基于落錘式彎沉儀的路面冷再生設(shè)計與施工

吳 韓，曾志剛，柳 剛

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 436000)

0 引 言

現(xiàn)場冷再生技術(shù)是采用特定的機械設(shè)備，對現(xiàn)有瀝青面層和部分基層進行銑刨、打碎，按需要摻配新集料，添加水泥或泡沫瀝青等黏合劑，加水調(diào)整到最優(yōu)含水量后壓實，在原位形成新的結(jié)構(gòu)層的一種路面修復(fù)方法[1]。國外從1940年開始再生路面研究；美國在20世紀(jì)80年代出版了《瀝青路面冷拌再生技術(shù)手冊》，對材料組成設(shè)計、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝等做出了詳細規(guī)定，隨后在1993年出版的道路設(shè)計指導(dǎo)手冊中給出了路面修復(fù)設(shè)計半經(jīng)驗公式[2]。中國則是從20世紀(jì)90年代開始摸索，引進相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，研究再生材料。黃曉明等[3]通過大量試驗，證明了再生混合料的性能與舊料的摻配率和再生劑的用量有很大關(guān)系；張竹平[4]介紹了瀝青混凝土路面就地?zé)嵩偕に嚒⒃O(shè)備的主要組成和結(jié)構(gòu)特點,闡述了設(shè)備引進應(yīng)注意的幾個問題；呂偉民[5]從瀝青老化的原理出發(fā)，提出了再生劑的技術(shù)參數(shù)建議值；曾夢瀾等[6]提出冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循的原則，并給出了常用的冷再生瀝青路面材料厚度設(shè)計圖；李國偉等[7]研究了水泥冷再生混合料的回彈模量特性，結(jié)果表明混合料的7 d模量為極限模量的40%，28 d后達到80%，添加新集料明顯提高模量；另外還有學(xué)者對泡沫瀝青、乳化瀝青等應(yīng)用于再生混合料進行了探討[8-9]?？偨Y(jié)分析可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對于冷再生技術(shù)的研究集中在材料性能和混合料設(shè)計，部分探討了設(shè)備選型，對實際的工程設(shè)計流程、工藝參數(shù)選擇與施工質(zhì)量控制的研究相對較少，尤其是隨著“一帶一路”倡議的推進，對國際基建市場中的路面冷再生設(shè)計與施工缺乏總結(jié)[10]。

本文是截至目前中資企業(yè)首次參與南美洲玻利維亞道路修復(fù)項目的設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，以玻利維亞N9公路為例，分析了基于美國AASHTO規(guī)范的路面結(jié)構(gòu)強度檢測、冷再生深度和罩面厚度設(shè)計流程，并對維特根2000型冷再生設(shè)備在施工過程的質(zhì)量控制要點進行總結(jié)。

1 項目介紹

玻利維亞N9國家公路圣克魯斯至特立尼達段修復(fù)項目全長547.7 km，為雙向兩車道國家干線公路。路基標(biāo)準(zhǔn)寬度為9.0 m，行車道寬度為3.5 m，設(shè)計速度為100 km·h-1；穿越城鎮(zhèn)段采用12.0 m路基方案，設(shè)計速度為40 km·h-1。2018年開始以DB模式進行全球招標(biāo)，筆者所在公司中標(biāo)其中2個標(biāo)段共計193 km的主線路面修復(fù)設(shè)計。其中第2標(biāo)段主線長62 km，第5標(biāo)段主線長131 km。本項目招標(biāo)技術(shù)規(guī)范指定采用美國AASHTO規(guī)范系列，路面設(shè)計來自AASHTO GDPS—1993規(guī)范手冊。

2 冷再生強度原理及設(shè)計理論

冷再生施工采用特殊的設(shè)備將現(xiàn)有路面和部分基層打碎，原地拌合，并在攪拌的過程中添加集料(非必須)和固化劑(水泥或乳化瀝青等)，適當(dāng)添加水分后壓實，使混合料達到最佳壓實狀態(tài)，養(yǎng)生后形成類似水泥穩(wěn)定碎石基層的半剛性狀態(tài)。噴灑透層后加鋪瀝青混凝土面層，形成最終的路面結(jié)構(gòu)。按照水泥或瀝青摻量的不同，混合料無側(cè)限抗壓強度通常在0.8～2.4 MPa范圍內(nèi)。

在AASHTO GDPS—1993規(guī)范中，對路面結(jié)構(gòu)強度采用了一個概念性指標(biāo)：結(jié)構(gòu)數(shù)(Structure Number)。對不同路面結(jié)構(gòu)層位，根據(jù)回彈模量或CBR值、排水情況等物理條件賦予一組權(quán)重系數(shù)，然后乘以該層的厚度，對各層的結(jié)果求和，得到整個路面的結(jié)構(gòu)數(shù)。按照AASHTO大規(guī)模路面行車試驗，結(jié)構(gòu)數(shù)與道路能承載的交通荷載軸次之間存在經(jīng)驗關(guān)系。

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用設(shè)計年限內(nèi)的等效80 kN單軸荷載次數(shù)、路面服務(wù)指標(biāo)的衰減值、路面強度結(jié)構(gòu)數(shù)和路基回彈模量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進行設(shè)計，此方法是基于美國聯(lián)邦公路局在20世紀(jì)進行的大規(guī)模環(huán)形試驗路的實測成果總結(jié)而來，屬于半經(jīng)驗設(shè)計法，目前在南美洲、東南亞、中東地區(qū)廣泛采用。核心公式為

log10W18=ZrSo+9.36log10(SN+1)-0.20+

2.32log10MR-8.07

(1)

式中：W18為標(biāo)準(zhǔn)80 kN軸載，由交通量調(diào)研預(yù)測；Zr和So為可靠度和標(biāo)準(zhǔn)誤差系數(shù)，按AASHTO路面設(shè)計手冊查表取值；SN為結(jié)構(gòu)數(shù)；MR為路基回彈模量(單位為psi，1 psi≈6.895 kPa)，在修復(fù)工程中通常采用落錘式彎沉試驗儀(簡稱FWD)測定；ΔPSI為道路服務(wù)指標(biāo)損失，由初始指標(biāo)減去末期指標(biāo)得到，通常初始指標(biāo)選4.2～4.5，末期指標(biāo)選2.2～2.0；SNf為路面結(jié)構(gòu)數(shù)的需求值(單位為inch，1 inch≈2.54 cm)，為式(1)待求解的未知量。

在FWD的瞬態(tài)荷載作用下，利用距離加載中心L處的彎沉值推算對應(yīng)的回彈模量，公式為

(2)

式中：P為加載大小(lb，1 lb≈0.453 6 kg)；dl為距離加載中心l處的撓度(inch)；L為彎沉傳感器與加載中心的距離(inch)。

已知中心傳感器位移d0，加載板半徑a，以及路面結(jié)構(gòu)總厚度D，根據(jù)AASHTO路面設(shè)計手冊第1卷附錄，按照式(3)計算路面等效彈性模量Ep。

(3)

由于各個傳感器所測的彎沉包含路面變形與路基變形的疊加，為了計算路基的回彈模量MR，需要提取路基變形的部分。因此應(yīng)篩選出一個距離加載中心足夠遠的傳感器，使得該處的路面變形可以忽略不計，所測彎沉值主要為路基變形，利用該處的應(yīng)力應(yīng)變計算回彈模量。

AASHTO經(jīng)過試驗和論證，在路面設(shè)計手冊第1卷附錄中建議采用以下規(guī)則：按照式(4)選取首個滿足“L>0.7ae”的傳感器，用于計算路基回彈模量，其中ae為應(yīng)力球半徑。

(4)

3 基于落錘式彎沉儀的罩面設(shè)計流程

由于整個路面結(jié)構(gòu)的強度指標(biāo)結(jié)構(gòu)數(shù)等于面層、基層和底基層的結(jié)構(gòu)數(shù)之和，各層的結(jié)構(gòu)數(shù)則等于對應(yīng)的層系數(shù)與厚度、排水系數(shù)的乘積，因此可以按照冷再生的物理過程求解結(jié)構(gòu)數(shù)的變化。

按照冷再生混合料材料的無側(cè)限抗壓強度，可以確定對應(yīng)的層系數(shù)，通過路面探坑和AASHTO設(shè)計手冊確定基層系數(shù)和排水系數(shù)，用于計算面層和基層的結(jié)構(gòu)數(shù)分量。按照式(5)驗算施工后的最終結(jié)構(gòu)數(shù)是否滿足設(shè)計需求值SNf。

SN=SNeff-SNm+SNrec+SNac

(5)

式中：SNeff為根據(jù)FWD測試結(jié)果計算得到的當(dāng)前路面有效結(jié)構(gòu)數(shù)；SNm為舊路面冷再生銑刨損失的結(jié)構(gòu)數(shù)；SNrec為壓實后的再生混合料層結(jié)構(gòu)數(shù)；SNac為新攤鋪的瀝青罩面層結(jié)構(gòu)數(shù)。

從FWD獲取逐樁彎沉測試數(shù)據(jù)，按照圖1的流程處理，即可得到有效結(jié)構(gòu)數(shù)SNeff和設(shè)計需求結(jié)構(gòu)數(shù)SNf，通過補強措施，使式(5)計算得到修復(fù)后的結(jié)構(gòu)數(shù)不小于SNf，即完成路面強度設(shè)計。

圖1 基于FWD的路面強度設(shè)計計算流程

4 設(shè)計實例

針對玻利維亞N9公路修復(fù)項目路面現(xiàn)狀調(diào)研和測試階段，采用落錘彎沉儀在193 km主線左右幅每隔250 m測試一處，共收集了超過1 500組數(shù)據(jù)?；贏ASHTO路面結(jié)構(gòu)計算公式，筆者編制了美標(biāo)瀝青路面設(shè)計軟件(圖2)，批量計算落錘彎沉儀采集的彎沉序列數(shù)據(jù)，得到路面強度指標(biāo)結(jié)構(gòu)數(shù)。部分段落的曲線如圖3所示。為便于讀者理解，后續(xù)計算結(jié)果中路面結(jié)構(gòu)數(shù)和各層厚度的單位均換算為cm。

當(dāng)原始數(shù)據(jù)波動較大時，需要進行同質(zhì)化分段，將結(jié)果相近的段落化為一個設(shè)計分段求均值。以第2標(biāo)段為例，將62 km劃分為22段，分段后的有效結(jié)構(gòu)數(shù)和設(shè)計結(jié)構(gòu)數(shù)分布曲線如圖4所示。

在分段平均后，得到各段路面有效結(jié)構(gòu)數(shù)SNeff和未來需求的強度結(jié)構(gòu)數(shù)SNf，即可對補強路段進行再生厚度設(shè)計。以圖4的第8分段為例，平均路面有效結(jié)構(gòu)數(shù)SNeff≈8.28 cm，未來需求結(jié)構(gòu)數(shù)SNf≈11.21 cm。在對應(yīng)段落內(nèi)做路面探坑，得到路面結(jié)構(gòu)，見圖5。

圖2 落錘彎沉試驗數(shù)據(jù)處理

圖3 現(xiàn)有瀝青路面強度指標(biāo)(FWD測試計算值)

圖4 路面的設(shè)計結(jié)構(gòu)數(shù)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)數(shù)分布曲線

圖5 典型路面探坑剖面

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)路面主要病害為嚴(yán)重的龜裂和坑槽，部分瀝青面層缺失，基層外露，推薦采用路面冷再生重建基層。按照南美地區(qū)慣用的冷再生水泥摻配比例3.0%對應(yīng)的冷再生混合料28 d強度無側(cè)限抗壓強度2.5 MPa計算，根據(jù)AASHTO 路面設(shè)計手冊第2章第3節(jié)，其他計算參數(shù)取值見表1。

(1)冷再生銑刨20 cm(面層4.5 cm +基層15.5 cm)后：SNeff1=SNeff-0.130×1.00×4.5-0.100×0.90×15.5=6.826 cm。

(2)摻水泥拌合壓實20 cm，形成再生基層時：SNeff2=6.826+0.145×0.95×20=9.581 cm。

(3)在新基層上加鋪7 cm罩面后，SN=9.581+0.420×1.00×7=12.520 cm>SNf。

復(fù)核結(jié)果表明，在該段落內(nèi)采用20 cm冷再生后，添加3%水泥混拌壓實，加鋪7 cm改性瀝青混凝土罩面，此方案的路面結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計交通量要求。

5 施工過程與質(zhì)量控制要點

目前該項目正在采用德國維特根2000型冷再生一體機施工，平均每日進度為單幅800 m。采用一體化設(shè)備全機械作業(yè)，施工質(zhì)量較穩(wěn)定。具體施工工序如圖6所示。

6 結(jié) 語

本文結(jié)合玻利維亞N9公路修復(fù)項目，基于落錘式彎沉儀的瀝青路面檢測結(jié)果，根據(jù)AASHTO GDPS—1993規(guī)范，對瀝青路面冷再生的基本原理、路面結(jié)構(gòu)計算、典型段落的修復(fù)方案設(shè)計和施工質(zhì)量控制等方面進行了討論，同時總結(jié)采用維特根2000型冷再生設(shè)備摻拌水泥法對現(xiàn)有開裂嚴(yán)重的瀝青路面進行修復(fù)的施工流程和工藝特點。

目前，瀝青路面冷再生修復(fù)工藝在南美洲廣泛應(yīng)用，采用一體化再生機組施工速度快，既經(jīng)濟又環(huán)保。有多個中資企業(yè)正在南美地區(qū)開拓相關(guān)基建市場，本文對計劃實施類似工程的企業(yè)和國內(nèi)相關(guān)公路修復(fù)項目的設(shè)計施工具有參考意義。

圖6 瀝青路面就地冷再生施工步驟與現(xiàn)場