碎石化技術的適用性研究

摘要 碎石化技術是一種對舊水泥路面進行改造再利用的方法，多錘頭碎石化技術是其中一種，具有施工速度快、對環境和交通影響小等優點。基于此，文章從路面破壞條件、基層、路基、涵洞適用性四個方面分析了多錘頭碎石化技術在舊水泥路面改擴建工程中的適用性問題，并通過試驗驗證了其可行性，旨在為多錘頭碎石化施工提供參考。

關鍵詞 公路工程項目；舊水泥路面；碎石化技術；多錘頭破碎機

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0117-03

0 引言

碎石化技術是通過專用設備破碎舊水泥混凝土面板形成互相嵌鎖、嚙合的高強度粒料層，可有效消除反射裂縫，提高路面承載力。碎石化技術有多種形式，如共振碎石化、多錘頭碎石化、打裂壓穩等，各有其特點和適用范圍。其中多錘頭碎石化技術是通過多個錘頭同時作用于舊水泥混凝土板塊，以高頻低振的方式進行小能量的破碎，使破碎后的碎石層呈現上部粒徑小、下部粒徑大的結構，具有較好的抗彎拉強度和抗剪強度。該文從路面破壞條件、基層適用性、路基適用性和涵洞適用性四個方面進行了分析，并通過試驗驗證了多錘頭碎石化技術的可行性和優越性[1]。

1 應用多錘頭碎石化的路面破壞條件

并非所有舊水泥混凝土路面都適合采用多錘頭碎石化技術，應用這一技術需滿足的條件如下：

（1）路面板斷板率超過15%，平均錯臺量大于4 mm，說明路面已嚴重損壞，需進行碎石化處理。斷板率是指路面板中有裂縫或缺損的比例[2]。

（2）路面出現翻漿、角隅破壞、錯臺等現象，說明路面結構已失效，需進行修補或更換。

（3）利用多錘頭碎石化技術相比其方法的成本更低，如銑刨、拆除、覆蓋等方法[3]。

采用碎石化技術前，需深入調查路基及基層情況，確認是否有裂縫、沉降、變形等問題，如有則需要及時修補加固，避免多錘頭碎石化施工加劇路面破壞。碎石化層可以作為基層或底基層，其表面需鋪設水泥混凝土或瀝青混凝土作為面層，以有效保證路面的平整度和耐久性。另外，如涵洞、橋梁、管線等交通設施地基相對軟弱，使用碎石化技術時需謹慎，避免多錘頭破碎機的沖擊力導致原有設施損壞[4]。

2 多錘頭碎石化對基層的適用性分析

多錘頭破碎機對路面的作用力遠大于車輛荷載，因此，需考慮施工給基層結構穩定帶來的不利影響。

2.1 基層抗彎拉強度試驗

該文采用三分點加載試驗方法對基層的抗彎拉強度進行評價，該方法能更準確地反映基層的抗彎曲性能。制作若干個基層試件，用三分點加載試驗機開展抗彎拉強度試驗，根據試驗數據，利用公式（1）計算了基層試件的抗彎拉強度：

式中，σt——基層試件的抗彎拉強度；P——三分點加載時的最大荷載；l——試件跨度；b——試件寬度；h——試件厚度。

混凝土的抗彎拉強度是反映其抗彎曲性能的重要指標，需用專門試件進行試驗。《公路水泥及水泥混凝土試驗規程》規定了三種不同的試件尺寸，分別是100 mm

×100 mm×400 mm、150 mm×150 mm×550 mm、150 mm

×150 mm×600 mm。采用這三種尺寸中的一種進行抗彎拉強度試驗，以保證試驗規范性。試驗時需根據不同尺寸試件合理調整相應的跨度和荷載[5]。

2.2 基層抗彎拉強度分析

開始多錘頭碎石化施工前先進行基層抗彎拉強度試驗分析，確定該方法是否適用。分析方法包括：

（1）利用有限元軟件模擬多錘頭破碎機對路面的作用，計算出最不利情況下的基層底部拉應力。

（2）采用三分點加載試驗方法，制作并測試基層試件的抗彎拉強度。

（3）通過對拉應力、抗彎拉強度判斷基層的比較分析，確定是否能夠承受多錘頭破碎機的作用，以確定多錘頭破碎技術是否適用。如抗彎拉強度大于計算拉應力，則適用多錘頭破碎技術。

3 多錘頭碎石化對路基的適用性

公路工程中，路基不僅要承受自身重量，還要承受路面和車輛的荷載。因此，路基的力學性能很重要，其中一個重要的指標是土的抗剪強度[6]。

3.1 莫爾-庫倫破壞準則

土體抗剪強度是指試驗中土體發生剪切破壞時的剪應力。土體是否發生剪切破壞取決于土體本身性質以及土體的應力狀態。因此，需要合理的破壞準則來判斷土體是否發生剪切破壞。目前，比較常用的土體破壞準則是莫爾-庫倫破壞準則，該準則認為土體發生剪切破壞時，其主應力之差與主應力之和之間存在一個線性關系。根據這個準則，可以推導出土體的抗剪強度公式和安全系數公式。具體的計算過程見式（2）～（4）：

式中，σ——土體承受的法向應力；φ——土體內摩擦角；τ——土體承受的剪應力；c——土體黏聚力，（砂土土體的c值為0）；σ1——土體第一主應力值；σ3——土體第三主應力值；τf ——土體抗剪強度值（kN/m2）。

3.2 土基抗剪強度試驗分析

在抗剪強度試驗中，通過黏聚力c和內摩擦角φ這兩個指標主要依靠土的室內剪切試驗和土體原位測試來確定。現論述主要的測試儀器和常規試驗方法。抗剪強度是反映土的抗剪切變形能力的重要參數，一般用黏聚力、內摩擦角表示，參數值可通過室內剪切試驗與原位測試確定[7]。

3.2.1 直接剪切試驗

直接剪切試驗是指用直剪儀進行剪切試驗，如圖1所示。直剪儀可測量不同的法向應力下試件的剪應力和剪切變形。逐級施加法向應力，逐漸提升剪應力，直到試件破壞。其試驗數據繪制剪變形關系曲線，如圖2所示。改變法向應力，重復上述過程得到不同法向應力下的試件抗剪強度[8]。基于σ～τ坐標系繪制抗剪強度曲線（即莫爾-庫倫破壞包絡線），如圖3所示。

直接剪切試驗點簡單易操作，設備不復雜。但試件剪應力分布不均勻，排水條件難以控制，剪切面不穩定。

3.2.2 三軸剪切試驗

三軸剪切試驗是用三軸儀進行試件剪切試驗，如圖4所示。

試驗時，為保證試件受到的周圍壓力σ3均勻不變，即使用橡膠膜將試件包裹后，放置在壓力室的底座上，并向壓力室內注水，通過活塞桿向試件施加軸向壓力，直到試件發生破壞。當試件破壞時，活塞桿的壓力為Δσ1，則試件的最大主應力為σ1f =σ3+Δσ1，主應力最小值為σ3f。基于主應力最小值σ3f 和主應力最大值σ1f 繪制莫爾圓。基于莫爾圓可得土基抗剪強度參數c、φ值，制作并測試3～4個試件，重復上述試驗過程，得到不同的莫爾圓[9]。根據土力學原理可求出土的黏聚力c、內摩擦角φ。

3.2.3 大型直剪試驗

大型直剪試驗適用于無法取得原狀試件的情況。大型直剪試驗是將現場取得的大塊土樣置于特制的剪切盒中，沿水平方向施加剪切力，測量其發生剪切破壞時的剪應力和正應力。大型直剪試驗的土樣尺寸較大，且在現場進行試驗，可以更好地反映工程實際情況。

3.3 路基抗剪強度分析

路基模量和荷載應力為45 MPa、37.3 MPa時，通過ABAQUS有限元軟件模擬，計算路基中四種不同工況的應力分布，結果如表1所示。

從表1中可以看出，工況四時路基中的最大主應力、最小主應力的差值最大，達到119 MPa，因此工況四是最不利工況，最容易導致路基破壞。為判斷路基是否能夠承受多錘頭破碎機的作用，需進行路基抗剪強度試驗，測得路基黏聚力和內摩擦角的大小。基于測量數據計算出路基的抗剪強度，比較分析路基抗剪強度與有限元計算得到的工況四下的剪應力，如抗剪強度大于剪應力，說明路基不會發生破壞，多錘頭碎石化技術適用，如抗剪強度小于剪應力，說明路基可能發生破壞，多錘頭碎石化技術不適用[10]。

4 多錘頭碎石化對涵洞的適用性分析

使用多錘頭碎石化時需注意保護涵洞，避免破壞其結構穩定性，為此，需計算分析多錘頭碎石化作用下涵洞的結構應力和結構位移。結構應力是指涵洞受到的內部或外部力所產生的應力；結構位移是指涵洞受力后發生的形變或移動。如結構應力小于涵洞強度，說明涵洞可承受多錘頭破碎機的沖擊；如結構應力大于涵洞強度，說明涵洞可能發生破壞，需采取必要的保護措施。

5 結論

綜上所述，使用多錘頭碎石化技術前應深入調查原路面狀況，確保該技術滿足使用條件，否則可能會造成原路面和周圍環境和設施的不必要破壞，影響工程的安全和質量。如路面狀況不符合使用條件，禁止使用該技術。具體來說，多錘頭碎石化技術的適用性需考慮以下幾個方面：

（1）檢查原路面的破壞程度，確認是否滿足使用條件。原路面板斷板率超過15%，且路面接縫修補超過20%時可使用多錘頭碎石化技術。

（2）檢測原路面下基層、路基的力學性能，確認是否能夠承受多錘頭破碎機的作用。主要測量基層的抗彎拉強度、路基抗剪強度，保證路基抗剪強度大于剪應力。

（3）調查原路面下是否有涵洞等交通設施，分析其結構位移和結構應力。多錘頭破碎機作用下涵洞結構位移、結構應力超過其強度，說明涵洞可能發生破壞。因此，需要計算出涵洞的安全深度，確保多錘頭破碎機不會影響到涵洞結構穩定性。

參考文獻

[1]康榮根. 市政道路共振碎石化的適用性及關鍵問題——以南昌雙港東大街為例[J]. 中國市政工程， 2022（4）： 16-18+118-119.

[2]黃慧， 張仰鵬， 王秋敏. 舊水泥路面碎石化加鋪結構力學響應計算與適用性研究[J]. 西部交通科技， 2021（11）： 37-40.

[3]葉君， 李陽， 段石金. 混凝土路面多錘頭碎石化法強度機理與施工技術研究[J]. 四川水泥， 2021（6）： 212-213.

[4]葛琴. 碎石化技術在公路養護工程中的應用[J]. 交通世界， 2023（Z2）： 44-46.

[5]黃鵬. 多錘頭碎石化技術在水泥路面改建中的應用[J]. 西部交通科技， 2022（10）： 105-107.

[6]于俐婷， 裴建中， 李蕊， 等. 半剛性基層碎石化維修策略及效益研究[C]//中國科學技術協會， 交通運輸部， 中國工程院， 湖北省人民政府. 2022世界交通運輸大會（WTC2022）論文集（公路工程篇）. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2022： 467-472.

[7]陽干平. 水泥路面碎石化技術在公路改造中的應用研究[J]. 西部交通科技， 2022（6）： 100-102.

[8]郭智文. 路面改造項目舊水泥路面多錘頭碎石化技術[J]. 科學技術創新， 2022（7）： 97-100.

[9]黃偉. 共振碎石化技術在公路路面大修施工中的應用[J]. 交通世界， 2021（23）： 39-41.

[10]鐘榕. 共振碎石化技術在路面改造工程中的應用[J]. 交通世界， 2021（30）： 122-123.