舊混凝土公路路基與路面改造方案設(shè)計(jì)

王 麟

(哈爾濱華龍公路工程設(shè)計(jì)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

在交通運(yùn)輸行業(yè)快速發(fā)展的背景下,公路交通量與運(yùn)輸量的提高對(duì)公路路基與路面產(chǎn)生了一定的影響[1],容易出現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)破損以及路基抗壓能力、承載能力下降的問題,存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)與隱患[2]。對(duì)舊混凝土公路路面進(jìn)行改造能夠有效地提升公路的使用性能與使用壽命,為車輛的行駛與人們的出行提供安全保障[3]。傳統(tǒng)的舊混凝土公路改造方法在實(shí)際應(yīng)用過程中,不僅需要消耗大量的人力與物力資源,并且由于未能對(duì)原有的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎沉值計(jì)算,導(dǎo)致瀝青加鋪層不能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求,因此改造后的公路路面容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,改造效果較差[4]。為了解決傳統(tǒng)舊混凝土公路改造方法的不足,結(jié)合高州市大唐荔鄉(xiāng)田園綜合體核心區(qū)內(nèi)道路改造工程,計(jì)算舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)的彎沉值,并對(duì)瀝青加鋪層進(jìn)行設(shè)計(jì),完成了新的公路路基與路面改造方案的設(shè)計(jì)。

1 工程概況

試驗(yàn)工程項(xiàng)目屬于高州市大唐荔鄉(xiāng)田園綜合體試點(diǎn)項(xiàng)目的其中一個(gè),項(xiàng)目位于高州市根子鎮(zhèn)大唐荔鄉(xiāng)田園綜合體景區(qū)內(nèi)。其中主線起點(diǎn)位于山閣收費(fèi)站附近的鄉(xiāng)道,終點(diǎn)接省道S282(舊縣道X617);路線途徑柏橋村委會(huì)、茅坡村委會(huì)、橋頭、三丫塘、元壩村委會(huì)等地,由于長期的交通運(yùn)輸壓力,導(dǎo)致該路段病害逐年增加,路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損。

該公路路面破損嚴(yán)重,且路基的抗壓能力出現(xiàn)下降趨勢(shì),逐漸無法滿足該地區(qū)車輛安全行駛的需求。除此之外,受到地理位置與氣候條件的影響,該公路出現(xiàn)凍脹、翻漿等病害,嚴(yán)重降低了公路路基與路面的強(qiáng)度。因此,政府決定對(duì)該路段路面改造。

為了實(shí)施改造需要對(duì)該公路原有路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析,獲取舊路面結(jié)構(gòu)的組成,如表1所示。

表1 高州市大唐荔鄉(xiāng)田園綜合體核心區(qū)內(nèi)道路改造工程路面結(jié)構(gòu)組成

由表1可知,該公路路面板厚相對(duì)來說較薄,導(dǎo)致路面抗壓能力較差,無法滿足該地區(qū)交通量的需求,長期承受較大的荷載作用,公路路面會(huì)出現(xiàn)斷板的情況,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致路面大面積出現(xiàn)破損。

掌握改造工程具體情況與病害特征后,對(duì)該項(xiàng)目改造方案展開設(shè)計(jì)。

2 舊混凝土路面改造方案設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算路面結(jié)構(gòu)彎沉值

在設(shè)計(jì)舊混凝土公路路面改造方案之前,對(duì)舊混凝土公路的實(shí)際運(yùn)行情況與特征進(jìn)行深入分析,獲取公路路基與路面結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。依據(jù)公路交通等級(jí),確定公路路面的基層類型,設(shè)置公路各結(jié)構(gòu)層為基礎(chǔ)層,采用落錘式彎沉儀,測(cè)定公路頂面的回彈模量,在此基礎(chǔ)上,計(jì)算舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)彎沉值的公式為

(1)

式中:la為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)的彎沉值,mm;p為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值,N/m2;δ為舊混凝土公路路面的回彈模量,MPa;l0為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)的初始彎沉值,mm;m為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)的彎沉系數(shù)。

通過計(jì)算舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)的彎沉值,確定路面的力學(xué)參數(shù),結(jié)合荷載作用原理,采用Ansys軟件建立舊混凝土公路二維平面模型,將各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)作為輸入層,輸入到模型中,深入分析公路路基與路面結(jié)構(gòu)層的彎沉情況,判斷公路基層對(duì)路面板承載力的影響程度[5]。使用貝克曼梁彎沉儀,連續(xù)檢測(cè)舊混凝土公路路基與路面的回彈彎沉,在路面板塊的板角位置處布設(shè)彎沉測(cè)點(diǎn),控制測(cè)點(diǎn)與路面橫縫距離為30 cm,彎沉測(cè)點(diǎn)的布設(shè)如圖1所示。

圖1 彎沉測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

按照?qǐng)D1的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)舊混凝土公路路基與路面的彎沉變化情況,并計(jì)算路面結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的彎沉平均值與彎沉代表值,計(jì)算公式分別為

(2)

Wu=W+PA·S

(3)

式中:W為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)彎沉平均值,mm;Wu為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)彎沉代表值,mm;Wi為彎沉測(cè)點(diǎn)測(cè)定的回彈彎沉值,mm;A為彎沉儀讀數(shù),mm;PA為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)保證率系數(shù),%;S為舊混凝土公路路面結(jié)構(gòu)回彈彎沉的標(biāo)準(zhǔn)值,mm。

通過計(jì)算舊混凝土路面結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)彎沉平均值與代表值,為舊混凝土公路路基與路面的改造提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)支持。

2.2 設(shè)計(jì)混凝土路面瀝青加鋪層

在彎沉值計(jì)算結(jié)束后,接下來設(shè)計(jì)混凝土路面的瀝青加鋪層。首先對(duì)公路路基與路面進(jìn)行反射裂縫測(cè)試,獲取舊混凝土路面的本質(zhì)特征,在此基礎(chǔ)上,選取骨架型結(jié)構(gòu)且質(zhì)地較硬的SBS改性瀝青材料,作為瀝青加鋪層的原材料,對(duì)其配合比進(jìn)行全方位的設(shè)計(jì)。

首先,確定瀝青加鋪層混合料的級(jí)配,瀝青材料由于集料的級(jí)配不同,其形成的加鋪層結(jié)構(gòu)存在一定的差異。綜合考慮舊路改造的實(shí)際特點(diǎn),采用AC-16C型級(jí)配作為公路路基與路面改造加鋪層瀝青混合料的目標(biāo)級(jí)配。級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)束后,對(duì)舊路基層結(jié)構(gòu)的最優(yōu)厚度進(jìn)行深入分析,因其對(duì)路面整體性能的影響相對(duì)較大。采用PADS軟件,測(cè)定舊混凝土公路路基結(jié)構(gòu)的厚度,并對(duì)比公路路基拉應(yīng)變力的數(shù)值,判斷公路路基結(jié)構(gòu)的使用狀況。對(duì)舊混凝土公路施加垂直荷載,垂直荷載不斷增加,測(cè)定公路基層底部的拉應(yīng)變力,得出公路拉應(yīng)變力的差距。

在獲取到舊混凝土公路拉應(yīng)變力的差距后,采用不同級(jí)配的瀝青混合料,能夠有效地提升瀝青加鋪層的使用性能與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。為了提高舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層的質(zhì)量,在鋪設(shè)前,按照篩孔設(shè)計(jì)瀝青混凝土礦料級(jí)配通過率范圍,對(duì)石料進(jìn)行篩分處理,如表2所示。

表2 瀝青混凝土礦料級(jí)配通過率范圍

在表2基礎(chǔ)上,確定瀝青加鋪層的最佳油石比,并采用彈性連續(xù)體系理念與五邊形沖擊技術(shù),確定舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu),計(jì)算瀝青加鋪層混合料動(dòng)穩(wěn)定度的公式為

(4)

式中:Dr為舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,次/mm;ta、tb分別為瀝青加鋪層鋪設(shè)時(shí)間,min;dx為舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層初始變形量,mm;dy為舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層最終變形量,mm;N為車輛行駛的往返速度,km/h。

通過計(jì)算,獲取瀝青加鋪層混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,為提高公路路基與路面的穩(wěn)定性與抗壓能力提供保障。

在此基礎(chǔ)上,采用公路路基與路面相關(guān)的檢驗(yàn)方法,確定舊混凝土公路施工路段,檢驗(yàn)舊混凝土公路的破碎坑,獲取破碎坑所在位置的信息與各項(xiàng)指標(biāo)。利用壓實(shí)機(jī)壓實(shí)處理舊混凝土公路的破碎面,壓實(shí)后在破碎面上噴灑一層透層油,并均勻鋪筑碎石基層,提高舊混凝土公路路基與路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性。綜合考慮公路瀝青加鋪層的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),檢驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)是否達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度要求。檢驗(yàn)合格后,清除舊混凝土公路路面的瀝青罩面層,布設(shè)相關(guān)標(biāo)志。標(biāo)志布設(shè)完畢后,檢測(cè)混凝土公路路面的裂縫與短板情況,判斷公路路基與路面板體是否完整,有無沉陷病害,若存在病害,則采取病板挖除的方法處理板體病害,換填穩(wěn)定粒料,完成舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)。

2.3 新舊混凝土公路拼接處理

接下來對(duì)新舊混凝土公路路基與路面進(jìn)行拼接處理,提高新舊混凝土公路的銜接性,降低路基銜接不均勻造成沉降的可能性。

首先,依據(jù)公路路基與路面改造工程的相關(guān)文件,采集施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)與水文資料,對(duì)公路拼接處理的施工難度作出精確評(píng)估,并制定公路拼接施工方案。選取與混凝土公路結(jié)構(gòu)匹配度較高的軟基處理方法,擴(kuò)建公路路基,采用就地固化的處理方式,控制軟基土層底埋深不超過3 m。全面調(diào)查并實(shí)時(shí)記錄舊混凝土公路施工路段的地下結(jié)構(gòu)物,例如地下管線的布設(shè)情況、路基邊緣外結(jié)構(gòu)物型式與所處位置等。在此基礎(chǔ)上,檢查驗(yàn)收新舊混凝土公路路面基層的分項(xiàng)工程,并開展拼接測(cè)量放樣工作。根據(jù)新舊混凝土拼接處理的實(shí)際情況與拼接特征,選取透水性較好的基層換填材料。在原則上,選取與舊混凝土公路原基層材料相同的材料進(jìn)行換填,在路基與路面填方面積較小時(shí),可以選用采購成本相對(duì)較低的填料,降低填料要求。在新舊混凝土公路拼接路段兩側(cè),分別設(shè)置橫向與縱向盲溝,及時(shí)排出處理產(chǎn)生的積水,提高拼接施工的質(zhì)量。公路路基與路面拼接過程中,從兩側(cè)逐漸向中間順序進(jìn)行,控制新舊公路相鄰拼接面的拼接寬度≥11.5 cm,使乳化瀝青貫入的效果達(dá)到最佳。及時(shí)清理拼接填縫的雜質(zhì)及脹縫材料,保證拼接處理的質(zhì)量。

在拼接處理結(jié)束后,檢測(cè)公路路面結(jié)構(gòu)狀況,獲取舊路基與路面改造后的面層厚度與強(qiáng)度,計(jì)算改造后路面的破損率的公式為

(5)

式中:E為改造后公路路面破損率,%;mt為路面損壞面積,m2;ta為路面損壞權(quán)重;U為舊混凝土公路整體路面面積,m2。

計(jì)算改造后路面的破損率,對(duì)舊混凝土公路路基與路面改造方案的應(yīng)用效果作出評(píng)價(jià)。

3 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證改造方案的應(yīng)用效果,對(duì)改造后的公路路面結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行測(cè)試。在此基礎(chǔ)上,對(duì)該路段路面當(dāng)前的破損狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),設(shè)置路面狀況指數(shù)為評(píng)價(jià)該路段公路路面破損的指標(biāo),計(jì)算公式分別為

(6)

Tac=LacYacUac

(7)

式中:M為該路段公路路面狀況指數(shù);Tac為路面a種病害和c種輕重程度的扣分值;Wac為路面同時(shí)出現(xiàn)多種破損時(shí),病害扣分值的修正系數(shù);Lac為路面破損板塊數(shù)占總板塊數(shù)的比例;Yac、Uac分別為路面結(jié)構(gòu)破損程度系數(shù)。

通過計(jì)算,獲取該路段公路路面的狀況指數(shù),反映路面結(jié)構(gòu)的破損程度與特征。在此基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地對(duì)破損公路路基與路面進(jìn)行改造,參照公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范,采取對(duì)應(yīng)的改造修復(fù)措施。

為了更加直觀地驗(yàn)證改造方法的有效性,采用對(duì)比分析的試驗(yàn)方法,設(shè)置設(shè)計(jì)的舊混凝土公路改造方案為試驗(yàn)組,文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[3]的公路改造方法為對(duì)照組,隨機(jī)選取該項(xiàng)目中不同路段,并分別標(biāo)號(hào)為TNPL01、TNPL02、TNPL03、TNPL04、TNPL05、TNPL06,利用有限元分析模型測(cè)定三種公路改造方法應(yīng)用后路面結(jié)構(gòu)的承載能力,對(duì)比結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的路面結(jié)構(gòu)承載能力對(duì)比結(jié)果可知,在三種改造方法中,設(shè)計(jì)的改造方法,其各個(gè)路段路面結(jié)構(gòu)承載能力均在516.7 MPa以上,比另外兩種改造方法高,改造效果較好,穩(wěn)定性能更加具有優(yōu)勢(shì)。

因此將設(shè)計(jì)的舊混凝土公路改造方案應(yīng)用至依托項(xiàng)目工程中,經(jīng)過路面改造后,路段TNPL01～TNPL06的路面結(jié)構(gòu)承載能力分別為553.1、571.1、519.5、591.4、516.9、557.9 MPa,均高于有限元分析模型計(jì)算出的數(shù)值,說明設(shè)計(jì)方案在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的改造效果。

4 結(jié) 語

為了解決應(yīng)用傳統(tǒng)舊混凝土公路改造方案后路面容易出現(xiàn)開裂的問題,提出一種舊混凝土公路路基與路面改造方案。在高州市大唐荔鄉(xiāng)田園綜合體核心區(qū)內(nèi)道路路面改造工程中應(yīng)用此設(shè)計(jì)方案,使得各個(gè)路段公路路面結(jié)構(gòu)承載能力均在516.7 MPa以上,可以有效提高混凝土的抗壓能力與使用性能,優(yōu)化了混凝土路面的整體結(jié)構(gòu),使改造后的路面承載能力得到提高。