一方面，脹縫容易引起行車跳動(dòng)，散落的填縫料又未能及時(shí)補(bǔ)充或更換，造成雨水、砂石等進(jìn)入脹縫中，導(dǎo)致脹縫處混凝土破碎、錯(cuò)臺(tái)、拱脹等病害。

雙層鋼筋網(wǎng)水泥混凝土面板的平面尺寸長為10 m，寬為1.2 m，4.5 m，4.5 m，1.2 m，縱向分四幅施工，縱縫為設(shè)拉桿平縫，橫縫為設(shè)傳力桿的假縫形式，且在鄰近橋梁或其他固定構(gòu)造物處或與其他道路相交處應(yīng)設(shè)置橫向脹縫。

4 結(jié)語

在鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須多做調(diào)查如對(duì)干濕類型的劃分、舊路狀況的調(diào)查、土石的正確劃分等前期工作必須詳細(xì)、準(zhǔn)確，進(jìn)而使混凝土路面設(shè)計(jì)達(dá)到合理;其次對(duì)于鋼筋的設(shè)置應(yīng)盡量計(jì)算合理、容易施工、降低成本。