旧公路路面碎石化条件下路面结构设计研究

2017-07-18杨欢

湖南交通科技 2017年2期

关键词：结构层模量路段

杨欢

(湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南长沙 410007)

旧公路路面碎石化条件下路面结构设计研究

杨欢

(湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南长沙 410007)

对旧公路路面进行碎石化试验路段的检测，用不同的施工组合对水泥混凝土板路面进行碎石化，经碾压完成后，进行顶面回弹模量测试，并对破碎后基层顶面回弹模量进行测试，根据标准差和变异系数得出相对较优施工组合为组合2；根据试验路段3标准差和变异系数的验证确定施工组合2的合理性。在组合2的基础上进行路面结构设计和优化，路面碎石化后层顶回弹模选取最不利状态下模量，根据优化的路面结构厚度和材料模量用HPDS-2011计算出的路表弯沉值与FWD实测路表弯沉值进行比较，结果表明加铺方案的结构组合设计满足规范要求。

道路工程；旧路面; 碎石化；回弹模量；路面结构；弯沉

0 引言

随着国民经济的飞速发展，我国的公路建设发展迅猛。高速公路在国民经济发展中的作用越来越突出[1]。然而近年来，我国多数省市已投入使用的高速公路基本都出现了道路通行能力和服务水平不能满足日益增长的交通需求状况，其中，沈大、沪宁、沪杭甬、广佛、南京绕城、福夏漳等多条高速公路改扩建工程已完成[2-4]。目前还有不少公路改扩建工程正在进行当中，其中就有莲株公路，本文以莲株公路为例，莲株公路是湖南省较早的一条高等级公路，是国家“八五”期间重点建设项目之一，也是湖南较早开工建设的高等级公路，是长株潭“两型社会”往湘东地区辐射的一条非常重要的干线公路。莲株公路于1995年建成通车，路面结构形式为24cm水泥混凝土面层+20cm水泥稳定砂砾。2004年全线进行了大修，将旧路面采用换板灌浆方法处置后，从下至上加铺浸渍沥青土工布及单层钢筋混凝土(路面厚度≥24cm)或双层钢筋混凝土(路面厚18～24cm)。但大修至今已有12a之久，由于修建时路基填料未改良以及重车较多且超载严重的原因，路面破损现象严重，出现了断板、错台、裂缝、唧泥、脱空等数种病害，严重影响行车舒适度及行车安全[5-9]。此次进行莲株公路的改扩建，在碎石化路面上提出最优的路面结构。

1 碎石化试验段的检测

莲株公路改扩建工程选取了填方段K1125+150～K1125+300(试验路段1)、K1133+400～K1133+500(试验路段3)、挖方段K1133+200～K1133+300(试验路段2)，作为试验路段进行路基路面的质量评定标准研究，并进行了碎石化前详细的路面使用状况调查、原路面基层顶面回弹模量、不同破碎施工参数下的顶面回弹模量、破碎后基层顶面回弹模量、破碎后粒径与落锤间距的关系试验、路床顶面回弹模量及路基DCP现场测试等。

1) 试验路段1现场调查显示该试验段路面状况整体良好，仅个别板出现断板，其中右幅K1125+165～K1125+180段存在破碎板、局部轻微沉陷现象(见图1)。试验段采用6种施工组合分别对水泥混凝土路面进行碎石化(见图2)，经碾压完成后，选取代表性试验点采用承载板试验方法进行顶面回弹模量测试，并对破碎后基层顶面回弹模量进行测试，结果见表1。

图1 面板破碎情况

图2 水泥混凝土路面碎石化

从现场测试结果来看，碎石化层顶面回弹模量存在较大差别，基层为水稳砂砾的碎石化层顶面回弹模量在111.5～222.9MPa之间，基层为素混凝土的碎石化层顶面回弹模量在233.4～851.2MPa之间，测试结果表明不同施工参数组合、不同路面状况及下承层(基层和路基)类型对碎石化层顶面回弹模量值都有较大的影响，整体来讲测试数据离散性较大。从标准差和变异系数来看，组合2的效果相对较好。

2) 试验路段2现场调查挖方段路面状况整体较好，断板率较低(见图3)；该挖方试验段在试验路段1的基础上，选取与组合2相关的组合，分别为组合1和组合5，所以采用组合1、组合2和组合5这3种施工组合分别对水泥混凝土路面进行碎石化，经碾压完成后，选取代表性试验点进行顶面回弹模量测试，并对破碎后基层顶面回弹模量进行测试，结果见表2。

表1 碎石化试验段顶面回弹模量测试结果

图3 挖方段路面情况

该试验段原路面基层均为素混凝土，碎石化层顶面回弹模量(174.9～489.8MPa)也存在较大的差别，从标准差和变异系数来看其中组合2的变异性要小，优选组合2。

表2 路面碎石化挖方段回弹模量测试结果

3) 试验路段3试验验证，该试验路段路况较差，其中K1133+400～K1133+450右幅面板损坏严重，见连续多处大小不一坑槽，表面松散、冲刷严重，面积在0.5～3.0m2(见图4)。由前一段路面碎石化填方段得到的初步结论，采用组合2(锤高1.2m,落距9cm)对该段填方进行路面碎石化施工及测试，验证该组合的破碎效果。对该段碎石化层顶及开挖后基层顶面回弹模量进行测试，结果见表3。

图4 路面冲刷

表3 路面碎石化填方段回弹模量测试结果

该试验段基层为水稳砂砾，碎石化层回弹模量值为173.2～232.8MPa之间，表中标准差和变异系数都相对较小，路面碎石化效果较理想。

2 加铺结构方案研究

根据以上试验路段的数据显示路面碎石化后层顶回弹模量在111.5～851.2MPa之间，从现场测试数据来看碎石化后层顶回弹模量离散性较大。考虑到原路面结构的复杂性，碎石化后层顶回弹模量离散性较大，在路面设计阶段按最不利状况控制，选取路面碎石化后层顶回弹模量111.5MPa作为路面计算阶段碎石化层顶回弹模量。

对比各种材料的优缺点，在保证路面结构满足使用要求的前提下节约投资规模，结合项目重载车辆比重大的特点，优化设计阶段将施工图设计阶段(见表4)的上面层由细粒式沥青混凝土(AC-13C)调整为具有更好高温稳定性、抗滑性、低噪音、耐久性的沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA-13)，中面层中粒式沥青混凝土(AC-20C)维持不变，下面层由粗粒式沥青混凝土(AC-25C)调整为高温抗车辙性能突出和更为经济的粗粒式沥青稳定碎石(ATB-25)，见表5。路面结构层中各层材料设计参数取值见表6。

表4 原施工图设计阶段路面结构

表5 初步优化后路面结构层

表6 路面结构设计参数

我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50 —2006)[10]规定路面设计弯沉值ld由式(1)确定。

(1)

式中：ld为设计弯沉值，0.01mm;Ne为设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数；Ac为公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；As为面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌沥青碎石、冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1；AB为路面结构类型系数，刚性基层、半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6。若基层由半刚性材料层与柔性材料层组合而成，则AB介于两者之间通过线性内插决定。

该试验路段设计使用年限与累计作用次数：沥青混凝土路面设计使用年限为15a，据工可交通量资料及现场轴载情况调查分析，使用年限内一个车道标准轴载累计作用次数为:设计年限内一个车道上的累计当量标准轴载通行次数为4.26×107次，路面设计交通等级为特重交通等级。根据式(1)可得到沥青路面设计弯沉值为：ld=600×(4.26×107)-0.2×1.0×1.0×1.0=17.9(0.01mm)。

考虑到莲株公路原有路基路面实际使用状况的复杂性，从工程安全的角度，本次路面优化设计过程中碎石化层顶面回弹模量取最不利值(111.5MPa)进行验算，验算过程采用路面结构计算软件(HPDS-2011)进行计算[11]，具体计算结果见图5。

图5 初步优化后的路面弯沉值

从结果数据上来看，虽然结构计算路表弯沉值17.7(0.01mm)小于设计弯沉值17.9(0.01mm)，但是考虑到莲株公路的复杂性、离散性以及原有路面碎石化后的强度不均匀性，为改善碎石化后强度的差异性，将下基层调整为：18cm 5%水泥稳定碎石，路面结构层见表7，计算结果见图6。

表7 调整后的路面结构层

图6 调整后的路面弯沉值

由图6可见，结构计算路表弯沉值17.0(0.01mm)小于设计弯沉值17.9(0.01mm)，依然符合要求。

3 沥青加铺层质量控制研究

路面交工验收时，验收弯沉值la是工程验收的重要指标，它是以不利季节、BZZ-100标准轴载作用下，轮隙中心处实测路表弯沉代表值lr进行评定的。即[12]：

lr≤la

(2)

式中：lr为实测路段的代表弯沉值,0.01mm；la为路表面弯沉检测标准值，0.01mm，按最后确定的路面结构厚度和材料模量计算的路表弯沉值。

实测路面代表弯沉值的检测通常在交工时的不利季节，用标准轴载BZZ-100的汽车实测路表弯沉。检测时，若不是在不利季节进行测定，还应考虑季节修正。对于沥青层厚度小于或等于5cm时，不考虑温度修正，若厚度大于5cm，应进行温度修正。通常以沥青层的温度为20℃作为标准温度，其余不在20℃标准下测得的路表弯沉应作如下修正：

l20=lTK3

(3)

式中：l20为沥青层处于标准温度20℃下的弯沉值,0.01mm；lT为沥青层处于温度T下的弯沉值，0.01mm；K3为温度修正系数。