S207長沙縣段舊水泥混凝土路面改造方案設(shè)計

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(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2.湖南云中再生科技股份有限公司， 湖南 長沙 410021；3.中鐵中南投資發(fā)展有限公司， 湖南 長沙 410114)

S207長沙縣段舊水泥混凝土路面改造方案設(shè)計

孫永超1，肖杰1，吳超凡2，謝文利3

(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2.湖南云中再生科技股份有限公司， 湖南 長沙 410021；3.中鐵中南投資發(fā)展有限公司， 湖南 長沙 410114)

以湖南省道S207長沙縣段水泥混凝土路面提質(zhì)改造工程為依托，在對原水泥路面厚度和強度、彎沉、交通量、破壞狀況等進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，針對不同舊路條件提出直接加鋪和碎石化后加鋪2種處理方案，并進行了路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計。結(jié)合試驗路初步分析論證，改造方案切實可行。

舊路改造； 水泥混凝土路面； 直接加鋪； 碎石化； 瀝青加鋪層

0 引言

現(xiàn)階段我國許多地方已修水泥混凝土路面面臨著破損嚴重，路用性能下降，需要維護重修的情況。研究表明舊水泥路面加鋪瀝青罩面是一種良好的改造舊水泥路面路用性能的技術(shù)途徑[1,2]，按舊板處理方法的不同這類技術(shù)大致可分為2種形式： 一類是保留舊路原有結(jié)構(gòu)的前提下對舊路病害進行相應(yīng)處治后在原路面上鋪設(shè)瀝青面層;另一類是直接挖除或?qū)εf面板采取打裂、碎石化等方式處理，然后加鋪瀝青面層。舊水泥路面加鋪瀝青面層改造技術(shù)不僅能大幅度縮短舊路改造施工期，而且可以有效利用舊水泥面板的剩余強度，節(jié)省了投資的同時提升了原有道路的使用性能。

本文結(jié)合湖南省省道S207長沙縣段水泥混凝土路面提質(zhì)改造工程，通過對改造路段的詳細檢測與評估，本文提出了2種工程方案并進行了加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 工程概況

省道S207長沙段為水泥混凝土路面，原路面結(jié)構(gòu)為： 24 cm C30水泥混凝土路面+20 cm水泥穩(wěn)定碎石(5.5%水泥)基層+15 cm水泥穩(wěn)定碎石(4.5%水泥)底基層，路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。改造路段自金井至黃花公路，全長54 km。自2007年建成通車以來，S207長沙縣段交通量增長迅速，現(xiàn)有交通量已遠超預(yù)測值。同時，超載與重載嚴重，致使該線道路病害持續(xù)增多，服務(wù)水平下降明顯，養(yǎng)護費用逐年攀高。經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)有路面多處出現(xiàn)板角斷裂、破碎板、板底脫空、邊角剝落等病害，部分路段破損嚴重，升級改造勢在必行。

圖1 水泥路面結(jié)構(gòu)示意圖(單位： cm)

2 基礎(chǔ)資料調(diào)查

2.1 路面厚度和強度

全路段完成25個點的鉆芯取樣，主要為行車道，取芯直徑為15 cm，根據(jù)規(guī)范測試方法測得水泥混凝土面板厚度平均值為23.13 cm，其中板厚大于設(shè)計厚度的占44.32%，整體厚度指標偏低，部分路段路面厚度與設(shè)計值相差較大；彎拉強度平均值為5.75 MPa，大于設(shè)計強度的占86%，路面板強度基本符合要求。

2.2 交通量調(diào)查

根據(jù)已有的交通量資料可知，設(shè)計使用初期交通量換算成小客車為8410輛/d，設(shè)計年限12 a內(nèi)交通量年平均增長率8.16%?，F(xiàn)有道路通行車輛組成及軸載調(diào)查表明，現(xiàn)狀道路運行車輛大部分為小客車，總交通組成中貨車比重約為9%，車輛軸載多在25～100 kN之間。結(jié)合預(yù)測交通增長率，本項目12 a設(shè)計年限內(nèi)一個車道累計當量軸次為795萬次，屬中等交通等級。

2.3 路面彎沉檢測

對改造路段上下行行車道、加寬停車道、路肩分別進行貝克曼梁彎沉檢測，以評估原路面板底脫空和結(jié)構(gòu)承載能力。結(jié)果表明水泥混凝土路面代表彎沉為16.27(0.01 mm)，接縫傳荷系數(shù)約為68%，評價等級為中，板底脫空比率總體約為25%，部分路段板底脫空較為嚴重。

2.4 路面損壞狀況

為全面了解S207長沙縣段道路基本情況，對路面損壞狀況進行調(diào)查，測得路面總體損壞狀況指數(shù)(PCI)為68.8，評價等級為中；斷板率(DBL)為15.84%，評價等級為次。

結(jié)合基礎(chǔ)資料調(diào)查情況，依據(jù)公路工程相關(guān)技術(shù)規(guī)范[3-5]，評定標準道路評價等級為中，需進行維修補強。

3 路面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

1) 方案的全面、系統(tǒng)與適應(yīng)性原則。方案必須充分考慮改造路段的交通條件、氣候環(huán)境以及使用現(xiàn)狀，選取系統(tǒng)完善、結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟適用的改造方案。

2) 保障安全的前提下充分利用舊路原則。遵循“寬容性設(shè)計”理念，在保證工程質(zhì)量的前提下盡可能利用舊路，降低施工作業(yè)量縮短工期節(jié)約成本，減少因道路維修改建導(dǎo)致周邊線路通行壓力增大的影響。

3) 技術(shù)成熟、方案可行原則。采用的改造方案應(yīng)該技術(shù)過硬，施工工藝簡單有效，便于工程質(zhì)量控制。不可過分追求新技術(shù)、新材料而忽視安全性、經(jīng)濟性。

4) 結(jié)構(gòu)安全可靠原則。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計應(yīng)能充分滿足預(yù)期交通量需求和服務(wù)水平要求，選取充分適應(yīng)當?shù)貧夂驐l件、經(jīng)久耐用安全可靠的結(jié)構(gòu)方案。

5) 因地制宜、合理選材原則。結(jié)合當?shù)氐臍夂?、地域、材料資源等條件，設(shè)計經(jīng)濟合理、資源節(jié)約、取材便利、成熟可靠的技術(shù)方案，合理安排工程量和施工進度，降低項目成本。

3.2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

結(jié)合路面調(diào)查狀況及以上設(shè)計原則，S207長沙縣段線路改造依據(jù)原水泥混凝土路面的破損及使用狀況，分別提出舊板處治+雙層應(yīng)力吸收層+加鋪瀝青面層和共振碎石化+加鋪瀝青面層2種設(shè)計方案，如表1所示，并在K58+000～K59+000和 K59+000～K60+000路段分別采用2種方法鋪設(shè)2段試驗路以作分析參考。

3.3 設(shè)計方案特點

3.3.1 直接加鋪方案

對于路面平整度良好，病害較少，基層、面層結(jié)構(gòu)完好、強度滿足要求路段，在保留原路面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對道路病害做修復(fù)處理后直接加鋪瀝青混凝土面層，即將原水泥混凝土路面面層作為改建瀝青混凝土路面的基層?？沙浞掷门f路，提高瀝青路面的結(jié)構(gòu)強度，并縮短工期，降低工程造價。

在加鋪瀝青混凝土面層之前，需對舊路面病害進行處理，以保證直接加鋪路段加鋪層結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮其優(yōu)良的使用性能。根據(jù)規(guī)范[6]，對路面病害采用如表2所示方法進行處治。

1) 面層。

項目所在地氣候分區(qū)屬于夏炎熱冬溫區(qū)1-4區(qū)，瀝青面層設(shè)計應(yīng)充分考慮瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性要求，從而適應(yīng)湖南省氣溫高、熱季長和雨量大的氣候特點。加鋪層結(jié)構(gòu)方案中上面層采用4 cm SMA — 13瀝青瑪蹄脂碎石混合料，以滿足南方濕熱地區(qū)道路表面層密水、抗車轍、抗滑抗裂以及耐久性要求；下面層采用8 cm厚ATB — 25粗粒式開級配瀝青穩(wěn)定碎石，以增強面層的高溫抗車轍能力和透水要求，并延緩原路面結(jié)構(gòu)裂縫引起的反射裂縫[7]。上下面層之間設(shè)置SBS改性乳化瀝青粘層以加強層間粘合。

2) 應(yīng)力吸收層。

防反射裂縫是水泥混凝土路面白加黑改造中需解決的主要技術(shù)問題之一[8，9]。鑒于直接加鋪段路況相對良好，且路面平整度較好，考慮在接縫處設(shè)置防裂貼，再設(shè)置2 cm厚雙層改性瀝青同步碎石封層的應(yīng)力吸收層，消除或減緩瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生。該雙層同步碎石封層應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)，因其具有高劑量的高粘度改性瀝青，雙層碎石上下相互緊密嵌擠，且雙層碎石間具有一定數(shù)量大孔隙，在水泥混凝土板接縫處發(fā)生收縮與豎向變形時，能有效地消除接縫處的應(yīng)力集中，從而消除或減緩反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

表1 S207改造結(jié)構(gòu)設(shè)計方案方案類型結(jié)構(gòu)層次厚度/cm材料類型適用條件直接加鋪上面層粘層下面層應(yīng)力吸收層舊混凝土板4/82/SMA—13瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SBS改性乳化瀝青粘層ATB—25粗粒式開級配瀝青穩(wěn)定碎石雙層碎石同步封層應(yīng)力吸收層清縫、灌縫、換板、壓漿處治病害較少平整度良好，路面破壞等級優(yōu)良共振碎石化上面層粘層中面層粘層下面層透層調(diào)平層碎石化層4/55/55/4/SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SBS改性乳化瀝青粘層AC-20C改性瀝青混凝土中面層SBS改性乳化瀝青粘層AC-20C乳化瀝青透層4cm0～5mm粒徑石屑調(diào)平層共振碎石化的舊水泥混凝土路面破壞嚴重，路面破壞評價等級中等以下

表2 舊水泥路面病害處治方法檢測項目控制指標/(001mm)處理措施板塊單點實測彎沉L≤141440不予處理鉆孔壓漿處理整塊板破碎，處理基層，新澆水泥砼板塊板間實測彎沉差d<6d≥6不予處理注漿補強

雙層應(yīng)力吸收層施工時第1層灑布2.0 kg/m2的改性瀝青+19～31.5 mm的單粒徑碎石(碎石滿鋪率為60%～70%，不得成堆成團)，用輕型膠輪壓路機碾壓穩(wěn)定后，馬上灑布第2層1.0 kg/m2的改性瀝青+13.2～19 mm的單粒徑 碎石(碎石滿鋪率為60%～70%，不得成堆成團)，以達到防止反射裂縫和防止上部積水下滲的目的，用輕型膠輪壓路機碾壓穩(wěn)定。成型后的封層表面不得有成團的碎石堆或成團的瀝青。碎石撒布量應(yīng)根據(jù)室內(nèi)試驗并結(jié)合現(xiàn)場試驗段效果確定，應(yīng)力吸收層現(xiàn)場施工效果如圖2所示。

圖2 雙層同步碎石應(yīng)力吸收層

3) 直接加鋪段水泥板彎沉驗收。

在壓漿、換板質(zhì)量符合要求的基礎(chǔ)上，需對水泥路面板進行彎沉驗收檢測。檢測在壓漿及換板養(yǎng)生完畢3 d后進行，結(jié)果顯示壓漿后兩相鄰板間實測彎沉差基本控制在0.06 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計要求[10]。對部分彎沉值較大的板塊進行淺層壓漿補強。通過鉆芯取樣檢查，注漿效果良好。

3.3.2 共振碎石化方案

對于水泥混凝土板破壞嚴重，路面破壞等級在中等以下，出現(xiàn)大量錯臺、邊角破壞，斷板率超過25%路段，采用共振碎石化處理。碎石化技術(shù)已經(jīng)被證明是處理損壞嚴重水泥混凝土路面的十分有效的技術(shù)，目前在國內(nèi)外水泥路面改造中得到了廣泛應(yīng)用。它將水泥混凝土面層破碎為相互嵌鎖、結(jié)構(gòu)獨特的粒料層，保證結(jié)構(gòu)承載能力的同時不會破壞道路基層結(jié)構(gòu)，并能有效解決反射裂縫問題。

1) 面層。

碎石化方案中，采用3層面層結(jié)構(gòu)，上面層同樣為4 cm SMA — 13瀝青瑪蹄脂碎石混合料，中、下面層設(shè)5.5 cm AC — 20C改性瀝青混凝土和5.5 cm AC — 20C瀝青混凝土，既保證了高溫多雨氣候條件下的抗高溫性能和耐水性，同時提高了結(jié)構(gòu)承載能力。

2) 舊水泥混凝土板共振碎石化。

① 共振破碎之前對該試驗路段進行交通管制，結(jié)合實際情況采用借道分流的措施對試驗路進行封閉。

② 在正式的大規(guī)模碎石化施工前需進行試振，將樁號為K59+000～K59+140路段作為試驗段，來確定合理的施工方法以及共振碎石機參數(shù)，如表3所示。

表3 共振碎石機參數(shù)頻率/Hz振幅/mm激振力/kN碎石化效率/(m2·h-1)施工速度/(km·h-1)44～4810～208～10650～1200<65

③ 破碎后即利用承載板測試破碎層頂面回彈模量，來檢驗是否符合施工要求。

④ 水泥砼路面經(jīng)共振破碎化后，對表面進行初步平整，噴灑少量水潤濕細料層，用雙鋼輪壓路機碾壓1～2遍，檢測標高，根據(jù)標高結(jié)果在共振破碎并初步碾壓的表面采用同步碎石封層車噴灑透層慢裂乳化瀝青油約2.0 kg/m2，同時撒布3～5 cm的3～5 mm粒徑石屑，立即采用雙鋼輪壓路機碾壓2～3遍，未平整處再用3～5 mm粒徑的石屑補平，隨后撒布約1.0 kg/m2的慢裂乳化瀝青，待乳化瀝青完全滲入后，再用雙鋼輪壓路機碾壓至完全密實為止。

3) 碎石化層頂面回彈模量檢測。

碎石化后需進行承載板試驗來測定檢測碎石化層頂面當量回彈模量。分別在試驗路K59+150、K59+350、K59+500、K59+750處進行測試，測試時符合規(guī)范[11]規(guī)定的測試參數(shù)，采用式(1) 計算碎石層頂面當量回彈模量值。

(1)

式中：E0為土基回彈模量，MPa;μ0為土的泊松比，根據(jù)設(shè)計規(guī)范選用;D為承載板直徑30 cm;Li為計算回彈變形值，cm;Pi為承載板單位壓力，MPa。

以右幅行車道為例，根據(jù)測試結(jié)果繪制承載板測試P—L曲線如圖3所示。

圖3 承載板測試P — L曲線

通過式(1)計算得到的回彈模量值如表4所示。

表4 右幅行車道碎石層頂面當量回彈模量MPaK59+150K59+350K59+500K59+75046027393802534952069

由表4可知：

1) 破碎后的右幅行車道碎石化層頂面當量回彈模量范圍為253.49～520.69 MPa，與左幅行車道測得的當量回彈模量313.78～490.45 MPa相近，接近文獻[12]的分析結(jié)果，滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，且不需要鋪設(shè)補強層。

2) 試驗段碎石化層頂面當量回彈模量值左、右行車道差異不大，但同一車道不同段位波動范圍較大。右幅行車道平均值為407.06 MPa，標準差為114.75，變異系數(shù)為0.42。這與文獻[13]中的結(jié)論相似，表明碎石化路面還應(yīng)充分考慮到碎石化層回彈模量的離散性，針對不同的地基條件、路面損壞狀況采取相應(yīng)措施保證施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

舊水泥混凝土路面改造不同于新建道路設(shè)計，必須建立在充分調(diào)查分析原道路基本狀況的基礎(chǔ)上綜合考慮各項因素遵循相關(guān)原則進行合理設(shè)計。本文結(jié)合工程實際，針對不同路況提出直接加鋪瀝青面層和共振碎石化后加鋪瀝青面層2種修復(fù)方案，分析方案特點，并就相應(yīng)舊路處理措施、面層及其它結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)設(shè)計以及施工方法進行了闡述。結(jié)合試驗路初步分析論證，結(jié)果表明設(shè)計方案技術(shù)可行結(jié)構(gòu)合理，可作為S207長沙縣段提質(zhì)改造工程的方法依據(jù)，具有工程實際意義。

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1008-844X(2017)03-0006-04

U 418.8

A

2017-02-13

湖南省交通運輸廳科技項目：高溫多雨地區(qū)干線公路水泥路面提質(zhì)改造技術(shù)研究(201503)

孫永超(1991-),男，研究方向：道路工程。