不間斷交通大修施工方案優(yōu)化研究

摘要 文章以某道路為例，對(duì)不間斷交通或短時(shí)間中斷交通的城市道路大修方案進(jìn)行研究，分析半剛性基層材料在養(yǎng)生期間強(qiáng)度上升缺陷原因，導(dǎo)致最終強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，采用在設(shè)計(jì)中改變路面結(jié)構(gòu)厚度等方法，提高道路使用性能，延長(zhǎng)大修后道路的使用壽命，對(duì)今后類(lèi)似城市道路大修具有重要的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 城市道路;不間斷交通;大修;半剛性基層;路面結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào) U445.551 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0136-03

引言

隨著城市的發(fā)展，城市道路的重要性日益凸顯。由于道路周邊分布著住宅區(qū)、商業(yè)、學(xué)校、工廠等，交通通行作用受道路影響較大，故城市道路大修施工應(yīng)最大限度地減少對(duì)城市交通的影響。因此，在受到條件限制而無(wú)法進(jìn)行交通導(dǎo)改時(shí)，不間斷交通或短時(shí)中斷交通施工已成為城市道路大修所必須遵循的客觀事實(shí)。

目前北京城市道路大修結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依舊采用常規(guī)設(shè)計(jì)思路，未充分考慮不間斷交通或短時(shí)間中斷交通的特殊性：基層材料無(wú)法達(dá)到常規(guī)養(yǎng)生所需的最低時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，在其養(yǎng)生早期強(qiáng)度尚不足時(shí)便開(kāi)放交通，對(duì)材料造成不可彌補(bǔ)的破壞，導(dǎo)致最終強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該文重點(diǎn)從技術(shù)的角度出發(fā)，以大魯?shù)瓯甭窞槔?，?duì)不間斷交通或短時(shí)間中斷交通的城市道路大修方案進(jìn)行研究。

1 大魯?shù)瓯甭番F(xiàn)況調(diào)查及評(píng)價(jià)

1.1 現(xiàn)況調(diào)查

大魯?shù)瓯甭烽L(zhǎng)2 100 m，北側(cè)為居民小區(qū)，南側(cè)為村莊，道路等級(jí)為城市支路，兩幅路，隔離帶兩側(cè)路寬6 m，兩側(cè)步道寬2 m。根據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，該路2016年5月至2017年4月平均日交通量為5 300輛/日。2015年6月至7月，該路進(jìn)行道路大修，設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)為：4 cm面層瀝青+6 cm底面層瀝青+32 cm石灰粉煤灰碎石基層。路基處理采用12%石灰土，處理厚度為35 cm。道路大修期間施工時(shí)間為每日0時(shí)至5時(shí)，其余時(shí)間車(chē)輛放行正常通行，施工作業(yè)間斷進(jìn)行，養(yǎng)生條件達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。

2015年7月大修竣工并交付使用，半年后面層出現(xiàn)微小裂縫。一年后，出現(xiàn)大面積龜裂，鉆心取樣發(fā)現(xiàn)基層松散不成型。截至2016年底大魯?shù)瓯甭废嗬^出現(xiàn)裂縫、車(chē)轍、坑槽等病害，如圖1、圖2所示：

1.2 路面技術(shù)狀況評(píng)價(jià)

依據(jù)《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ 36—2006）規(guī)定，以PCl和路表彎沉值為指標(biāo)對(duì)大魯?shù)瓯甭愤M(jìn)行評(píng)價(jià)[1-2]。

PCI=100?綜合扣分值=100?26.35=73.65，路面結(jié)構(gòu)損壞狀況為B級(jí)?；鶎訛槭曳勖夯曳€(wěn)定碎石半剛性基層，采用貝克曼梁法對(duì)路表彎沉值進(jìn)行檢測(cè)，彎沉值為70（0.01 mm），路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。

由此可見(jiàn)，道路的正常使用及服務(wù)質(zhì)量已受到嚴(yán)重影響，接下來(lái)對(duì)病害產(chǎn)生原因進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

2 病害原因分析

2.1 基層養(yǎng)生條件差致使強(qiáng)度不足

半剛性基層采用石灰粉煤灰穩(wěn)定材料，其重要特點(diǎn)之一是強(qiáng)度和彈性模量隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，逐漸具有半剛性性質(zhì)。第一個(gè)時(shí)期是從生產(chǎn)到碾壓完成;第二個(gè)時(shí)期是從碾壓完成到強(qiáng)度上升到最大值為止。由于形成強(qiáng)度的反應(yīng)速度慢且需在一定的環(huán)境條件下才進(jìn)行，因此石灰粉煤灰穩(wěn)定材料強(qiáng)度的生成需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間。養(yǎng)生為其強(qiáng)度的形成創(chuàng)造一定的條件，保障其物理—化學(xué)反應(yīng)能夠順利進(jìn)行。

從調(diào)查中得知：該路每日0時(shí)至5時(shí)施工，其余時(shí)間放行，施工作業(yè)不間斷進(jìn)行，其基層鋪筑完立即開(kāi)放交通，尚未形成強(qiáng)度，車(chē)輛荷載對(duì)基層的作用力使內(nèi)部產(chǎn)生損傷及微裂縫，為早期損壞埋下隱患。雖然在通車(chē)初期基層微裂縫對(duì)道路使用性能沒(méi)有影響，但受到車(chē)輛荷載的反復(fù)作用后，基層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度逐步降低，裂縫發(fā)展變寬變深，大大降低了道路的使用性能，縮短了使用壽命[3]。

2.2 運(yùn)營(yíng)期溫度變化及水損壞

隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，在外界溫度反復(fù)變化下，基層裂縫逐漸發(fā)展擴(kuò)大，直至貫穿，其整體性已不復(fù)存在，強(qiáng)度亦不再滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)該路還受到水損害影響，也是引起該路瀝青路面坑槽破損的根本原因之一。

2.3 交通量大重載車(chē)多

該路系重要交通要道，交通量大，夜間超載、滿載運(yùn)輸車(chē)輛多，結(jié)構(gòu)層難以長(zhǎng)期承受強(qiáng)大的荷載沖擊力和壓力，最終出現(xiàn)塑性變形，此變形難以恢復(fù)，側(cè)向位移逐漸累積，最終產(chǎn)生裂縫、車(chē)轍、沉陷。

造成路面損壞的原因是多種的，且各因素間互相聯(lián)系，協(xié)同作用，加速了道路的破壞。但該路投入使用僅一年就損壞嚴(yán)重，最主要原因還是基層養(yǎng)生條件差致使基層強(qiáng)度不足，接下來(lái)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行探討。

3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)及其影響因素

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[4]，在對(duì)影響控制指標(biāo)的因素進(jìn)行理論分析后，得出以下結(jié)論：

3.1 兩個(gè)控制指標(biāo)

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)控制指標(biāo)：路表彎沉值和結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力，即：γa·1s≤1d和γa·σm≤[σR]，不等式右邊的指標(biāo)為設(shè)計(jì)指標(biāo)，不等式左邊的指標(biāo)為計(jì)算指標(biāo)。

兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)影響因素大部分相同，即：

（1）構(gòu)成交通狀況的各個(gè)車(chē)型的軸數(shù)和輪組數(shù)、軸載大小、軸載作用次數(shù)。

（2）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)交通量的年平均年增長(zhǎng)率、車(chē)道分布系數(shù)。

（3）道路等級(jí)。除相同影響因素外，路表設(shè)計(jì)彎沉值還受面層類(lèi)型、基層類(lèi)型以及不同材料所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)齡期的劈裂強(qiáng)度的影響。

3.2 影響因素

設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響因素由道路的現(xiàn)狀條件和現(xiàn)行規(guī)范所決定，當(dāng)某一條路被選定為設(shè)計(jì)道路，且結(jié)構(gòu)組合被確定后，這些影響參數(shù)的取值及兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)也即確定。在設(shè)計(jì)指標(biāo)已經(jīng)確定的情況下，可從計(jì)算指標(biāo)著手，尋找改善道路使用性能、延長(zhǎng)道路使用壽命的方法。依據(jù)計(jì)算指標(biāo)的影響因素，從結(jié)構(gòu)層厚度和材料抗壓回彈模量?jī)煞矫孢M(jìn)行探討。

4 增加路面結(jié)構(gòu)厚度對(duì)道路使用性能的影響

4.1 路表設(shè)計(jì)彎沉值和基層材料的容許抗拉強(qiáng)度的確定

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 169—2012）[5]，路表設(shè)計(jì)彎沉值為26.4（0.01 mm），石灰粉煤灰穩(wěn)定材料的容許抗拉強(qiáng)度為0.38 MPa。

4.2 路面結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算

（1）基層材料為石灰粉煤灰碎石，以基層為設(shè)計(jì)層，其余各層厚度如表1所示。

（2）路面材料參數(shù)的確定，如表2、表3所示。

利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序URAPDS，對(duì)該路的石灰粉煤灰穩(wěn)定材料基層進(jìn)行不同厚度的計(jì)算，如表4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的基層最小厚度是350 mm。

4.3 基層厚度對(duì)控制指標(biāo)的影響分析

為了更加形象地對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，依據(jù)表4數(shù)據(jù)擬合基層厚度與路表彎沉值的關(guān)系曲線，如圖3所示，及基層厚度與基層底面最大拉應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 路表彎沉值與基層厚度關(guān)系圖

圖4 基層底面最大拉應(yīng)力與基層厚度關(guān)系圖

以上分析表明，在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高基層厚度可以減小路表實(shí)際彎沉值和基層層底拉應(yīng)力，提升城市道路的使用性能，延長(zhǎng)道路使用壽命。

通過(guò)對(duì)大魯?shù)瓯甭坊鶎雍穸扰c路表彎沉值和基層層底拉應(yīng)力的關(guān)系分析，得出適當(dāng)增加基層厚度確實(shí)可以減小路表彎沉值和基層層底拉應(yīng)力。從理論角度分析，用增加基層厚度的方法來(lái)彌補(bǔ)基層養(yǎng)生的不足，改善大修后道路的使用性能，延長(zhǎng)道路使用壽命應(yīng)該是有效的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其有效性，接下來(lái)對(duì)該路大修方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 大魯?shù)瓯甭反笮迌?yōu)化施工方案及評(píng)價(jià)

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工方案

為了探討增加路面厚度這一單變量對(duì)道路使用性能的影響，依然采用與2015年大修相同的路面結(jié)構(gòu)形式，只調(diào)整了石灰粉煤灰穩(wěn)定材料基層的厚度。同時(shí)在充分對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)[6]要求綜合考慮后，最終確定的優(yōu)化方案的路面結(jié)構(gòu)形式如表5所示。

5.2 道路大修實(shí)施及性能評(píng)價(jià)

按照增加基層厚度可以減小路表彎沉值和基層層底拉應(yīng)力、延長(zhǎng)道路使用壽命的思路，于2017年對(duì)大魯?shù)瓯甭愤M(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并實(shí)施大修，9月投入使用。2019年7月對(duì)大魯?shù)瓯甭愤M(jìn)行調(diào)查、分析，PCI值為93.69，對(duì)應(yīng)的道路路面損壞狀況為A級(jí)，路面狀況良好;經(jīng)檢測(cè)其路表彎沉值為23.0（0.01 mm），路面狀況及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了增加路面厚度對(duì)延長(zhǎng)道路使用壽命的有效性。

6 結(jié)論

該文以大魯?shù)瓯甭窞檠芯繉?duì)象，對(duì)其病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)對(duì)厚度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的關(guān)系分析，提出了增加結(jié)構(gòu)厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了實(shí)施，改善了道路的使用性能，可作為類(lèi)似城市道路大修的參考。

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收稿日期：2022-03-30

作者簡(jiǎn)介：丁寧（1981—），男，本科，研究方向：土木工程。