舊混凝土路面碎石化層的承載力檢測與評價

岳愛軍，王偉，李旺明，覃金壽

（1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541000；2.廣西壯族自治區(qū)欽州欽北公路養(yǎng)護中心，廣西 欽州 535000）

0 引言

廣西地處華南，高溫潮濕多雨，超載、重載路段的水泥混凝土路面在通車5 年后易出現(xiàn)斷板、錯臺等結(jié)構(gòu)性破壞現(xiàn)象。碎石化是在舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)損壞較嚴重時，采用破碎機設(shè)備對路面進行破碎的一種處置方法，因其破碎顆粒的粒徑大小類似碎石，故稱之為碎石化［1-5］。

舊水泥混凝土路面碎石化常用的兩種施工工藝為多錘頭沖擊破碎（Multiple-Head Breaker，簡稱MHB）和共振破碎（Resonant Pavement Breaker，簡稱RPB）［6-9］。王松根等［10］研究MHB 碎石化后強度形成機理，提出舊混凝土路面碎石化層的咬合嵌擠理論；李豪等［11］將MHB 和RPB 的適應(yīng)性能進行對比分析，發(fā)現(xiàn)RPB 破碎技術(shù)更適合于重載車輛多、交通量大的工程；李曉鵬［12］通過對舊水泥混凝土路面破碎化后的防反射裂縫機理進行分析和研究，得到采用多錘頭碎石化技術(shù)能有效消除舊水泥混凝土路面的反射裂縫的結(jié)論；熊斌丹等［13］開展舊水泥混凝土路面碎石化后力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)采用RPB破碎后，舊水泥混凝土路面整體強度下降，呈現(xiàn)柔性特征，有利于路面結(jié)構(gòu)的補強和加鋪；邱業(yè)績等［14］通過探討MHB 和RPB 兩種施工工藝的差異性和適用條件，認為舊水泥混凝土路面采用RPB 施工技術(shù)破碎化后的平均彎沉和舊路面頂面回彈模量均大于MHB 破碎化。中國許多學(xué)者對舊水泥混凝土路面碎石化力學(xué)強度形成機理及碎石化兩種施工工藝適用性進行了研究，但少見專門針對在半剛性基層和柔性土基上舊混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層的承載力方面進行研究。

2015 年起，廣西路網(wǎng)干線公路半剛性基層舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪18～22 cm 大粒徑級配碎石層+6～9 cm 厚瀝青層，加鋪層瀝青路面路況總體良好［15-18］；柔性土基上舊混凝土路面碎石化擬加鋪18 cm 厚瀝青層，柔性土基上舊混凝土路面碎石后的承載力大小對路面結(jié)構(gòu)是否需要補強起到?jīng)Q定性作用。

為此，本文以G325 線廣州至南寧二級公路合浦段和北海市至鐵山港一級公路舊水泥混凝土路面碎石化加鋪瀝青層工程為依托，采用承載板、貝克曼梁分別測試半剛性基層、柔性土基上舊水泥混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層頂面的當量回彈模量、彎沉，其檢測結(jié)果可為碎石化改造舊水泥混凝土路面設(shè)計與施工提供參考。

1 舊混凝土路面碎石化施工工藝選擇

G325 線廣州至南寧二級公路合浦段原路面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土路面+水泥穩(wěn)定級配碎石基層+土基，舊混凝土路面碎石后加鋪大粒徑級配碎石20 cm+5 cmAC-20+4 cmAC-13；北海市至鐵山港一級公路原路面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土路面+土基，舊混凝土路面碎石后擬加鋪8 cmAC-25+6 cmAC-20+4 cmAC-13。舊混凝土路面多錘頭碎石化需要考慮路基和基層的承載力，舊混凝土路面共振碎石化對基層損傷少、可以減少對公路沿線居民日常生活的干擾，但成本相對較高。針對這一特點，北海市至鐵山港 一 級 公 路K15+450～K15+600 段 和G325 線K589+600～K590+600 段（過村鎮(zhèn)路段）采用共振破碎施工工藝。為了探討柔性路基上舊混凝土路面、半剛性基層舊混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層的承載力，本文選取G325 線K616+300～K617+300 段（非過村鎮(zhèn)路段）、G325 線K589+600～K590+600 段（過村鎮(zhèn)路段）以及北海市至鐵山港一級公路K15+450～K15+600 段開展對比分析，試驗路段舊水泥混凝土路面碎石化施工工藝選擇見表1。

表1 試驗路段碎石化施工工藝選擇

2 舊混凝土路面碎石化層承載力的檢測與評價

2.1 破碎化后原路面頂面當量回彈模量檢測

碎石化水泥混凝土面板頂面的當量回彈模量檢測采用《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450—2019）中承載板法，其中G325 線K616+300～K617+300 段、K589+600～K590+600 段 測 試 頻 率 為50 m/次，北海市至鐵山港一級公路K15+450～K15+600 段測試頻率為10 m/次。由于測量誤差以及施工質(zhì)量控制的不均性，導(dǎo)致測點數(shù)據(jù)存在一定的差異性，例如數(shù)值的突然偏大或者偏小，就須剔除離群數(shù)據(jù)，以更好反映在正常施工工藝下舊混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層的當量回彈模量數(shù)值。本文利用拉依達準則（3σ準則）去除離散較大的測試值，最終得到該路段舊混凝土路面碎石化結(jié)構(gòu)層測試的平均值及變異系數(shù)，舊混凝土路面碎石化結(jié)構(gòu)層檢測結(jié)果及數(shù)值計算整理見表2～4。

表2 G325 線試驗路段舊混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層的當量回彈模量檢測結(jié)果

表3 北鐵一級公路K15+450～K15+600 段舊混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層的當量回彈模量檢測結(jié)果

表4 舊混凝土路面當量回彈模量數(shù)值計算結(jié)果

從表2～4 可以看出：

（1）G325 線合浦段半剛性基層舊混凝土路面碎石化結(jié)構(gòu)層頂面當量回彈模量值均大于300 MPa（40個點中有2 個點不滿足要求，這2 個點為特殊點，舊混凝土路面破壞嚴重），表明半剛性基層舊水泥混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層具有一定剛度。多錘頭碎石化水泥混凝土面板頂面的當量回彈模量平均值為408.15 MPa，變異系數(shù)為10.50%；共振碎石化水泥混凝土面板頂面的當量回彈模量平均值為444.20 MPa，變異系數(shù)為19.42%。舊混凝土路面共振碎石化基層相對完好無損，共振碎石化產(chǎn)生的斜向裂縫與水平面大約呈45°，水泥混凝土面板沿最大剪切面破碎，舊混凝土路面碎石化顆粒間咬合嵌擠程度要比多錘頭碎石化的好。在同樣的豎向荷載作用下，共振碎石化層產(chǎn)生垂直位移更小，舊混凝土路面共振碎石化后結(jié)構(gòu)層頂面的當量回彈模量大于多錘頭碎石化結(jié)構(gòu)層頂面的當量回彈模量，共振碎石化路段舊混凝土頂面當量回彈模量的變異系數(shù)相對較大，這可能與過村鎮(zhèn)路段舊混凝土路面的局部位置破損嚴重相關(guān)。

（2）舊混凝土路面的下臥層承載力不同，舊混凝土路面碎石化后力學(xué)響應(yīng)特性不同，舊混凝土路面共振碎石化結(jié)構(gòu)層的剛度存在較大差異。G325線合浦段共振碎石化頂面的當量回彈模量平均值為444.20 MPa，變異系數(shù)19.42%；北海市至鐵山港一級公路舊混凝土路面共振碎石化頂面的當量回彈模量平均值為326.71 MPa，變異系數(shù)22.5%，柔性土基上舊混凝土路面共振碎石化后結(jié)構(gòu)層的頂面當量回彈模量326.71 MPa 比半剛性基層舊混凝土路面多錘頭碎石化結(jié)構(gòu)層頂面當量回彈模量408.15 MPa 小，柔性土基上舊混凝土路面共振碎石化頂面當量回彈模量的離散性相對半剛性基層舊混凝土路面共振碎石化略大，因此，柔性土基上舊混凝土路面再生利用時宜慎重采用共振碎石化技術(shù)。

2.2 破碎化后原路面彎沉檢測

彎沉是指在垂直荷載作用下路面產(chǎn)生的垂直變形，能反映出路面結(jié)構(gòu)層的整體強度和剛度。舊混凝土路面共振碎石化表面層屬于松散粒料層，受彎沉儀支點、彎沉車的軸載和輪胎等影響，其承載能力檢測不宜采用貝克曼測試方法。但為探究柔性土基上舊混凝土路面共振碎石化后的承載力，北海市至鐵山港一級公路K15+450～K15+600 段共振碎石化后結(jié)構(gòu)層彎沉檢測采用《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450—2019）中貝克曼梁測試路基路面回彈彎沉方法，其檢測結(jié)果見表5 及圖1，其中，測試頻率為10 m/次，K15+450～K15+600 段第1 車道彎沉檢測順序號為1～16，第2 車道彎沉檢測順序號為17～32。

圖1 碎石化后結(jié)構(gòu)層彎沉值散點圖

表5 北海市至鐵山港一級公路K15+450～K15+600 段碎石化后結(jié)構(gòu)層彎沉統(tǒng)計結(jié)果

從表5 及圖1 可以看出：①北海市至鐵山港一級公路K15+450～K15+600 段采用共振破碎的舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層中，在設(shè)計彎沉范圍之內(nèi)僅占20.31%，超出設(shè)計彎沉范圍高達79.69%，并且彎沉代表值為329.68（0.01 mm），遠遠大于設(shè)計彎沉值，整體的強度和剛度都不足；②彎沉值極為分散，變異系數(shù)為88.02%，說明舊混凝土路面為柔性的土基不適宜采用共振碎石化施工技術(shù)。因為級配碎石基層具有非線性的力學(xué)特性，呈現(xiàn)“遇強則更強、遇弱則弱”的特點，舊水泥混凝土路面破碎化后結(jié)構(gòu)層（類似級配碎石）在柔性土基產(chǎn)生的彎沉較大。

3 結(jié)論

本文采用承載板、貝克曼梁測試方法，對比分析了舊水泥混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層頂面的當量回彈模量、彎沉，為準確評價半剛性基層、柔性土基舊混凝土路面碎石化后結(jié)構(gòu)層的承載力提供了參考，提高了水泥混凝土路面改造時設(shè)計參數(shù)選取的精度，主要得到如下結(jié)論：

（1）半剛性基層舊混凝土路面碎石化結(jié)構(gòu)層承載力較高，考慮碎石化結(jié)構(gòu)層的非線性特性，半剛性基層舊混凝土路面碎石化加鋪柔性的大粒徑級配碎石層和瀝青層結(jié)構(gòu)是可行的。

（2）土基上舊混凝土路面破碎再生利用不宜采用碎石化技術(shù)。土基上舊混凝土路面共振碎石化后頂面承載力呈離散的特性，加鋪瀝青層設(shè)計時該結(jié)構(gòu)層宜按上路床進行考慮。