淺談“白改黑”路面設(shè)計(jì)
——基于G323 章貢區(qū)梅林大橋至沙石段公路改建工程

丁新慧，劉 振

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

1 舊水泥路面改造技術(shù)概述

目前針對(duì)舊水泥路面的處置方法集中在白改黑、白加黑、挖除新建3 種[1]。

（1）白改黑。“白改黑”即是將舊水泥混凝土路面破碎化作為墊層再加鋪瀝青路面的一種改造方法。碎石化是一種水泥混凝土路面破碎處治技術(shù)，與路面破碎不同之處為碎石化后顆粒粒徑小，力學(xué)模式更趨向于級(jí)配碎石，一般是在水泥混凝土路面使用期末，病害嚴(yán)重時(shí)使用較多。破碎后的處理方式有原位移除與原位利用，但移除的成本高、對(duì)環(huán)境也有不利影響，并且破碎后的水泥混凝土板塊尺寸不一，不可以再用作結(jié)構(gòu)基層或底基層，故一般原位利用的情況比較多。破碎后水泥混凝土路面強(qiáng)度降低，需加鋪結(jié)構(gòu)層。因該方法是對(duì)路面加鋪，需抬高高程，所以適用于對(duì)標(biāo)高限制沒(méi)有很大要求的公路改建。路面破碎化方案施工簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)施工得當(dāng)時(shí)可以有效防止和延緩反射裂縫，但需要選擇合適的機(jī)械進(jìn)行路面破碎，破碎過(guò)程中可能對(duì)周圍建筑物造成一定程度的影響。

（2）白加黑。當(dāng)水泥混凝土板路面檢測(cè)良好、面層結(jié)構(gòu)損壞情況和接縫傳荷能力均為優(yōu)良或中時(shí)，可對(duì)水泥混凝土板存在的裂縫、錯(cuò)臺(tái)、脫空等病害進(jìn)行修復(fù)后，加鋪瀝青層。這種方法造價(jià)少、對(duì)周圍環(huán)境影響小、工期短，但必須對(duì)原水泥混凝土板病害進(jìn)行修復(fù)，否則容易產(chǎn)生反射裂縫。設(shè)置裂縫松弛層、設(shè)計(jì)厚的瀝青混凝土加鋪層、設(shè)置應(yīng)力吸收層等方法可以減少瀝青加鋪層的反射裂縫[2]。

（3）挖除新建。當(dāng)水泥混凝土路面破損較嚴(yán)重時(shí)，可以采取挖除新建的方法。該方法施工時(shí)間短、機(jī)械需求少，但施工工期長(zhǎng)。適用于對(duì)道路標(biāo)高要求很高的路面設(shè)計(jì)。

老路改造方案比選表見(jiàn)表1。

表1 老路改造方案比選表

2 項(xiàng)目概述

G323 國(guó)道是1 條國(guó)家級(jí)主干道。G323 國(guó)道為江西省“十縱十橫”干線公路網(wǎng)中的“第八橫”，是贛州市中心城區(qū)連接周邊鄰省的重要公路通道，是贛州市東西向客貨運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ乐唬彩菧贤ń魇∧喜靠h市，連接周邊鄰省的重要公路通道之一。G323 國(guó)道在贛州市區(qū)域段約230 km。G323 國(guó)道贛州市章貢區(qū)梅林大橋至沙石路口段改建工程，起點(diǎn)位于贛州市章貢區(qū)梅林大橋橋頭，終點(diǎn)位于規(guī)劃沙峰路與和諧大道交叉口，全長(zhǎng)約14.09 km。本工程公路采用60 km/h 設(shè)計(jì)速度，路基寬度為24.5 m。汽車荷載為公路-I 級(jí)。

項(xiàng)目工程地理位置圖見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目工程地理位置圖

3 舊路現(xiàn)狀調(diào)查

3.1 路基現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)老路路基的特定位置進(jìn)行鉆芯取樣，可以分析判斷出原路基和基層土質(zhì)、材料種類及施工質(zhì)量、老路路面結(jié)構(gòu)組成、厚度等。

老路標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見(jiàn)圖2。

圖2 老路標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

該段現(xiàn)狀道路為二級(jí)公路，于2003 年初開(kāi)建，2005 年9 月竣工驗(yàn)收。道路寬度為1.5 m（土路肩）+2.25 m（硬路肩）+7.5 m（行車道）+2.25 m（硬路肩）+1.5 m（土路肩）=15 m,為雙向2 車道。

老路經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)，沉降已基本完成，路基穩(wěn)定，全線基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)局部沉降現(xiàn)象。地形相對(duì)平坦，挖方高度相對(duì)較低，邊坡基本穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)塌方滑坡病害現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)各種路基損壞的分值進(jìn)行匯總，加權(quán)平均計(jì)算，得到路基損壞狀況指數(shù)SCI，見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，上行線方向路基技術(shù)狀況優(yōu)于下行線方向。

表2 路基技術(shù)狀況指數(shù)匯總表

3.2 路面現(xiàn)狀

舊水泥混凝土路面綜合評(píng)價(jià)方式分為路面表觀破損狀況評(píng)價(jià)、路面脫空狀況評(píng)價(jià)、路面板強(qiáng)度狀況評(píng)價(jià)。

路面表觀破損狀況評(píng)價(jià)主要是調(diào)查裂縫、角隅斷裂、交叉裂縫、板塊沉陷、錯(cuò)臺(tái)、坑洞、路表波浪等。在路面調(diào)查時(shí)，需做好詳細(xì)書面記錄。通過(guò)斷板率DBL、路面狀況指數(shù)PCI 等指標(biāo)進(jìn)行分車道評(píng)價(jià)。

路面脫空狀況評(píng)價(jià)肉眼不可見(jiàn)，需借助相應(yīng)的儀器進(jìn)行勘測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)勘探可通過(guò)高頻電磁脈沖遇到不同介電常數(shù)的地質(zhì)界面產(chǎn)生不同反射波，記錄地下地層物體的位置、分布范圍、埋深等參數(shù)。

路面板強(qiáng)度狀況評(píng)價(jià)需通過(guò)對(duì)水泥混凝土板鉆孔取芯，對(duì)芯樣進(jìn)行劈裂試驗(yàn)以確定其抗折強(qiáng)度。取芯樣品應(yīng)包括所有水泥混凝土路面所有情況，包括破損和完好的路面。通過(guò)劈裂試驗(yàn)測(cè)試其劈裂強(qiáng)度，折算成水泥混凝土面板的抗折強(qiáng)度。

老路面結(jié)構(gòu)為：厚25 cm 水泥混凝土面層；厚17 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層；厚18 cm 碎石摻砂墊層。其中起點(diǎn)K128+060 至南方萬(wàn)年青水泥廠K130+500段，除局部出現(xiàn)網(wǎng)裂、裂縫等，大部分路面狀況較好（見(jiàn)圖3）；其余段原路面病害嚴(yán)重（見(jiàn)圖4）。

圖3 起點(diǎn)K128+060 至南方萬(wàn)年青水泥廠K130+500 段路面狀況

圖4 混凝土路面老路現(xiàn)狀

對(duì)老路路面進(jìn)行檢測(cè)，得到的路面狀況評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 老路面狀況評(píng)定表

4 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 交通量組成

（1）根據(jù)工可報(bào)告交通量預(yù)測(cè)結(jié)果，公路運(yùn)營(yíng)期間交通組成及各特征年交通量見(jiàn)表4，特征年各種車型所占比例見(jiàn)表5。

表4 特征年交通量 單位：pcu/d

表5 特征年車型比例（按照絕對(duì)量計(jì)算） 單位：%

（2）瀝青路面以設(shè)計(jì)彎沉值、瀝青層層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，各種軸載換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載P 的當(dāng)量軸次N。計(jì)算式為：

式中：C1為被換算車型的軸數(shù)系數(shù)，當(dāng)軸間距大于或等于3 m 時(shí)，按1 個(gè)單獨(dú)的軸載計(jì)算；當(dāng)軸間距小于3 m 時(shí)，雙軸或多軸的軸數(shù)系數(shù)應(yīng)按公式C1=1+1.2（m-1）計(jì)算，其中m 為軸數(shù)；C2為被換算車型的輪組系數(shù)，單輪組為6.4，雙輪組為1.0，4 輪組為0.38；ni為被換算車型的各級(jí)軸載作用次數(shù)，次/d；P 為標(biāo)準(zhǔn)軸載，kN；Pi為被換算車型的各級(jí)軸載，kN。

（3）瀝青路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)1 根車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次Ne計(jì)算式為：

式中：γ 為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)交通量的年平均增長(zhǎng)率，γ=4.46%；t 為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（a），設(shè)計(jì)道路為次干路時(shí)，取t=15；N1為路面營(yíng)運(yùn)第1 年單向日平均當(dāng)量軸次，次/d，以設(shè)計(jì)彎沉值、瀝青層剪應(yīng)力和瀝青層層底拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)；η 為設(shè)計(jì)車道分布系數(shù)，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017），雙向4 車道η 取值范圍為0.4～0.5，本次計(jì)算中取η=0.45。

交通等級(jí)見(jiàn)表6。

表6 交通等級(jí)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，1 根車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次Ne計(jì)算結(jié)果處于8×106～19×106次之間，對(duì)照表6 可知，所設(shè)計(jì)的交通荷載等級(jí)為重載交通。

4.2 路面結(jié)構(gòu)方案

參照當(dāng)?shù)刈罱藿ǜ叩燃?jí)公路的路面結(jié)構(gòu)，結(jié)合沿線筑路材料供應(yīng)情況，擬訂路面結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)表7。

表7 路面結(jié)構(gòu)方案

綜上，考慮工期要求和改造路面質(zhì)量要求，兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、耐久性等因素，確定采用白改黑方案對(duì)本工程老路段進(jìn)行路面改造。

經(jīng)路面結(jié)構(gòu)計(jì)算，推薦改造路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)表8。

表8 推薦改造路面結(jié)構(gòu)

4.3 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)交通量及其組成和使用要求，考慮當(dāng)?shù)貧夂颉⑺摹⑼临|(zhì)等自然條件，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照全壽命周期成本的理念，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）設(shè)計(jì)彎沉值Ld計(jì)算式為：

式中：Ac為公路等級(jí)系數(shù)，一級(jí)公路為1.0；As為面層類型系數(shù)，瀝青混凝土面層為1.0；Ab為基層類型系數(shù)，半剛性基層瀝青路面為1.0，柔性基層瀝青路面為1.6。

計(jì)算得到路面設(shè)計(jì)彎沉值為21.8（0.01 mm）。

（2）材料的容許拉應(yīng)力σR計(jì)算式為：

式中：σS為瀝青混凝土或半剛性材料的極限劈裂強(qiáng)度，MPa；Ks為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

計(jì)算所得路面結(jié)構(gòu)層容許拉應(yīng)力見(jiàn)表9。

表9 路面結(jié)構(gòu)層容許拉應(yīng)力

（3）改建路面結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算。路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

按設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算設(shè)計(jì)層厚度:LD=21.8（0.01 mm）；H（4）=150 mm；LS=18（0.01 mm）。

由于設(shè)計(jì)層厚度H（4）=Hmin時(shí)，LS≤LD，故彎沉計(jì)算已滿足要求。

最后得到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)贛州當(dāng)?shù)氐墓こ虒?shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮工程造價(jià)、施工方案的可行性、工期的要求以及養(yǎng)護(hù)維修的方便性，結(jié)合沿線涉及的老路路面破損情況，選擇“白改黑”方法不僅可以較好地解決混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層后出現(xiàn)的反射裂縫問(wèn)題，同時(shí)還能改善路面的性能指標(biāo)，施工工期短，不需要全封閉交通、節(jié)約環(huán)保、耐久性好。

（2）老路混凝土路面板碎石化后，不具備稱重能力，僅可以作為級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層使用。通過(guò)路面結(jié)構(gòu)計(jì)算后，可以滿足路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)彎沉值和容許拉應(yīng)力要求。