舊混凝土公路路基與路面改造方案設計

王 麟

(哈爾濱華龍公路工程設計有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

在交通運輸行業快速發展的背景下,公路交通量與運輸量的提高對公路路基與路面產生了一定的影響[1],容易出現路面結構破損以及路基抗壓能力、承載能力下降的問題,存在較大的安全風險與隱患[2]。對舊混凝土公路路面進行改造能夠有效地提升公路的使用性能與使用壽命,為車輛的行駛與人們的出行提供安全保障[3]。傳統的舊混凝土公路改造方法在實際應用過程中,不僅需要消耗大量的人力與物力資源,并且由于未能對原有的路面結構進行彎沉值計算,導致瀝青加鋪層不能夠滿足實際應用需求,因此改造后的公路路面容易出現開裂現象,改造效果較差[4]。為了解決傳統舊混凝土公路改造方法的不足,結合高州市大唐荔鄉田園綜合體核心區內道路改造工程,計算舊混凝土公路路面結構的彎沉值,并對瀝青加鋪層進行設計,完成了新的公路路基與路面改造方案的設計。

1 工程概況

試驗工程項目屬于高州市大唐荔鄉田園綜合體試點項目的其中一個,項目位于高州市根子鎮大唐荔鄉田園綜合體景區內。其中主線起點位于山閣收費站附近的鄉道,終點接省道S282(舊縣道X617);路線途徑柏橋村委會、茅坡村委會、橋頭、三丫塘、元壩村委會等地,由于長期的交通運輸壓力,導致該路段病害逐年增加,路面結構出現破損。

該公路路面破損嚴重,且路基的抗壓能力出現下降趨勢,逐漸無法滿足該地區車輛安全行駛的需求。除此之外,受到地理位置與氣候條件的影響,該公路出現凍脹、翻漿等病害,嚴重降低了公路路基與路面的強度。因此,政府決定對該路段路面改造。

為了實施改造需要對該公路原有路面結構進行深入分析,獲取舊路面結構的組成,如表1所示。

表1 高州市大唐荔鄉田園綜合體核心區內道路改造工程路面結構組成

由表1可知,該公路路面板厚相對來說較薄,導致路面抗壓能力較差,無法滿足該地區交通量的需求,長期承受較大的荷載作用,公路路面會出現斷板的情況,嚴重時導致路面大面積出現破損。

掌握改造工程具體情況與病害特征后,對該項目改造方案展開設計。

2 舊混凝土路面改造方案設計

2.1 計算路面結構彎沉值

在設計舊混凝土公路路面改造方案之前,對舊混凝土公路的實際運行情況與特征進行深入分析,獲取公路路基與路面結構的相關信息。依據公路交通等級,確定公路路面的基層類型,設置公路各結構層為基礎層,采用落錘式彎沉儀,測定公路頂面的回彈模量,在此基礎上,計算舊混凝土公路路面結構彎沉值的公式為

(1)

式中:la為舊混凝土公路路面結構的彎沉值,mm;p為舊混凝土公路路面結構的強度值,N/m2;δ為舊混凝土公路路面的回彈模量,MPa;l0為舊混凝土公路路面結構的初始彎沉值,mm;m為舊混凝土公路路面結構的彎沉系數。

通過計算舊混凝土公路路面結構的彎沉值,確定路面的力學參數,結合荷載作用原理,采用Ansys軟件建立舊混凝土公路二維平面模型,將各項力學參數作為輸入層,輸入到模型中,深入分析公路路基與路面結構層的彎沉情況,判斷公路基層對路面板承載力的影響程度[5]。使用貝克曼梁彎沉儀,連續檢測舊混凝土公路路基與路面的回彈彎沉,在路面板塊的板角位置處布設彎沉測點,控制測點與路面橫縫距離為30 cm,彎沉測點的布設如圖1所示。

圖1 彎沉測點布設圖

按照圖1的測點布設方式,實時監測舊混凝土公路路基與路面的彎沉變化情況,并計算路面結構對應的彎沉平均值與彎沉代表值,計算公式分別為

(2)

Wu=W+PA·S

(3)

式中:W為舊混凝土公路路面結構彎沉平均值,mm;Wu為舊混凝土公路路面結構彎沉代表值,mm;Wi為彎沉測點測定的回彈彎沉值,mm;A為彎沉儀讀數,mm;PA為舊混凝土公路路面結構保證率系數,%;S為舊混凝土公路路面結構回彈彎沉的標準值,mm。

通過計算舊混凝土路面結構對應的動態彎沉平均值與代表值,為舊混凝土公路路基與路面的改造提供動態數據支持。

2.2 設計混凝土路面瀝青加鋪層

在彎沉值計算結束后,接下來設計混凝土路面的瀝青加鋪層。首先對公路路基與路面進行反射裂縫測試,獲取舊混凝土路面的本質特征,在此基礎上,選取骨架型結構且質地較硬的SBS改性瀝青材料,作為瀝青加鋪層的原材料,對其配合比進行全方位的設計。

首先,確定瀝青加鋪層混合料的級配,瀝青材料由于集料的級配不同,其形成的加鋪層結構存在一定的差異。綜合考慮舊路改造的實際特點,采用AC-16C型級配作為公路路基與路面改造加鋪層瀝青混合料的目標級配。級配設計結束后,對舊路基層結構的最優厚度進行深入分析,因其對路面整體性能的影響相對較大。采用PADS軟件,測定舊混凝土公路路基結構的厚度,并對比公路路基拉應變力的數值,判斷公路路基結構的使用狀況。對舊混凝土公路施加垂直荷載,垂直荷載不斷增加,測定公路基層底部的拉應變力,得出公路拉應變力的差距。

在獲取到舊混凝土公路拉應變力的差距后,采用不同級配的瀝青混合料,能夠有效地提升瀝青加鋪層的使用性能與結構的穩定性能。為了提高舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層的質量,在鋪設前,按照篩孔設計瀝青混凝土礦料級配通過率范圍,對石料進行篩分處理,如表2所示。

表2 瀝青混凝土礦料級配通過率范圍

在表2基礎上,確定瀝青加鋪層的最佳油石比,并采用彈性連續體系理念與五邊形沖擊技術,確定舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層的結構,計算瀝青加鋪層混合料動穩定度的公式為

(4)

式中:Dr為舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層混合料的動穩定度,次/mm;ta、tb分別為瀝青加鋪層鋪設時間,min;dx為舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層初始變形量,mm;dy為舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層最終變形量,mm;N為車輛行駛的往返速度,km/h。

通過計算,獲取瀝青加鋪層混合料的動穩定度,為提高公路路基與路面的穩定性與抗壓能力提供保障。

在此基礎上,采用公路路基與路面相關的檢驗方法,確定舊混凝土公路施工路段,檢驗舊混凝土公路的破碎坑,獲取破碎坑所在位置的信息與各項指標。利用壓實機壓實處理舊混凝土公路的破碎面,壓實后在破碎面上噴灑一層透層油,并均勻鋪筑碎石基層,提高舊混凝土公路路基與路面結構的穩定性與牢固性。綜合考慮公路瀝青加鋪層的各項參數指標,檢驗參數指標是否達到規定的強度要求。檢驗合格后,清除舊混凝土公路路面的瀝青罩面層,布設相關標志。標志布設完畢后,檢測混凝土公路路面的裂縫與短板情況,判斷公路路基與路面板體是否完整,有無沉陷病害,若存在病害,則采取病板挖除的方法處理板體病害,換填穩定粒料,完成舊混凝土公路路基與路面瀝青加鋪層設計。

2.3 新舊混凝土公路拼接處理

接下來對新舊混凝土公路路基與路面進行拼接處理,提高新舊混凝土公路的銜接性,降低路基銜接不均勻造成沉降的可能性。

首先,依據公路路基與路面改造工程的相關文件,采集施工現場的地質數據與水文資料,對公路拼接處理的施工難度作出精確評估,并制定公路拼接施工方案。選取與混凝土公路結構匹配度較高的軟基處理方法,擴建公路路基,采用就地固化的處理方式,控制軟基土層底埋深不超過3 m。全面調查并實時記錄舊混凝土公路施工路段的地下結構物,例如地下管線的布設情況、路基邊緣外結構物型式與所處位置等。在此基礎上,檢查驗收新舊混凝土公路路面基層的分項工程,并開展拼接測量放樣工作。根據新舊混凝土拼接處理的實際情況與拼接特征,選取透水性較好的基層換填材料。在原則上,選取與舊混凝土公路原基層材料相同的材料進行換填,在路基與路面填方面積較小時,可以選用采購成本相對較低的填料,降低填料要求。在新舊混凝土公路拼接路段兩側,分別設置橫向與縱向盲溝,及時排出處理產生的積水,提高拼接施工的質量。公路路基與路面拼接過程中,從兩側逐漸向中間順序進行,控制新舊公路相鄰拼接面的拼接寬度≥11.5 cm,使乳化瀝青貫入的效果達到最佳。及時清理拼接填縫的雜質及脹縫材料,保證拼接處理的質量。

在拼接處理結束后,檢測公路路面結構狀況,獲取舊路基與路面改造后的面層厚度與強度,計算改造后路面的破損率的公式為

(5)

式中:E為改造后公路路面破損率,%;mt為路面損壞面積,m2;ta為路面損壞權重;U為舊混凝土公路整體路面面積,m2。

計算改造后路面的破損率,對舊混凝土公路路基與路面改造方案的應用效果作出評價。

3 驗證分析

為了驗證改造方案的應用效果,對改造后的公路路面結構承載能力進行測試。在此基礎上,對該路段路面當前的破損狀況進行動態評價,設置路面狀況指數為評價該路段公路路面破損的指標,計算公式分別為

(6)

Tac=LacYacUac

(7)

式中:M為該路段公路路面狀況指數;Tac為路面a種病害和c種輕重程度的扣分值;Wac為路面同時出現多種破損時,病害扣分值的修正系數;Lac為路面破損板塊數占總板塊數的比例;Yac、Uac分別為路面結構破損程度系數。

通過計算,獲取該路段公路路面的狀況指數,反映路面結構的破損程度與特征。在此基礎上,有針對性地對破損公路路基與路面進行改造,參照公路水泥混凝土路面養護技術規范,采取對應的改造修復措施。

為了更加直觀地驗證改造方法的有效性,采用對比分析的試驗方法,設置設計的舊混凝土公路改造方案為試驗組,文獻[1]與文獻[3]的公路改造方法為對照組,隨機選取該項目中不同路段,并分別標號為TNPL01、TNPL02、TNPL03、TNPL04、TNPL05、TNPL06,利用有限元分析模型測定三種公路改造方法應用后路面結構的承載能力,對比結果如表3所示。

根據表3的路面結構承載能力對比結果可知,在三種改造方法中,設計的改造方法,其各個路段路面結構承載能力均在516.7 MPa以上,比另外兩種改造方法高,改造效果較好,穩定性能更加具有優勢。

因此將設計的舊混凝土公路改造方案應用至依托項目工程中,經過路面改造后,路段TNPL01～TNPL06的路面結構承載能力分別為553.1、571.1、519.5、591.4、516.9、557.9 MPa,均高于有限元分析模型計算出的數值,說明設計方案在實際應用中具有更好的改造效果。

4 結 語

為了解決應用傳統舊混凝土公路改造方案后路面容易出現開裂的問題,提出一種舊混凝土公路路基與路面改造方案。在高州市大唐荔鄉田園綜合體核心區內道路路面改造工程中應用此設計方案,使得各個路段公路路面結構承載能力均在516.7 MPa以上,可以有效提高混凝土的抗壓能力與使用性能,優化了混凝土路面的整體結構,使改造后的路面承載能力得到提高。