舊公路路面碎石化條件下路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

楊 歡

(湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院， 湖南 長沙 410007)

舊公路路面碎石化條件下路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

楊 歡

(湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院， 湖南 長沙 410007)

對舊公路路面進行碎石化試驗路段的檢測，用不同的施工組合對水泥混凝土板路面進行碎石化，經(jīng)碾壓完成后，進行頂面回彈模量測試，并對破碎后基層頂面回彈模量進行測試，根據(jù)標(biāo)準差和變異系數(shù)得出相對較優(yōu)施工組合為組合2；根據(jù)試驗路段3標(biāo)準差和變異系數(shù)的驗證確定施工組合2的合理性。在組合2的基礎(chǔ)上進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，路面碎石化后層頂回彈模選取最不利狀態(tài)下模量，根據(jù)優(yōu)化的路面結(jié)構(gòu)厚度和材料模量用HPDS-2011計算出的路表彎沉值與FWD實測路表彎沉值進行比較，結(jié)果表明加鋪方案的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計滿足規(guī)范要求。

道路工程； 舊路面; 碎石化； 回彈模量； 路面結(jié)構(gòu)； 彎沉

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的公路建設(shè)發(fā)展迅猛。高速公路在國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用越來越突出[1]。然而近年來，我國多數(shù)省市已投入使用的高速公路基本都出現(xiàn)了道路通行能力和服務(wù)水平不能滿足日益增長的交通需求狀況，其中，沈大、滬寧、滬杭甬、廣佛、南京繞城、福夏漳等多條高速公路改擴建工程已完成[2-4]。目前還有不少公路改擴建工程正在進行當(dāng)中，其中就有蓮株公路，本文以蓮株公路為例，蓮株公路是湖南省較早的一條高等級公路，是國家“八五”期間重點建設(shè)項目之一，也是湖南較早開工建設(shè)的高等級公路，是長株潭“兩型社會”往湘東地區(qū)輻射的一條非常重要的干線公路。蓮株公路于1995年建成通車，路面結(jié)構(gòu)形式為24cm水泥混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定砂礫。2004年全線進行了大修，將舊路面采用換板灌漿方法處置后，從下至上加鋪浸漬瀝青土工布及單層鋼筋混凝土(路面厚度≥24cm)或雙層鋼筋混凝土(路面厚18～24cm)。但大修至今已有12a之久，由于修建時路基填料未改良以及重車較多且超載嚴重的原因，路面破損現(xiàn)象嚴重，出現(xiàn)了斷板、錯臺、裂縫、唧泥、脫空等數(shù)種病害，嚴重影響行車舒適度及行車安全[5-9]。此次進行蓮株公路的改擴建，在碎石化路面上提出最優(yōu)的路面結(jié)構(gòu)。

1 碎石化試驗段的檢測

蓮株公路改擴建工程選取了填方段K1125+150～K1125+300(試驗路段1)、K1133+400～K1133+500(試驗路段3)、挖方段K1133+200～K1133+300(試驗路段2)，作為試驗路段進行路基路面的質(zhì)量評定標(biāo)準研究，并進行了碎石化前詳細的路面使用狀況調(diào)查、原路面基層頂面回彈模量、不同破碎施工參數(shù)下的頂面回彈模量、破碎后基層頂面回彈模量、破碎后粒徑與落錘間距的關(guān)系試驗、路床頂面回彈模量及路基DCP現(xiàn)場測試等。

1) 試驗路段1現(xiàn)場調(diào)查顯示該試驗段路面狀況整體良好，僅個別板出現(xiàn)斷板，其中右幅K1125+165～K1125+180段存在破碎板、局部輕微沉陷現(xiàn)象(見圖1)。試驗段采用6種施工組合分別對水泥混凝土路面進行碎石化(見圖2)，經(jīng)碾壓完成后，選取代表性試驗點采用承載板試驗方法進行頂面回彈模量測試，并對破碎后基層頂面回彈模量進行測試，結(jié)果見表1。

圖1 面板破碎情況

圖2 水泥混凝土路面碎石化

從現(xiàn)場測試結(jié)果來看，碎石化層頂面回彈模量存在較大差別，基層為水穩(wěn)砂礫的碎石化層頂面回彈模量在111.5～222.9MPa之間，基層為素混凝土的碎石化層頂面回彈模量在233.4～851.2MPa之間，測試結(jié)果表明不同施工參數(shù)組合、不同路面狀況及下承層(基層和路基)類型對碎石化層頂面回彈模量值都有較大的影響，整體來講測試數(shù)據(jù)離散性較大。從標(biāo)準差和變異系數(shù)來看，組合2的效果相對較好。

2) 試驗路段2現(xiàn)場調(diào)查挖方段路面狀況整體較好，斷板率較低(見圖3)；該挖方試驗段在試驗路段1的基礎(chǔ)上，選取與組合2相關(guān)的組合，分別為組合1和組合5，所以采用組合1、組合2和組合5這3種施工組合分別對水泥混凝土路面進行碎石化，經(jīng)碾壓完成后，選取代表性試驗點進行頂面回彈模量測試，并對破碎后基層頂面回彈模量進行測試，結(jié)果見表2。

表1 碎石化試驗段頂面回彈模量測試結(jié)果

圖3 挖方段路面情況

該試驗段原路面基層均為素混凝土，碎石化層頂面回彈模量(174.9～489.8MPa)也存在較大的差別，從標(biāo)準差和變異系數(shù)來看其中組合2的變異性要小，優(yōu)選組合2。

表2 路面碎石化挖方段回彈模量測試結(jié)果

3) 試驗路段3試驗驗證，該試驗路段路況較差，其中K1133+400～K1133+450右幅面板損壞嚴重，見連續(xù)多處大小不一坑槽，表面松散、沖刷嚴重，面積在0.5～3.0m2(見圖4)。由前一段路面碎石化填方段得到的初步結(jié)論，采用組合2(錘高1.2m,落距9cm)對該段填方進行路面碎石化施工及測試，驗證該組合的破碎效果。對該段碎石化層頂及開挖后基層頂面回彈模量進行測試，結(jié)果見表3。

圖4 路面沖刷

表3 路面碎石化填方段回彈模量測試結(jié)果

該試驗段基層為水穩(wěn)砂礫，碎石化層回彈模量值為173.2～232.8MPa之間，表中標(biāo)準差和變異系數(shù)都相對較小，路面碎石化效果較理想。

2 加鋪結(jié)構(gòu)方案研究

根據(jù)以上試驗路段的數(shù)據(jù)顯示路面碎石化后層頂回彈模量在111.5～851.2MPa之間，從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)來看碎石化后層頂回彈模量離散性較大?？紤]到原路面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，碎石化后層頂回彈模量離散性較大，在路面設(shè)計階段按最不利狀況控制，選取路面碎石化后層頂回彈模量111.5MPa作為路面計算階段碎石化層頂回彈模量。

對比各種材料的優(yōu)缺點，在保證路面結(jié)構(gòu)滿足使用要求的前提下節(jié)約投資規(guī)模，結(jié)合項目重載車輛比重大的特點，優(yōu)化設(shè)計階段將施工圖設(shè)計階段(見表4)的上面層由細粒式瀝青混凝土(AC-13C)調(diào)整為具有更好高溫穩(wěn)定性、抗滑性、低噪音、耐久性的瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA-13)，中面層中粒式瀝青混凝土(AC-20C)維持不變，下面層由粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)調(diào)整為高溫抗車轍性能突出和更為經(jīng)濟的粗粒式瀝青穩(wěn)定碎石(ATB-25)，見表5。路面結(jié)構(gòu)層中各層材料設(shè)計參數(shù)取值見表6。

表4 原施工圖設(shè)計階段路面結(jié)構(gòu)

表5 初步優(yōu)化后路面結(jié)構(gòu)層

表6 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

我國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50 —2006)[10]規(guī)定路面設(shè)計彎沉值ld由式(1)確定。

(1)

式中：ld為設(shè)計彎沉值，0.01mm;Ne為設(shè)計年限內(nèi)一個車道累計當(dāng)量標(biāo)準軸載通行次數(shù)；Ac為公路等級系數(shù)，高速公路、一級公路為1.0，二級公路為1.1，三、四級公路為1.2；As為面層類型系數(shù)，瀝青混凝土面層為1.0，熱拌瀝青碎石、冷拌瀝青碎石、上拌下貫或貫入式路面、瀝青表面處治為1.1；AB為路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)，剛性基層、半剛性基層瀝青路面為1.0，柔性基層瀝青路面為1.6。若基層由半剛性材料層與柔性材料層組合而成，則AB介于兩者之間通過線性內(nèi)插決定。

該試驗路段設(shè)計使用年限與累計作用次數(shù)：瀝青混凝土路面設(shè)計使用年限為15a，據(jù)工可交通量資料及現(xiàn)場軸載情況調(diào)查分析，使用年限內(nèi)一個車道標(biāo)準軸載累計作用次數(shù)為:設(shè)計年限內(nèi)一個車道上的累計當(dāng)量標(biāo)準軸載通行次數(shù)為4.26×107次，路面設(shè)計交通等級為特重交通等級。根據(jù)式(1)可得到瀝青路面設(shè)計彎沉值為：ld=600×(4.26×107)-0.2×1.0×1.0×1.0=17.9(0.01mm)。

考慮到蓮株公路原有路基路面實際使用狀況的復(fù)雜性，從工程安全的角度，本次路面優(yōu)化設(shè)計過程中碎石化層頂面回彈模量取最不利值(111.5MPa)進行驗算，驗算過程采用路面結(jié)構(gòu)計算軟件(HPDS-2011)進行計算[11]，具體計算結(jié)果見圖5。

圖5 初步優(yōu)化后的路面彎沉值

從結(jié)果數(shù)據(jù)上來看，雖然結(jié)構(gòu)計算路表彎沉值17.7(0.01mm)小于設(shè)計彎沉值17.9(0.01mm)，但是考慮到蓮株公路的復(fù)雜性、離散性以及原有路面碎石化后的強度不均勻性，為改善碎石化后強度的差異性，將下基層調(diào)整為：18cm 5%水泥穩(wěn)定碎石，路面結(jié)構(gòu)層見表7，計算結(jié)果見圖6。

表7 調(diào)整后的路面結(jié)構(gòu)層

圖6 調(diào)整后的路面彎沉值

由圖6可見，結(jié)構(gòu)計算路表彎沉值17.0(0.01mm)小于設(shè)計彎沉值17.9(0.01mm)，依然符合要求。

3 瀝青加鋪層質(zhì)量控制研究

路面交工驗收時，驗收彎沉值la是工程驗收的重要指標(biāo)，它是以不利季節(jié)、BZZ-100標(biāo)準軸載作用下，輪隙中心處實測路表彎沉代表值lr進行評定的。即[12]：

lr≤la

(2)

式中：lr為實測路段的代表彎沉值,0.01mm；la為路表面彎沉檢測標(biāo)準值，0.01mm，按最后確定的路面結(jié)構(gòu)厚度和材料模量計算的路表彎沉值。

實測路面代表彎沉值的檢測通常在交工時的不利季節(jié)，用標(biāo)準軸載BZZ-100的汽車實測路表彎沉。檢測時，若不是在不利季節(jié)進行測定，還應(yīng)考慮季節(jié)修正。對于瀝青層厚度小于或等于5cm時，不考慮溫度修正，若厚度大于5cm，應(yīng)進行溫度修正。通常以瀝青層的溫度為20℃作為標(biāo)準溫度，其余不在20℃標(biāo)準下測得的路表彎沉應(yīng)作如下修正：

l20=lTK3

(3)

式中：l20為瀝青層處于標(biāo)準溫度20℃下的彎沉值,0.01mm；lT為瀝青層處于溫度T下的彎沉值，0.01mm；K3為溫度修正系數(shù)。

(4)

K3=e0.02(20-T)h(T≤20℃)

(5)

T=a+bT0

(6)

式中：T為測定的路面瀝青層平均溫度，℃；T0為測定時路表溫度與前5h平均氣溫之和,℃；a為系數(shù)，a=-2.65+0.52h；b為系數(shù)，b=0.62-0.008h；h為瀝青面層厚度，cm。

取經(jīng)過季節(jié)修正和溫度修正后得到的路表彎沉值作為驗收評定的實測彎沉指標(biāo)，并考慮一定的保證率，按下式計算路面交工驗收彎沉值帶入式(1)，作驗收評定。

(7)

在最不利季節(jié)(氣溫22℃)下采用落錘式彎沉儀(FWD)對實測試驗路段(K1133+400～K1133+500)各個結(jié)構(gòu)層進行彎沉測量，結(jié)構(gòu)層頂面的彎沉值見表8。

表8 路面各結(jié)構(gòu)層間驗收彎沉值

根據(jù)上面的公式和數(shù)據(jù)進行計算，實測的路表彎沉，由于瀝青層的厚度為4cm<5cm，所以不需要修正，即：lr=l20=16.7(0.01mm),la=17.0(0.01mm)。則l20

經(jīng)過計算得出結(jié)果，路表彎沉滿足要求，從表中可以看出，其他結(jié)構(gòu)層也符合要求。

4 結(jié)語

1) 在試驗路段1和路段2用不同的施工組合對路面進行碎石化，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果分析，得出組合2(錘高1.2m，落距9cm)的效果相對較好；通過試驗路段3試驗驗證，組合2(錘高1.2m，落距9cm)路面碎石化效果較理想。

2) 根據(jù)施工組合2初步優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)層，用HPDS-2011進行計算與實際情況相結(jié)合，進一步優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)厚度，得出優(yōu)化后的路面結(jié)構(gòu)層。

3) 根據(jù)優(yōu)化的路面結(jié)構(gòu)厚度和材料模量用HPDS-2011計算出的路表彎沉值與FWD實測路表彎沉值進行比較，結(jié)果表明加鋪方案的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計滿足規(guī)范要求。

[1] 雷劍.高速公路改擴建工程精細化管理關(guān)鍵問題研究[D].西安:長安大學(xué),2011.

[2] 韓躍杰. 高速公路改擴建作業(yè)區(qū)交通組織及安全保障技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2012.

[3] 曹新玲. 高速公路加寬改擴建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[4] 張含飛. 高速公路改擴建交通組織方案動態(tài)設(shè)計研究[D].西安:長安大學(xué),2015.

[5] 劉事蓮. 廣東省高速公路改擴建工程軟基處治關(guān)鍵問題分析及對策[J].公路,2012(2).

[6] 顏燕舞,劉朝暉.長潭高速公路連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面病害[J].黑龍江交通科技,2016(5).

[7] JTG E60-2008,公路路基路面現(xiàn)場試驗規(guī)范[S].

[8] JTG D40-2011,公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].

[9] JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術(shù)設(shè)計規(guī)范[S].

[10] JTG D50 - 2006,公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].

[11] 肖化德. HPDS在路基換填深度計算中的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準化,2011(18).

[12] 黃曉明.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2014.

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