新型雙層CRCP結構及在城市道路中的應用

李盛，楊帆，劉萌，陳尚武

(長沙理工大學 公路養護技術國家工程實驗室，湖南 長沙，410114)

水泥路面一般需設置接縫，以解決混凝土板的熱脹冷縮等問題，但由于水的沖刷和行車作用，水泥路面的接縫和板角處易產生脫空、唧泥、錯臺、斷板等病害[1]，在多雨地區的城市道路中這種現象十分嚴重，極大影響了水泥路面的使用壽命和品質?？紤]到瀝青路面早期病害較多，使用壽命常低于設計年限[2]，且設計年限一般僅為水泥路面壽命的一半。相較于瀝青路面，若能解決水泥路面存在的問題，充分發揮其長壽命的特點并少進行維修，則將產生顯著的社會與經濟效益，因此，有必要研發一種新型的水泥混凝土路面結構。雙層連續配筋混凝土路面(CRCP)是一種通過將適量的鋼筋分2層合理布置在普通水泥混凝土面板中的路面結構，具有較強的承載能力[3-5]，還可利用上層鋼筋實現少設或不設接縫，并通過上層鋼筋來控制橫向裂縫寬度，防止雨水入滲；利用下層鋼筋防止板底脫空后出現斷板現象。目前，我國已有較多單層CRCP的相關研究和工程應用，但關于雙層CRCP結構及工程應用方面的研究還很少，為此，本文作者開展雙層CRCP結構的研發和應用技術研究。

1 路面結構組合設計及研發

路面結構組合設計及研發的主要目標是有效解決因水系豐富或排水不暢導致的水泥路面早期損壞嚴重的問題，且少設接縫，減少水的入滲和接縫易損壞的問題，并具有較強的抗沖刷能力和承載能力。

1.1 新型路面結構組合設計

設計的雙層CRCP新結構從上至下為：設有雙層縱橫向連續鋼筋及支座的水泥混凝土面板，厚度為20～30 cm；厚度為4 cm的細型密級配瀝青混凝土夾層；貧混凝土上基層，厚度為20～30 cm；瀝青碎石下基層，厚度為9～18 cm，也可用厚度為15 cm的級配碎石替代；級配碎石層，厚度為20～30 cm；在面層板上每隔150 m設1條橫向接縫，在井蓋處設橫穿井蓋的預切縫。其中，設置瀝青混凝土夾層主要用于解決面板和上基層板在溫度變化下的不協調變形問題，起緩沖上下板因溫縮和平縮產生變形的作用。夾層厚度結合現行規范要求確定[6]。路面結構示意圖如圖1所示。

1.2 新型路面結構的疲勞壽命

擬定連續配筋混凝土面板厚度hc=20 cm，面板彈性模量Ec=31 GPa，泊松比vc=0.15，線膨脹系數αc=10×10-6/℃；瀝青混凝土夾層厚度為 4 cm，貧混凝土上基層厚度hb=30 cm，瀝青混凝土夾層彈性模量Eb=27 GPa，泊松比vb=0.15；下基層和墊層均采用級配碎石，厚度分別為15 cm和20 cm，彈性模量Ed=300 MPa，泊松比vd=0.35；路床頂面綜合回彈模量取70 MPa，當量設計軸載累計作用次數取Ne=4×107次。

根據現行 JTG D40—2011“公路水泥混凝土路面設計規范”[6](以下簡稱“規范”)中式(B.2.4)計算板底地基綜合回彈模量Et，為133.18 MPa。

按“規范”中式(B.2.2-3)計算面層板的彎曲剛度Dc，按式(B.6.3-1)計算上基層彎曲剛度Db，按式(B.4.1-3)計算路面結構總相對半徑rg：

按“規范”中式(B.4.1)計算標準軸載在臨界荷位處產生的荷載應力σps為

按“規范”中式(B.2.1)計算面板的荷載疲勞應力為

其中：應力折減系數kr=0.87(“規范”中B.2.1條)；綜合系數kc=1.15(“規范”中表B.2.1)；疲勞應力系數kf根據“規范”中式(B.2.3-1)計算，

水泥混凝土路面結構目前常用水泥穩定類基層，在造價基本等同的情況下，需用厚度為40 cm的水泥穩定類基層替換上述實例中的貧混凝土基層。計算面板荷載疲勞應力為3.40 MPa，所以，即使不考慮鋼筋的影響(“規范”中公式無法計算有鋼筋路面結構的疲勞應力)，新型路面結構仍比目前常用水泥路面結構的荷載疲勞應力小52%。所以，新型路面結構既使從下至上結構層的剛度遞增，又大大提高了高路面結構的疲勞壽命。

2 新型路面結構的特征

研發的路面結構既針對多雨地區道路積水嚴重、地下水位高等特點，有足夠強的抗沖刷能力，各結構層又體現出剛度遞增的規律，能有效提高路面結構的使用壽命。此外，新型路面結構在鋼筋和接縫設置上還具有自身的特征和優勢。

2.1 鋼筋設置的優勢及針對性

新型路面結構中的縱向鋼筋距面板頂面距離不小于9 cm且不大于1/2板厚；下層連續的縱橫向鋼筋中橫向鋼筋距面板底面的距離為3～5 cm，縱向鋼筋置于橫向鋼筋上；鋼筋均采用熱軋帶肋鋼筋，鋼筋通過鋼絲束綁扎完成連接并置于支座上，如圖2所示。

圖2 鋼筋設置局部示意圖Fig.2 Partial schematic of reinforcement

鋼筋分上、下2層：上層連續的縱向鋼筋主要用于約束水泥混凝土面板的開裂，使水泥混凝土面板由溫縮和干縮產生的裂紋縫隙寬度的平均值控制在0.5 mm以內，且上層不設橫向鋼筋，有利于水泥混凝土的振搗密實；下層設連續的縱橫向鋼筋主要是考慮多雨地區水泥混凝土路面易出現板底脫空或路基沉陷等病害，進而在行車作用下使面層板下部受到一定的拉應力，而水泥混凝土板抗彎拉強度較小，下層連續的縱橫向鋼筋可有效提升水泥混凝土面層板的抗彎拉能力，大大降低水泥混凝土面板出現斷板的概率；鋼筋支座的設置可減少支座上方縱橫向連續鋼筋的翹曲變形。

2.2 接縫設置方式

2.2.1 橫向接縫的設置方式

近年來，我國不少地區開始嘗試修筑連續配筋混凝土路面，該路面結構可以少設或不設接縫，減少水的入滲和接縫易損壞的問題，但已有的修筑實踐表明少設或不設橫向接縫一般會出現較多的橫向裂紋，基本上每1.0～2.0 m出現1條，且少數橫向裂紋的縫隙寬度較大，會產生滲水問題，甚至會出現啃邊、破碎等病害，所以，有必要研發適用于連續配筋混凝土路面結構的接縫及施工方法，解決連續配筋混凝土路面接縫設置存在的問題，提高行車安全性和舒適性。

橫向接縫每隔150 m設1條，寬度為1.0～1.5 cm，分上部和下部，其中上部橫向接縫深度為5.0～8.0 cm，采用硅酮膠填充，上部橫向接縫兩側8～15 cm范圍內采用環氧砂漿澆筑，下部橫向接縫采用聚乙烯閉孔泡沫填縫板填充，縱向鋼筋橫穿填縫板，如圖3所示。

圖3 橫向接縫示意圖Fig.3 Diagram of transverse joint

橫向接縫每隔150 m設1條，寬度為1.0～1.5 cm，可在2條橫向接縫之間減少橫向裂紋20～30條，進一步減小了水的入滲和裂紋處易出現病害的程度。與傳統橫向接縫相比，新結構的橫向接縫設置在由環氧砂漿澆筑的槽中心，由于環氧砂漿強度高，有效解決了接縫處易出現啃邊的問題。上述橫向接縫的另一顯著優勢是與路面結構中設置的連續鋼筋有效結合，橫向接縫處繼續保持上、下2層縱向鋼筋的連續性。現有工程中橫向接縫都是設置 50 cm長的縱向傳力桿鋼筋，接縫處的鋼筋不連續且短，接縫處鋼筋及其周圍的水泥混凝土容易損壞，加上水的沖刷，橫向接縫處會出現脫空、錯臺、斷板等病害，新結構的橫向接縫可以有效解決這些問題。在城市道路中橫向接縫還包括橫穿井蓋的預切縫，深度為 3～4 cm，寬度為 3～5 mm，采用硅酮膠填充。

2.2.2 縱向施工縫的設置方式

縱向施工縫設置在道路中線位置或行車道與硬路肩之間，深度貫穿整個水泥混凝土面板厚度。具體施工及設置方式如下：待行車道或半幅水泥混凝土面層澆筑完成后，對縱向施工縫處的水泥混凝土進行鑿毛處理，再將預留的長度為60 cm和20 cm長短交錯布置的橫向鋼筋與硬路肩或另半幅路面的橫向鋼筋用直螺紋套筒連接，澆筑硬路肩或另半幅水泥混凝土路面?？v向施工縫處的橫向鋼筋設置局部示意圖如圖4所示。

圖4 縱向施工縫處的橫向鋼筋設置局部示意圖Fig.4 Partial schematic of transverse reinforced at longitudinal construction joints

縱向施工縫設置的主要特征及優勢是預留的橫向鋼筋長短交錯布置且與另半幅路面的橫向鋼筋連接，既保持了接縫處鋼筋的連續，又因鋼筋長短交錯布置起到了剪力鋼筋的作用，可有效減少接縫兩側板的差異變形。

2.3 經濟效益與社會效益

新型路面結構中雙層連續鋼筋上層不設橫向鋼筋，與已有的雙層連續配筋混凝土路面相比節約 1/4的鋼筋用量，可大大節約修筑成本；與普通水泥混凝土路面結構相比，由于設置了雙層連續鋼筋，研發的路面結構前期投資成本約增加25%，但可以有效解決現有水泥混凝土路面結構應用于城市道路時易產生的脫空、唧泥、錯臺、斷板等病害的問題，使用壽命可大大提高，也可有效解決現有連續配筋混凝土路面結構橫向裂紋多、接縫易出現病害的問題。

新型路面結構因接縫和病害少，行車舒適性及安全性將大幅度提高，養護費用及年度分攤的改建成本也大大減少，可減少路面損壞對社會造成的不良影響，也可解決城市道路經常因路面損壞及養護維修造成交通中斷或擁堵甚至引發交通事故的問題，具有良好的社會效益與經濟效益。

3 新型路面結構的適用性及工程應用

目前，城市道路普遍存在排水不暢、路表與路面結構內部積水嚴重的問題，加之由城市熱島效應等因素引發的特大暴雨等極端氣候事件頻現，大中城市經常出現內澇，水的存在和行車作用使路面結構受到嚴重沖刷，極大地影響路面結構的整體強度和穩定性[7]。此外，很多大中城市布局有重型機械或加工制造企業，周邊重載車輛較多，或因城市建設大型渣土車、材料運輸車等經常出現在道路上，這些車輛對路面結構的承載能力要求較高，瀝青路面往往不能滿足重載交通的要求，需要修筑承載能力更好的普通水泥混凝土路面或連續配筋混凝土路面。

3.1 雙層連續配筋的適用性

3.1.1 模型建立及驗證

已有研究[8]通過傅里葉變換法等數學理論，結合復合材料層力學理論，得出了溫克勒地基上荷載作用下CRCP板的應力與位移的解析解。采用文獻[8]中的實例，通過ABAQUS有限元軟件建模與計算[9-11]，分析板寬方向混凝土板豎向位移與解析解的相關性，結果如圖5所示。

圖5 板寬方向豎向位移的變化規律Fig.5 Variations of vertical displacement in slab width direction

從圖5可知有限元仿真計算結果與解析解的變化趨勢都比較吻合，表明建立的CRCP結構有限元計算模型是可靠的。

為探究雙層CRCP在城市道路中的適用性，分析素水泥混凝土路面、單層CRCP與雙層CRCP在不良地基與板底脫空不利狀況下的力學響應情況。3種路面結構的計算模型中，擬定水泥混凝土面板的厚度為28 cm；基層為常用的水泥穩定碎石，厚度為30 cm，彈性模量為2 100 MPa，泊松比為0.2；因橫向鋼筋為架立筋，模型中主要考慮縱向鋼筋，其直徑取20 mm，單層CRCP鋼筋間距為16 cm，雙層為32 cm，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3；選擇“Tie”的方式對面板與基層之間的接觸進行約束。

3.1.2 不利狀況下的力適用性分析

不良地基對水泥混凝土路面的使用壽命影響較大。在仿真計算中，通過改變土基模量來模擬地基的變化情況，計算面板最大豎向位移與土基模量的關系，結果如圖6所示。

圖6 最大豎向位移與土基模量的關系Fig.6 Relationship between the maximum vertical displacement and soil-based modulus

從圖6可見：鋼筋的加入可以減小混凝土面板的最大豎向位移，在鋼筋數量相同的情況下，當土基回彈模量從100 MPa變化至80 MPa過程中，雙層CRCP最大豎向位移的增加量比單層 CRCP的增加量減小3.93%，說明雙層 CRCP在土基回彈模量下降時更具適用性。

板底脫空是所有水泥路面在運營階段常見且很難避免的病害[12]，會加速路面出現開裂、斷板等破壞，城市道路中水泥路面的板底脫空與雨水沖刷有較大的相關性。在仿真分析中，通過在板底與基層表面之間設置規則的空隙，實現對脫空區域的模擬。在同等脫空條件下，3種路面結構的最大豎向位移如圖7所示。

從圖7可見：鋼筋的加入可以減少板的最大豎向位移，在鋼筋數量相同的情況下，雙層CRCP在脫空時比未脫空時最大豎向位移的增加量較單層CRCP的增加量少6.84%，說明雙層CRCP在板底脫空時更具優勢。

圖7 最大豎向位移與脫空情況的關系Fig.7 Relationship between the maximum vertical displacement and void under slab

3.2 工程應用及關鍵指標檢測

武漢青王公路和青山21號公路在改造過程中，考慮到這2條公路是武鋼集團原材料與成品的重要輸出通道以及武漢城市存在嚴重內澇等因素，采用雙層連續配筋混凝土路面結構，且在基層類型選擇、井蓋處預切縫的設置以及運營早期的接縫修復等方面應用上述新型路面結構的技術特征，取得了較好效果。本文作者也對實體工程(武漢青王公路東湖段)的關鍵技術狀況指標進行了檢測。

3.2.1 橫向裂縫的檢測情況

橫向裂縫的間距和寬度是連續配筋混凝土路面的關鍵指標[13-16]，為此，先后對實體工程的橫向裂縫進行3次檢測，其中最能有效反映橫向裂縫特征的是在實體工程完工且經歷1個冬天后的檢測結果，如表1所示。

從表1可見：裂縫的最大寬度為0.960 mm，平均寬度為0.415；平均裂縫間距為2.178 m。橫向裂縫間距和寬度的平均值均滿足規范[17]要求。

3.2.2 平整度的觀測情況

平整度是CRCP設計的1個重要控制指標[18]，也可以反映CRCP的施工工藝水平。在實體工程中，由于面層為雙層鋼筋網，且上層鋼筋離面板頂面只有7 cm，這種鋼筋埋置深度較小的結構會給施工帶來許多困難，容易造成路面平整度不滿足要求，因此，有必要對平整度進行檢測。

用 3 m直尺對實體工程行車道的平整度進行檢測，檢測結果如圖8所示。

從圖8可見：最大間隙平均值為2.3 mm，標準差計算值為0.7，滿足最大間隙平均值不超過3.0 mm、標準差計算值不超過1.2的設計要求。

表1 橫向裂縫檢測結果Table 1 Test results of transverse cracks

圖8 行車道平整度檢測結果統計Fig.8 Test result statistics of traffic lane flatness

4 結論

1)研發了雙層 CRCP結構，上基層采用貧混凝土，下基層采用瀝青碎石或級配碎石，基層和面板之間設細型瀝青混凝土夾層。

2)面板設上下兩層連續鋼筋，通過支座固定，其中上層只設縱向鋼筋，距面板頂面不小于9 cm且不大于1/2板厚，下層設縱橫向鋼筋，橫向鋼筋在下且距面板底面的距離為3～5 cm。

3)研發了適用于雙層 CRCP新結構的接縫及施工方法，保持了接縫處鋼筋的連續，有效解決了現有接縫易出現滲水、啃邊、破碎等病害的問題。

4)雙層 CRCP結構在不良地基與板底脫空不利狀況下，與素水泥混凝土路面、單層CRCP相比有一定的優勢；新型路面結構的部分技術特征已在實體工程中得到了應用，且橫向裂縫及平整度等關鍵技術指標滿足要求，可為雙層連續配筋混凝土路面的合理設計提供參考。