關(guān)于碎石化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

1、南華大學(xué) 衡陽市公路管理局；2、南華大學(xué)

摘要：筆者闡述了碎石化技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及本區(qū)域碎石化技術(shù)的推廣情況，并通過具體項目實踐對碎石化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了探討，明確了本區(qū)域碎石化路面結(jié)構(gòu)的合理性。

關(guān)鍵詞：碎石化；路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、碎石化技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀

碎石化技術(shù)起源于美國，美國最早應(yīng)用碎石化工藝是在 1986 年，此后在公路改建工程中它被成功地應(yīng)用，該技術(shù)在美國從開始使用以來，已在美國35個州進行施工，效果理想，已被列入美國瀝青協(xié)會的技術(shù)規(guī)范。

我國的舊水泥混凝土路面破碎技術(shù)起步較晚，直到2002年由山東省公路養(yǎng)護工程有限公司從美國引進Badger州立公路設(shè)備公司生產(chǎn)的多錘頭破碎設(shè)備。該設(shè)備對水泥混凝土路面的破碎則屬于典型的碎石化工藝。

雖然起步晚，但是國內(nèi)道路工作者很快發(fā)現(xiàn)了碎石化技術(shù)能徹底解決水泥路面反射裂縫的優(yōu)點，并迅速展開了研究和實踐，通過一些項目的實施，取得了相關(guān)研究成果。

2、本區(qū)域碎石化技術(shù)推廣情況

筆者所屬城市的區(qū)域首次采用碎石化工藝是2007年，省道S315線的一段路面大修改造項目，在公路主管部門和設(shè)計單位的推薦下，路面大修結(jié)構(gòu)采用了對原水泥路面碎石化并加鋪基層及面層的結(jié)構(gòu)。通過本次路面改造，徹底解決了該路段數(shù)年來難以根治的水泥路面病害，但同時暴露出了碎石化結(jié)構(gòu)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計強度不足的問題，近年來該公路部分路段路面出現(xiàn)了明顯的車轍、坑洞等瀝青路面的病害。

隨后省交通廳及省公路局等行業(yè)主管部門對水泥路面碎石化技術(shù)逐步進行了推廣和規(guī)范，特別是“十二·五”以來，《湖南省普通干線公路路面設(shè)計指導(dǎo)意見》2011年9月18日正式發(fā)布，《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》JTG D40-2011版于2011 年12月01日實施，其中關(guān)于舊水泥混凝土路面的加鋪方案選擇也給出了較為合理的方式，并同時明確了碎石化的技術(shù)參數(shù)，這是對碎石化技術(shù)在行業(yè)標準的層面給予了肯定和明確。我省公路水泥路面大修項目也積極推行了碎石化工藝，本區(qū)域從2010年之后的的國省干線公路水泥路面大修項目，基本采用了碎石化工藝，通過觀察近幾年的項目實施效果，基本上達到了預(yù)期效果，完全解決了原水泥路面反射裂縫問題，完成了“白改黑”目標，成功的由剛性路面改造成了柔性路面。

3、碎石化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者作為一名公路設(shè)計行業(yè)的從業(yè)者，有幸參與了本區(qū)域碎石化工藝的推廣和實施過程，同時對該工藝推廣過程的復(fù)雜性深有感觸。尤其在初期，由于是一個新興工藝，沒有較為成熟的工藝結(jié)構(gòu)，也沒有成熟的施工經(jīng)驗，導(dǎo)致項目實施效果還沒達到期望值，項目實施者在思想上都經(jīng)歷了矛盾和掙扎。不過在上層決策者的精明領(lǐng)導(dǎo)和集體智慧支持下，碎石化技術(shù)的推廣已走上了正軌，到達了理想的社會效果。

目前本區(qū)域的碎石化項目，較為成熟的是針對國省干線的路面大修改造，對于省公路局下達的干線公路的路面大修工程，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計為：對原水泥路面碎石化后，加鋪大于30cm厚水泥穩(wěn)定類基層+8cm厚瀝青面層。

2012年《“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的國道G107、G322路面改造項目啟動，該項目設(shè)計方案經(jīng)過專家評審和論證，最終路面結(jié)構(gòu)實施方案為：對原水泥路面碎石化后，加鋪45cm厚水泥穩(wěn)定類基層+9cm厚瀝青面層。目前該項目已經(jīng)基本實施完成。

對于以上項目，已完成實施的項目最長時間已有4年，最短時間不到1年，截止目前為止，項目均未出現(xiàn)明顯病害和問題。但是對于公路行業(yè)設(shè)計從業(yè)者，該碎石化結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性一直有待明確。以下針對本區(qū)域G107改造項目的路面設(shè)計情況進行分析。

3.1累計軸載計算

針對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的先決條件是確定項目的交通等級，調(diào)查明確設(shè)計車道標準軸載累計軸次次數(shù)。根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》JTG D40-2011版的規(guī)定，交通等級劃分標準已由原4級調(diào)整為5級。新規(guī)增加了極重等級，使得道路設(shè)計基準更貼切現(xiàn)實路況。

當(dāng)以設(shè)計彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力為指標時，軸載計算公式為：

當(dāng)以半剛性材料結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標時，軸載計算公式為：

根據(jù)設(shè)計人員的實地軸載調(diào)查，通過軸載計算，本區(qū)域G107改造項目當(dāng)以設(shè)計彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力為指標時：設(shè)計年限內(nèi)一個車道上的累計當(dāng)量軸次：1.52×108，當(dāng)以半剛性材料結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標時，設(shè)計年限內(nèi)一個車道上的累計當(dāng)量軸次：1.09×109，屬特重交通等級。

3.2結(jié)構(gòu)層劃分及材料參數(shù)取值

方式一：通常設(shè)計人員對于改建路面的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于原路面提取當(dāng)量回彈模量作為設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)層，該模量通常按檢測實測值確定。碎石化處理后的舊路面頂面的回彈模量一般不小于200MPa。按這種思路，對碎石化處理后的舊路面是作為一個結(jié)構(gòu)層（老路面）來考慮的。

方式二：實際上我們的碎石化處理后的舊路面情況比較復(fù)雜，基本上分為兩層，碎石化上層和下層，碎石化層上層類似于瀝青穩(wěn)定粒料，據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究資料取其模量為不小于200MPa；碎石化層下層由未完全斷開的水泥混凝土塊組成，根據(jù)國外相關(guān)研究資料，其模量取3450MPa；原路面基層頂面回彈模量取不小于150MPa。

其它瀝青面層結(jié)構(gòu)層取值均采用常規(guī)設(shè)計模量。

3.3路面結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計一般以路表回彈彎沉值、瀝青層層底拉應(yīng)力及半剛性材料層的層底拉應(yīng)力做為設(shè)計指標。結(jié)合碎石化路面結(jié)構(gòu)的特點及利用原路面改造的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的實際應(yīng)用經(jīng)驗，碎石化加鋪路面結(jié)構(gòu)層的設(shè)計控制性指標實際為路表的設(shè)計彎沉值。根據(jù)路表設(shè)計彎沉值設(shè)計確定和驗算結(jié)構(gòu)層厚度。

根據(jù)設(shè)計指標采用多層彈性體系理論設(shè)計計算路面厚度。設(shè)計特對碎石化結(jié)構(gòu)層采取2種結(jié)構(gòu)建模計算。

序號結(jié)構(gòu)層厚度備注

結(jié)構(gòu)一

1細粒式瀝青混凝土4cm

2中粒式瀝青混凝土5cm

3水泥穩(wěn)定碎石20cm

4水泥穩(wěn)定碎石？cm計算層

5原路面（碎石化后原路面）

結(jié)構(gòu)二

1細粒式瀝青混凝土4cm

2中粒式瀝青混凝土5cm

3水泥穩(wěn)定碎石20cm

4水泥穩(wěn)定碎石？cm計算層

5碎石化上層12cm

6碎石化上層12cm

7原路面（原路面基層）

根據(jù)計算結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)一計算水泥穩(wěn)定層厚度為18cm，結(jié)構(gòu)二計算水泥穩(wěn)定層厚度為11cm。結(jié)構(gòu)二的路面基層厚度計算結(jié)果為31cm，基本吻合省公路局大修技術(shù)指標。

4、對碎石化結(jié)構(gòu)路面的展望

通過筆者對本區(qū)域的一個實施項目的碎石化路面結(jié)構(gòu)計算案例分析，認為結(jié)構(gòu)二的計算模型，較為真實的反應(yīng)了碎石化處理后的原路面情況，結(jié)構(gòu)層次貼切實際，計算結(jié)果也較準確。同時也論證了我省公路系統(tǒng)在國省干線的路面大修項目中對碎石化結(jié)構(gòu)推廣的掌控是非常準確、有效的。

我國是一個水泥路面保有率高的國家，隨著水泥路面的使用年限逐漸到期，水泥路面改造將在相當(dāng)長的一段時間里成為道路路面建設(shè)的重點和難點。碎石化技術(shù)在我國起步較晚，雖然推廣程度不高，但是其具有較好的力學(xué)性能以及經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)能等特點已成為不爭的事實。該技術(shù)需要得到廣大從業(yè)人員的認可，更需要上層建筑的認同，筆者相信該技術(shù)在今后的水泥路面改造中一定能成為重點推廣工藝，為道路建設(shè)提供技術(shù)支持。