對舊瀝青路面加鋪混凝土路面設(shè)計的研究及案例分析

張 生

福建省永信交通設(shè)計院有限公司（361022）

1 工程概況

2 舊瀝青路面現(xiàn)狀調(diào)查及評價

為全面了解舊路基路面結(jié)構(gòu)的破損狀況、承載能力和交通狀況等， 設(shè)計前對舊路面進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并進(jìn)行舊瀝青路面檢測及評價，由此提出具體的設(shè)計方案[1]。

2.1 交通量調(diào)查

根據(jù)交通量觀測與分析， 經(jīng)計算當(dāng)設(shè)計軸載ps=100 kN（最重軸載pm=150 kN）時，設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為Ne=786 805 (軸次/車道)，根據(jù)交通荷載分級本路段屬于中等交通荷載等級。

2.2 舊瀝青路面結(jié)構(gòu)調(diào)查與檢測

舊瀝青路基路面結(jié)構(gòu)層經(jīng)詳細(xì)調(diào)查， 其路基路面結(jié)構(gòu)層厚度滿足要求， 舊瀝青路面彎沉采用貝克曼梁（后軸重100 kN 的車輛）檢測，測定結(jié)果本路段代表彎沉值ωO=23.8（0.01 mm），根據(jù)規(guī)范在舊柔性路面上加鋪混凝土面層路基路面綜合回彈模量按式Et=13 739ωO-1.04計算， 經(jīng)過計算并綜合考慮各方面因素路基路面綜合回彈模量Et=500（MPa）。

2.3 舊瀝青路面病害調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查既有路面瀝青老化比較嚴(yán)重， 粗骨料外露，但全線路基比較穩(wěn)固，整體強(qiáng)度較好，路面排水系統(tǒng)較完善，路面比較平整，無出現(xiàn)嚴(yán)重的沉陷、松散路段，舊瀝青路面出現(xiàn)的主要病害為龜裂、部分坑槽與松散。 既有路面情況如圖2 所示。

圖1 既有路面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 路面坑槽、龜裂

2.4 舊瀝青路面評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及舊路檢測結(jié)果，舊瀝青路面整體狀況良好，路面病害比較單一，主要以龜裂、坑槽為主，路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）較差，路面損壞狀況指數(shù)（PCI）相對較好，通過對舊瀝青路面加鋪混凝土路面有效改善平整度，提高路面服務(wù)水平[2]。

3 設(shè)計方案分析

為提高路面結(jié)構(gòu)承載力、 延長路面的使用壽命，提升道路使用功能，提升路面服務(wù)水平，且保證舊瀝青路面的最大化利用，以節(jié)約工程造價，提出新建混凝土路面、加鋪瀝青路面及加鋪混凝土路面三個設(shè)計方案， 經(jīng)分析比較結(jié)合建設(shè)單位意見后，依據(jù)現(xiàn)行 《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D 40—2011）選用如下方案:對舊瀝青路面的坑槽用碎石修補(bǔ)，確保舊瀝青路面平整度后，可不設(shè)置隔離層直接在舊瀝青路面加鋪彎拉強(qiáng)度為4.5 MPa，厚度為22 cm 全幅式水泥混凝土路面。 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖3 所示。

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4 舊瀝青路面加鋪混凝土路面設(shè)計

4.1 加鋪前舊瀝青路面病害處理

本路段舊路路基、路面基本都比較穩(wěn)固、平整，病害相對較少，在舊瀝青路面加鋪水泥混凝土路面前對病害進(jìn)行處理:

1）舊路坑槽部分采用碎石修補(bǔ)平整，再加鋪水泥混凝土面層，以利于加鋪后水泥混凝土面層的受力。

2）對舊路面平整度影響不大的各種龜裂、松散等輕微病害不予處理，直接加鋪水泥混凝土面層。

3）對舊路輕微沉陷且高差相差不大、部分路面承載力彎沉突變等病害不予處理，直接加鋪水泥混凝土面層[3]。

4.2 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以面層板在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在行車荷載和溫度梯度作用下，不產(chǎn)生疲勞斷裂作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；并以最重軸載和最大溫度梯度綜合作用下，不產(chǎn)生極限斷裂作為驗算標(biāo)準(zhǔn)。 其極限狀態(tài)設(shè)計結(jié)果應(yīng)滿足式（1）和式（2）的規(guī)定。

圖3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

式中:γr——可靠度系數(shù)；σpr——行車荷載疲勞應(yīng)力（MPa）;σtr——溫度梯度疲勞應(yīng)力（MPa）;σp,max——最大荷載應(yīng)力 （MPa）；σt,max——最大溫度翹曲應(yīng)力（MPa）；fr——水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）。

4.3 混凝土路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

4.3.1 力學(xué)模型

舊瀝青路面加鋪混凝土面層路面結(jié)構(gòu)分析根據(jù)規(guī)范采用彈性地基單層板模型，混凝土面層板的臨界荷載位于縱縫邊緣中部。

4.3.2 彈性地基單層板荷載應(yīng)力

1）計算普通混凝土面層的彎曲剛度Dc及相對剛度半徑r:

2） 按設(shè)計軸載ps=100 kN 和最重荷載pm=150 kN 分別計算其在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力σps與σpm:

3）計算設(shè)計軸載和最重荷載在面層板臨界荷位處所產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力σpr和最大荷載應(yīng)力σp，max:

式中，按規(guī)范考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)kr=0.87；綜合系數(shù)kc=1.00；疲勞應(yīng)力系數(shù)786 8050.057=2.168 （普通混凝土材料疲勞指數(shù)λ=0.057）。

4.3.3 彈性地基單層板溫度應(yīng)力

1）計算綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)BL:

式中， 普通混凝土板的橫縫間距即板長取L=5.0 m 計算。

2）計算最大溫度梯度時混凝土面層板最大溫度應(yīng)力σt,max：

式中，混凝土線膨脹系數(shù)按規(guī)范粗集料類型為花崗巖取αc=10×10-6/℃， 最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值Tg=86 ℃/m 計算。

3）計算溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)kt:

式中，本項目自然區(qū)劃為Ⅳ區(qū)，回歸系數(shù)按規(guī)范取at=0.841,bt=1.323,ct=0.058。

4）計算在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力σtr:

4.3.4 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核

經(jīng)驗算校核，路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)滿足要求，設(shè)計方案采用在舊瀝青路面直接加鋪22 cm 厚水泥混凝土面層的技術(shù)方案是可行的，可以承受設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計軸載荷載和溫度梯度的綜合疲勞作用，以及最重軸載在最大溫度梯度時的一次極限作用。

5 工程效果評價

本項目通車運營后，路況大為改觀，行車舒適度增加，使用至今已兩年多，從跟蹤調(diào)查情況看，道路路況良好，路面尚未發(fā)現(xiàn)裂縫及沉降，使用效果良好。 現(xiàn)狀路面如圖4 所示:

圖4 道路路況

6 結(jié)語

在舊瀝青路面加鋪混凝土路面，是改造舊瀝青路面行之有效的方法，此設(shè)計方法與新建混凝土路面相比，至少節(jié)省一層基層，節(jié)約造價，而且施工中對一般舊路面病害可不必處理，省掉些工序，直接加鋪，節(jié)省大量時間，有利于在不中斷交通的道路改擴(kuò)建中推廣應(yīng)用，也為在舊瀝青路面加鋪混凝土路面設(shè)計方面提供參考依據(jù)。