新型雙層CRCP結(jié)構(gòu)及在城市道路中的應(yīng)用

李盛，楊帆，劉萌，陳尚武

(長沙理工大學 公路養(yǎng)護技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙，410114)

水泥路面一般需設(shè)置接縫，以解決混凝土板的熱脹冷縮等問題，但由于水的沖刷和行車作用，水泥路面的接縫和板角處易產(chǎn)生脫空、唧泥、錯臺、斷板等病害[1]，在多雨地區(qū)的城市道路中這種現(xiàn)象十分嚴重，極大影響了水泥路面的使用壽命和品質(zhì)?？紤]到瀝青路面早期病害較多，使用壽命常低于設(shè)計年限[2]，且設(shè)計年限一般僅為水泥路面壽命的一半。相較于瀝青路面，若能解決水泥路面存在的問題，充分發(fā)揮其長壽命的特點并少進行維修，則將產(chǎn)生顯著的社會與經(jīng)濟效益，因此，有必要研發(fā)一種新型的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。雙層連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)是一種通過將適量的鋼筋分2層合理布置在普通水泥混凝土面板中的路面結(jié)構(gòu)，具有較強的承載能力[3-5]，還可利用上層鋼筋實現(xiàn)少設(shè)或不設(shè)接縫，并通過上層鋼筋來控制橫向裂縫寬度，防止雨水入滲；利用下層鋼筋防止板底脫空后出現(xiàn)斷板現(xiàn)象。目前，我國已有較多單層CRCP的相關(guān)研究和工程應(yīng)用，但關(guān)于雙層CRCP結(jié)構(gòu)及工程應(yīng)用方面的研究還很少，為此，本文作者開展雙層CRCP結(jié)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究。

1 路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計及研發(fā)

路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計及研發(fā)的主要目標是有效解決因水系豐富或排水不暢導致的水泥路面早期損壞嚴重的問題，且少設(shè)接縫，減少水的入滲和接縫易損壞的問題，并具有較強的抗沖刷能力和承載能力。

1.1 新型路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計

設(shè)計的雙層CRCP新結(jié)構(gòu)從上至下為：設(shè)有雙層縱橫向連續(xù)鋼筋及支座的水泥混凝土面板，厚度為20～30 cm；厚度為4 cm的細型密級配瀝青混凝土夾層；貧混凝土上基層，厚度為20～30 cm；瀝青碎石下基層，厚度為9～18 cm，也可用厚度為15 cm的級配碎石替代；級配碎石層，厚度為20～30 cm；在面層板上每隔150 m設(shè)1條橫向接縫，在井蓋處設(shè)橫穿井蓋的預(yù)切縫。其中，設(shè)置瀝青混凝土夾層主要用于解決面板和上基層板在溫度變化下的不協(xié)調(diào)變形問題，起緩沖上下板因溫縮和平縮產(chǎn)生變形的作用。夾層厚度結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求確定[6]。路面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 新型路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命

擬定連續(xù)配筋混凝土面板厚度hc=20 cm，面板彈性模量Ec=31 GPa，泊松比vc=0.15，線膨脹系數(shù)αc=10×10-6/℃；瀝青混凝土夾層厚度為 4 cm，貧混凝土上基層厚度hb=30 cm，瀝青混凝土夾層彈性模量Eb=27 GPa，泊松比vb=0.15；下基層和墊層均采用級配碎石，厚度分別為15 cm和20 cm，彈性模量Ed=300 MPa，泊松比vd=0.35；路床頂面綜合回彈模量取70 MPa，當量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)取Ne=4×107次。

根據(jù)現(xiàn)行 JTG D40—2011“公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范”[6](以下簡稱“規(guī)范”)中式(B.2.4)計算板底地基綜合回彈模量Et，為133.18 MPa。

按“規(guī)范”中式(B.2.2-3)計算面層板的彎曲剛度Dc，按式(B.6.3-1)計算上基層彎曲剛度Db，按式(B.4.1-3)計算路面結(jié)構(gòu)總相對半徑rg：

按“規(guī)范”中式(B.4.1)計算標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力σps為

按“規(guī)范”中式(B.2.1)計算面板的荷載疲勞應(yīng)力為

其中：應(yīng)力折減系數(shù)kr=0.87(“規(guī)范”中B.2.1條)；綜合系數(shù)kc=1.15(“規(guī)范”中表B.2.1)；疲勞應(yīng)力系數(shù)kf根據(jù)“規(guī)范”中式(B.2.3-1)計算，

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)目前常用水泥穩(wěn)定類基層，在造價基本等同的情況下，需用厚度為40 cm的水泥穩(wěn)定類基層替換上述實例中的貧混凝土基層。計算面板荷載疲勞應(yīng)力為3.40 MPa，所以，即使不考慮鋼筋的影響(“規(guī)范”中公式無法計算有鋼筋路面結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力)，新型路面結(jié)構(gòu)仍比目前常用水泥路面結(jié)構(gòu)的荷載疲勞應(yīng)力小52%。所以，新型路面結(jié)構(gòu)既使從下至上結(jié)構(gòu)層的剛度遞增，又大大提高了高路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

2 新型路面結(jié)構(gòu)的特征

研發(fā)的路面結(jié)構(gòu)既針對多雨地區(qū)道路積水嚴重、地下水位高等特點，有足夠強的抗沖刷能力，各結(jié)構(gòu)層又體現(xiàn)出剛度遞增的規(guī)律，能有效提高路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，新型路面結(jié)構(gòu)在鋼筋和接縫設(shè)置上還具有自身的特征和優(yōu)勢。

2.1 鋼筋設(shè)置的優(yōu)勢及針對性

新型路面結(jié)構(gòu)中的縱向鋼筋距面板頂面距離不小于9 cm且不大于1/2板厚；下層連續(xù)的縱橫向鋼筋中橫向鋼筋距面板底面的距離為3～5 cm，縱向鋼筋置于橫向鋼筋上；鋼筋均采用熱軋帶肋鋼筋，鋼筋通過鋼絲束綁扎完成連接并置于支座上，如圖2所示。

圖2 鋼筋設(shè)置局部示意圖Fig.2 Partial schematic of reinforcement

鋼筋分上、下2層：上層連續(xù)的縱向鋼筋主要用于約束水泥混凝土面板的開裂，使水泥混凝土面板由溫縮和干縮產(chǎn)生的裂紋縫隙寬度的平均值控制在0.5 mm以內(nèi)，且上層不設(shè)橫向鋼筋，有利于水泥混凝土的振搗密實；下層設(shè)連續(xù)的縱橫向鋼筋主要是考慮多雨地區(qū)水泥混凝土路面易出現(xiàn)板底脫空或路基沉陷等病害，進而在行車作用下使面層板下部受到一定的拉應(yīng)力，而水泥混凝土板抗彎拉強度較小，下層連續(xù)的縱橫向鋼筋可有效提升水泥混凝土面層板的抗彎拉能力，大大降低水泥混凝土面板出現(xiàn)斷板的概率；鋼筋支座的設(shè)置可減少支座上方縱橫向連續(xù)鋼筋的翹曲變形。

2.2 接縫設(shè)置方式

2.2.1 橫向接縫的設(shè)置方式

近年來，我國不少地區(qū)開始嘗試修筑連續(xù)配筋混凝土路面，該路面結(jié)構(gòu)可以少設(shè)或不設(shè)接縫，減少水的入滲和接縫易損壞的問題，但已有的修筑實踐表明少設(shè)或不設(shè)橫向接縫一般會出現(xiàn)較多的橫向裂紋，基本上每1.0～2.0 m出現(xiàn)1條，且少數(shù)橫向裂紋的縫隙寬度較大，會產(chǎn)生滲水問題，甚至會出現(xiàn)啃邊、破碎等病害，所以，有必要研發(fā)適用于連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)的接縫及施工方法，解決連續(xù)配筋混凝土路面接縫設(shè)置存在的問題，提高行車安全性和舒適性。

橫向接縫每隔150 m設(shè)1條，寬度為1.0～1.5 cm，分上部和下部，其中上部橫向接縫深度為5.0～8.0 cm，采用硅酮膠填充，上部橫向接縫兩側(cè)8～15 cm范圍內(nèi)采用環(huán)氧砂漿澆筑，下部橫向接縫采用聚乙烯閉孔泡沫填縫板填充，縱向鋼筋橫穿填縫板，如圖3所示。

圖3 橫向接縫示意圖Fig.3 Diagram of transverse joint

橫向接縫每隔150 m設(shè)1條，寬度為1.0～1.5 cm，可在2條橫向接縫之間減少橫向裂紋20～30條，進一步減小了水的入滲和裂紋處易出現(xiàn)病害的程度。與傳統(tǒng)橫向接縫相比，新結(jié)構(gòu)的橫向接縫設(shè)置在由環(huán)氧砂漿澆筑的槽中心，由于環(huán)氧砂漿強度高，有效解決了接縫處易出現(xiàn)啃邊的問題。上述橫向接縫的另一顯著優(yōu)勢是與路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置的連續(xù)鋼筋有效結(jié)合，橫向接縫處繼續(xù)保持上、下2層縱向鋼筋的連續(xù)性?，F(xiàn)有工程中橫向接縫都是設(shè)置 50 cm長的縱向傳力桿鋼筋，接縫處的鋼筋不連續(xù)且短，接縫處鋼筋及其周圍的水泥混凝土容易損壞，加上水的沖刷，橫向接縫處會出現(xiàn)脫空、錯臺、斷板等病害，新結(jié)構(gòu)的橫向接縫可以有效解決這些問題。在城市道路中橫向接縫還包括橫穿井蓋的預(yù)切縫，深度為 3～4 cm，寬度為 3～5 mm，采用硅酮膠填充。

2.2.2 縱向施工縫的設(shè)置方式

縱向施工縫設(shè)置在道路中線位置或行車道與硬路肩之間，深度貫穿整個水泥混凝土面板厚度。具體施工及設(shè)置方式如下：待行車道或半幅水泥混凝土面層澆筑完成后，對縱向施工縫處的水泥混凝土進行鑿毛處理，再將預(yù)留的長度為60 cm和20 cm長短交錯布置的橫向鋼筋與硬路肩或另半幅路面的橫向鋼筋用直螺紋套筒連接，澆筑硬路肩或另半幅水泥混凝土路面?？v向施工縫處的橫向鋼筋設(shè)置局部示意圖如圖4所示。

圖4 縱向施工縫處的橫向鋼筋設(shè)置局部示意圖Fig.4 Partial schematic of transverse reinforced at longitudinal construction joints

縱向施工縫設(shè)置的主要特征及優(yōu)勢是預(yù)留的橫向鋼筋長短交錯布置且與另半幅路面的橫向鋼筋連接，既保持了接縫處鋼筋的連續(xù)，又因鋼筋長短交錯布置起到了剪力鋼筋的作用，可有效減少接縫兩側(cè)板的差異變形。

2.3 經(jīng)濟效益與社會效益

新型路面結(jié)構(gòu)中雙層連續(xù)鋼筋上層不設(shè)橫向鋼筋，與已有的雙層連續(xù)配筋混凝土路面相比節(jié)約 1/4的鋼筋用量，可大大節(jié)約修筑成本；與普通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)相比，由于設(shè)置了雙層連續(xù)鋼筋，研發(fā)的路面結(jié)構(gòu)前期投資成本約增加25%，但可以有效解決現(xiàn)有水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于城市道路時易產(chǎn)生的脫空、唧泥、錯臺、斷板等病害的問題，使用壽命可大大提高，也可有效解決現(xiàn)有連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)橫向裂紋多、接縫易出現(xiàn)病害的問題。

新型路面結(jié)構(gòu)因接縫和病害少，行車舒適性及安全性將大幅度提高，養(yǎng)護費用及年度分攤的改建成本也大大減少，可減少路面損壞對社會造成的不良影響，也可解決城市道路經(jīng)常因路面損壞及養(yǎng)護維修造成交通中斷或擁堵甚至引發(fā)交通事故的問題，具有良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

3 新型路面結(jié)構(gòu)的適用性及工程應(yīng)用

目前，城市道路普遍存在排水不暢、路表與路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部積水嚴重的問題，加之由城市熱島效應(yīng)等因素引發(fā)的特大暴雨等極端氣候事件頻現(xiàn)，大中城市經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)澇，水的存在和行車作用使路面結(jié)構(gòu)受到嚴重沖刷，極大地影響路面結(jié)構(gòu)的整體強度和穩(wěn)定性[7]。此外，很多大中城市布局有重型機械或加工制造企業(yè)，周邊重載車輛較多，或因城市建設(shè)大型渣土車、材料運輸車等經(jīng)常出現(xiàn)在道路上，這些車輛對路面結(jié)構(gòu)的承載能力要求較高，瀝青路面往往不能滿足重載交通的要求，需要修筑承載能力更好的普通水泥混凝土路面或連續(xù)配筋混凝土路面。

3.1 雙層連續(xù)配筋的適用性

3.1.1 模型建立及驗證

已有研究[8]通過傅里葉變換法等數(shù)學理論，結(jié)合復合材料層力學理論，得出了溫克勒地基上荷載作用下CRCP板的應(yīng)力與位移的解析解。采用文獻[8]中的實例，通過ABAQUS有限元軟件建模與計算[9-11]，分析板寬方向混凝土板豎向位移與解析解的相關(guān)性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 板寬方向豎向位移的變化規(guī)律Fig.5 Variations of vertical displacement in slab width direction

從圖5可知有限元仿真計算結(jié)果與解析解的變化趨勢都比較吻合，表明建立的CRCP結(jié)構(gòu)有限元計算模型是可靠的。

為探究雙層CRCP在城市道路中的適用性，分析素水泥混凝土路面、單層CRCP與雙層CRCP在不良地基與板底脫空不利狀況下的力學響應(yīng)情況。3種路面結(jié)構(gòu)的計算模型中，擬定水泥混凝土面板的厚度為28 cm；基層為常用的水泥穩(wěn)定碎石，厚度為30 cm，彈性模量為2 100 MPa，泊松比為0.2；因橫向鋼筋為架立筋，模型中主要考慮縱向鋼筋，其直徑取20 mm，單層CRCP鋼筋間距為16 cm，雙層為32 cm，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3；選擇“Tie”的方式對面板與基層之間的接觸進行約束。

3.1.2 不利狀況下的力適用性分析

不良地基對水泥混凝土路面的使用壽命影響較大。在仿真計算中，通過改變土基模量來模擬地基的變化情況，計算面板最大豎向位移與土基模量的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。

圖6 最大豎向位移與土基模量的關(guān)系Fig.6 Relationship between the maximum vertical displacement and soil-based modulus

從圖6可見：鋼筋的加入可以減小混凝土面板的最大豎向位移，在鋼筋數(shù)量相同的情況下，當土基回彈模量從100 MPa變化至80 MPa過程中，雙層CRCP最大豎向位移的增加量比單層 CRCP的增加量減小3.93%，說明雙層 CRCP在土基回彈模量下降時更具適用性。

板底脫空是所有水泥路面在運營階段常見且很難避免的病害[12]，會加速路面出現(xiàn)開裂、斷板等破壞，城市道路中水泥路面的板底脫空與雨水沖刷有較大的相關(guān)性。在仿真分析中，通過在板底與基層表面之間設(shè)置規(guī)則的空隙，實現(xiàn)對脫空區(qū)域的模擬。在同等脫空條件下，3種路面結(jié)構(gòu)的最大豎向位移如圖7所示。

從圖7可見：鋼筋的加入可以減少板的最大豎向位移，在鋼筋數(shù)量相同的情況下，雙層CRCP在脫空時比未脫空時最大豎向位移的增加量較單層CRCP的增加量少6.84%，說明雙層CRCP在板底脫空時更具優(yōu)勢。

圖7 最大豎向位移與脫空情況的關(guān)系Fig.7 Relationship between the maximum vertical displacement and void under slab

3.2 工程應(yīng)用及關(guān)鍵指標檢測

武漢青王公路和青山21號公路在改造過程中，考慮到這2條公路是武鋼集團原材料與成品的重要輸出通道以及武漢城市存在嚴重內(nèi)澇等因素，采用雙層連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)，且在基層類型選擇、井蓋處預(yù)切縫的設(shè)置以及運營早期的接縫修復等方面應(yīng)用上述新型路面結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征，取得了較好效果。本文作者也對實體工程(武漢青王公路東湖段)的關(guān)鍵技術(shù)狀況指標進行了檢測。

3.2.1 橫向裂縫的檢測情況

橫向裂縫的間距和寬度是連續(xù)配筋混凝土路面的關(guān)鍵指標[13-16]，為此，先后對實體工程的橫向裂縫進行3次檢測，其中最能有效反映橫向裂縫特征的是在實體工程完工且經(jīng)歷1個冬天后的檢測結(jié)果，如表1所示。

從表1可見：裂縫的最大寬度為0.960 mm，平均寬度為0.415；平均裂縫間距為2.178 m。橫向裂縫間距和寬度的平均值均滿足規(guī)范[17]要求。

3.2.2 平整度的觀測情況

平整度是CRCP設(shè)計的1個重要控制指標[18]，也可以反映CRCP的施工工藝水平。在實體工程中，由于面層為雙層鋼筋網(wǎng)，且上層鋼筋離面板頂面只有7 cm，這種鋼筋埋置深度較小的結(jié)構(gòu)會給施工帶來許多困難，容易造成路面平整度不滿足要求，因此，有必要對平整度進行檢測。

用 3 m直尺對實體工程行車道的平整度進行檢測，檢測結(jié)果如圖8所示。

從圖8可見：最大間隙平均值為2.3 mm，標準差計算值為0.7，滿足最大間隙平均值不超過3.0 mm、標準差計算值不超過1.2的設(shè)計要求。

表1 橫向裂縫檢測結(jié)果Table 1 Test results of transverse cracks

圖8 行車道平整度檢測結(jié)果統(tǒng)計Fig.8 Test result statistics of traffic lane flatness

4 結(jié)論

1)研發(fā)了雙層 CRCP結(jié)構(gòu)，上基層采用貧混凝土，下基層采用瀝青碎石或級配碎石，基層和面板之間設(shè)細型瀝青混凝土夾層。

2)面板設(shè)上下兩層連續(xù)鋼筋，通過支座固定，其中上層只設(shè)縱向鋼筋，距面板頂面不小于9 cm且不大于1/2板厚，下層設(shè)縱橫向鋼筋，橫向鋼筋在下且距面板底面的距離為3～5 cm。

3)研發(fā)了適用于雙層 CRCP新結(jié)構(gòu)的接縫及施工方法，保持了接縫處鋼筋的連續(xù)，有效解決了現(xiàn)有接縫易出現(xiàn)滲水、啃邊、破碎等病害的問題。

4)雙層 CRCP結(jié)構(gòu)在不良地基與板底脫空不利狀況下，與素水泥混凝土路面、單層CRCP相比有一定的優(yōu)勢；新型路面結(jié)構(gòu)的部分技術(shù)特征已在實體工程中得到了應(yīng)用，且橫向裂縫及平整度等關(guān)鍵技術(shù)指標滿足要求，可為雙層連續(xù)配筋混凝土路面的合理設(shè)計提供參考。