淺談水泥混凝土路面破碎板的治理

周武軍 黃元輝

【關鍵詞】板底脫空;破碎板;直接換板;先灌漿后換板

【中圖分類號】U418.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）09-0071-03

0 引言

隨著瀝青混凝土技術的日益成熟和瀝青路面的大量普及，水泥混凝土路面逐漸減少，目前存在的水泥混凝土路面基本是開通運營了10年以上的老路，路面病害較嚴重，具體表現為單塊板多條橫向裂縫、板角斷裂、局部沉降明顯，或多快板出現了連續的縱向裂縫，這些病害不加以處置會嚴重影響行車安全;目前，許多老路改建工程都采用“白加黑”工藝，對路面板及基層的完整有一定要求，因此如何更有效地處理破碎板顯得尤為重要。本文通過北海運營管理中心更換破碎板及其相關工程實例，探討水泥混凝土路面破碎板問題的治理。

1 破碎板成因分析

水泥混凝土路面指主要材料是水泥混凝土作為面層的路面，俗稱混凝土路面，亦稱剛性路面，于1868年由蘇格蘭人首次建造使用，在20世紀20年代末傳入中國。水泥混凝土路面由墊層、基層、面層組成，具有穩定性和耐久性好、強度高、抗滑性能優良等優點。柳北高速合浦至北海段作為20世紀90年代修建的道路，是素混凝土路面，只在橫縫位置設計一排傳力桿，是比較傳統的水泥混凝土路面，其路面病害的發生具有比較廣泛的代表性，下面我們分析造成水泥混凝土板塊破碎的原因。

混凝土板塊破碎的根本原因是承受不住車輛荷載，不是混凝土板的強度不夠，而是很多超重車輛行駛重壓。在過去的20多年里，我國經濟迅猛發展，交通量逐年增大，而且很多超載車輛從高速公路通過，特別是在K550+000～K566+764這段沒有收費站的開放路段，許多超載車輛直接從合浦開往北海，水泥混凝土路面承受不住超載車輛的荷載，導致路面出現很多病害，久而久之發展成破碎板。以北海運營管理中心管轄路段合浦至北海段水泥混凝土路面為例，混凝土標號為C40，路面板厚26 cm，水穩層厚18 cm，級配碎石層厚16 cm，按照當初的設計規范可以計算出水泥混凝土板塊的極限承載力，計算過程如下[1]。

（1）板底地基綜合回彈模量計算。

α=0.26Ln（h0）+0.86=0.26×Ln（0.16）+0.86=0.384

Et=（ ）αE0=（ ）0.384×80=123.91 MPa

（2）混凝土板的彎曲剛度計算。

Dc= = =46.4 MN·m

（3）水穩層的彎曲剛度計算。

Db= = =1.013 MN·m

（4）路面結構總相對半徑計算。

rg=1.21? ?=1.21? ?=0.878 m

（5）極限軸載應力計算。

σpmax= r? h? P? = ×0.8780.65×0.26-2P? =0.019 3P

（6）溫度應力計算：最大溫度梯度取86 ℃/m。

kn= （ + ）-1= （ + ）-1

=5 081.96 MPa/m

rβ=? =

=0.118 m

ξ=- =-

=0.190

t= = =1.71

CL=1-（ ） =1-

=0.887

BL=1.77e ×CL-0.131（1-CL）=0.475

σtmax= BL= ×0.475=1.81 MPa

其中，面層厚度hc=0.26 m，水穩厚度hb=0.18 m，級配碎石厚度hx=0.16 m，面層泊松比vc=0.15，水穩泊松比vb=0.20，面層彎拉彈性模量Ec=31 000 MPa，水穩彈性模量Eb=2 000 MPa，級配碎石彈性模量Ex=250 MPa。根據設計規范，水泥混凝土路面結構設計應以面層板在設計基準期內在行車荷載及溫度梯度的綜合作用下不產生疲勞斷裂作為設計標準，并以最重軸載和最大溫度應力作用下不產生極限斷裂作為驗算標準，具體表現形式如下：

γr（σpr+σtr）≤fr

γr（σp，max+σt，max）≤fr

其中，fr為水泥混凝土彎拉強度標準值，γr為水泥混凝土路面彎拉強度計算系數，取1.14[1]。根據上述極限軸載應力計算過程和水泥混凝土路面結構設計驗算標準，最后得到不同荷載下水泥混凝土板塊的極限彎拉應力（見表1）。

從表1中可看出，在軸載達到180 kN時，極限彎拉應力為4.96 MPa，即將達到水泥混凝土彎拉強度標準值。也就是說，當軸載超過180 kN時，可以認為水泥混凝土已經產生極限斷裂，路面板開始產生明顯裂縫并最終形成破碎板，影響路面使用性能和行車安全[2]。

板底脫空也是加速混凝土板塊破碎的一大因素。所謂板底脫空是指水泥混凝土路面在正常使用后，受交通荷載和環境因素的影響，會逐漸在板塊和基層之間產生局部空隙，這種空隙就叫作板底脫空（如圖1所示）[3]。

板底脫空現象較為常見且分布廣泛，脫空的出現對水泥混凝土路面板的受力非常不利，它改變了路面的力學結構，使原有的彈性路基上的彈性薄板受力形式不復存在，取而代之的是一種類似于懸臂梁或簡支梁的受力模式（如圖2所示）。

從圖2中可以看到，混凝土板塊沒有脫空前是與地基整體受力的，主要承受荷載產生的壓應力，當板底脫空后變成簡支或懸臂形式，主要承受荷載產生的彎拉應力，而混凝土板的抗彎拉強度遠遠低于抗壓強度，所以脫空后的路面會很快產生裂縫甚至發展成為破碎板[4];脫空一般都是在板中央或者板角及板邊產生，因此板塊的裂縫一般都是在混凝土板的1/2至1/3處，此處的彎拉應力是最大的，此時路面板一般就會在這些位置產生裂紋甚至破碎，若不及時采取相應的措施處治產生裂縫的板塊，在雨水滲入和行車荷載的反復作用下，導致脫空范圍進一步擴大，路面板更容易破碎，嚴重影響行車安全和路面板的使用壽命。

2 直接換板和先灌漿后換板的成果比較及分析

柳北高速合浦至北海段K500+000～K566+764上行線于2015—2016年兩年間更換了很多破碎板，也對很多板塊實施灌漿補強工程，灌漿補強的鉆孔孔徑為φ45 mm，鉆孔深度不少于2.5 m，采用雙液化學灌漿技術。下面通過數據的分析對比換板的效果。

2015年共計更換破碎板9 370.35 m2，灌漿補強2 333.25 m2，其中先灌漿后換板2 333.25 m2，直接換板7 037.10 m2，根據后期調查統計，質保期滿后直接換板斷板917.99 m2，先灌漿后換板斷板210.46 m2，斷板率對比如圖3所示。

2016年共計更換破碎板9 202.93 m2，灌漿補強6 182.79 m2，其中先灌漿后換板2 314.12 m2，直接換板6 888.81 m2，根據后期調查統計，質保期滿后直接換板斷板229.40 m2，先灌漿后換板斷板57.39 m2，斷板率對比如圖4所示。

對比2015—2016年直接換板和先灌漿后換板質保期滿斷板率可以發現，直接換板的斷板率要明顯高于先灌漿后換板的，這是因為灌漿后，會把板底及基層脫空的部位填充密實，讓其恢復到原先與地基均勻承受荷載的狀態，即抗壓狀態，這時候混凝土強大的抗壓能力就能表現出來，板塊只有承受超過混凝土抗壓強度標準值時的荷載才會產生破壞，遠遠大于達到極限彎拉強度時導致的破壞。

3 換板的若干建議

在路面使用過程中完全使板底和基層填充密實是不切實際的，只能盡可能地讓它們的脫空范圍變小。通過先灌漿后換板工程能夠很好地填充密實板底及基層下面的空隙，改善面板和基層之間的聯系，使其重新結合成為一個整體，一起承受車輛荷載，大大提升了路面的使用性能和行車舒適性。此外，要對水泥混凝土路面進行預防性養護，比如在發現板底脫空現象后（唧泥嚴重路段），要在其發展成破碎板前及時對該路段進行板底灌漿，確保脫空得到有效治理并不再進一步擴散，這樣有利于提高路面的使用壽命。

4 結語

本文通過對柳北高速合浦至北海段水泥混凝土路面更換破碎板工程的數據統計及研究，分析了路面板破碎的成因并對換板提出了若干建議，希望對以后的水泥混凝土路面的養護有幫助。

參 考 文 獻

[1]JTGD 40—2011，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[2]鄧學鈞.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3]陳拴發.水泥混凝土路面瀝青加鋪層設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]趙隊家.重載交通水泥混凝土路面結構設計[M].北京：人民教育出版社，2012.