谈改建工程中钢筋水泥混凝土路面结构设计

王 芳

(大同公路分局，山西大同 037006)

1 概述

近年来，随着我省车辆吨位增加，使得水泥混凝土路面病害日趋严重，为了减少水泥混凝土病害，防止裂缝的扩展，在我省省道孙吴线小站至孙启庄段改建工程中采用双层钢筋网水泥混凝土路面。下面就以孙吴线改建工程为例，浅谈旧混凝土路面改建工程中双层钢筋网水泥混凝土路面的结构设计。

2 原有水泥混凝土路面状况及处理原则

孙吴线小站至孙启庄段始建于1985年，经过多年的使用，全线路面损坏严重，路面有破碎板、纵横向裂缝、角隅剥落、接缝剥落、坑洞、露石、补丁、角隅断裂、错台、脱空等病害，已不能满足当前的交通量运输的要求。

为了充分摸清旧混凝土路面损坏状况，保证改建路面结构设计的合理性，本项目对旧混凝土板进行了逐板详细调查，并参照JTJ 073.1-2001公路水泥混凝土路面养护技术规范及JTG D40-2002公路水泥混凝土路面设计规范，主要以断板率及平均错台量两项指标来表征旧混凝土路面的损坏状况，作出评定等级。

1)旧路路况的调查。

a.首先对旧路采用现场调查与检测的方法，对混凝土板表观状况沿路逐板进行了详细的调查记录，如具体裂缝长度宽度、错台量及破碎板的数量、接缝、角隅等病害的轻、中、重程度等级调查分类，再依据JTJ 073.1-2001公路水泥混凝土路面养护技术规范评定出路况的等级。K0+000～K31+875段，由于过去重车较多、车辆超载及交通量大且旧路厚度偏薄、路基强度不足、排水设施不完善，致使雨水流直接侵蚀路基、路面，造成路面破坏特别严重。K31+875～K69+566.156段，曾于1998年进行路面改造，改造后为路肩硬化水泥混凝土结构，行车道加铺27 cm水泥混凝土、路肩加铺20 cm水泥混凝土，经过几年的使用，路况稍好，但由于局部排水不良造成该地段路面与桥涵相接处、挖方及纵坡较大处路面等破碎严重。

b.旧混凝土路面结构参数的调查。通过在全线选取比较有代表性的地方如高填方处、挖方处、零填处及一般地段，对路面混凝土板选取已损坏地方，分别按不同的几种类型如纵向裂缝、横向裂缝、破碎严重的板块、完好的板块等，进行钻孔芯取样，钻芯直径为150 mm，通过钻孔芯样可以量测出混凝土板的厚度，并对钻孔芯样做劈裂试验确定劈裂强度，根据所建立的劈裂强度与弯拉强度的经验关系式，由劈裂强度得到弯拉强度再计算出弯拉模量。全线共取样16组，芯样完整成型的只有4组，因其他几组芯样均不完整，未进行试验，通过试验后计算4组试样的弯拉强度为4.15 MPa ～5.62 MPa，弯拉弹性模量为30 GPa～38 GPa，但是，4组的回弹模量值无法确定旧路面层的弹性模量;对旧路基层进行钻芯取样，得到基层的材料组成主要是粉土及砂砾，其中砂砾含量为10%～30%、而粉土的含量达70%以上、石灰含量很少，且路面基层未形成板体，芯样未能成型。因此，旧路基层顶面的回弹模量近似于30 MPa～60 MPa同土路基基本相同，故在结构计算中选取40 MPa。

c.对旧路土路肩的检测。通过侧向环刀对路肩土进行取样，测定路肩填土的压实度，经检测路肩填土压实度均未能满足要求，故在路基填筑或路面施工前，需对原旧路路肩填土进行碾压夯实以达到规范标准要求的压实度。

2)对于旧混凝土板的处理原则。

a.严重断裂板(指严重裂缝分割成4块～5块，或中等裂缝分割成5块以上)、脱空、错台、唧泥等板块损坏较严重的路段采取碎石化处理。将旧水泥混凝土路面碎石化的目的是消除旧水泥混凝土路面的板体脱空，加强破碎板之间挤密嵌固，以及由路面结构破损所带来的路面结构整体刚度的不均匀性，从而消除旧板接缝或裂缝向上反射。对原混凝土路面进行冲击破碎碾压，将其混凝土板破碎成小板块，板破碎大小一般控制在40 cm以内，其次应保证板底脱空现象彻底消除，从而形成稳定均匀的结构层。碎石稳压一般要求最终两次沉降差值不大于5 mm。破碎后混凝土板用做新建路面的垫层或底基层，并在其上加铺对应段落的路面结构。

b.对于旧面板破损程度较轻，不进行破碎处理的所有接缝和裂缝采用自粘式土工格栅(EGA-50-50)进行粘贴修补，以防止裂缝向上反射。先将土工格栅切割成60 cm宽的长条带，之后将表面杂物清除并保证旧面板清洁干燥，再将土工格栅铺放粘结在接缝及裂缝处粘结牢固，缝两侧各30 cm。

3 路面结构设计

钢筋混凝土面层的设计过程包括结构层厚度设计、平面设计、接缝设计和配筋设计。

3.1 各结构层类型及厚度的确定

1)基层及底基层材料的确定。

a.基层材料的选用:碎石强度较高，且级配容易达到，密实嵌固性好，容易形成板体，而板体强度高。因此基层材料选用水稳碎石，水泥含量为5.5%。b.底基层材料的选用:为充分利用大同优质粉煤灰资源，故底基层采用水泥、石灰、粉煤灰砂砾。掺入水泥2%的含量，目的是为了提高二灰砂砾的早期强度。

2)稀浆封层。

由于路面经由接缝或裂缝下渗的水量较多，在重交通荷载的反复作用下，板边、板角的挠度加大，板与基层间积聚的自由水产生高速流动、冲刷、侵蚀基层，因而对基层的首要要求是抗冲刷能力。为防止水流侵蚀基层，特在30 cm水泥混凝土面板下设置8 mm厚的稀浆封层。

3)各结构层厚度的确定。

a.交通量。

根据《孙吴线小站至孙启庄段运煤通道公路工程可行性研究报告》提供的交通量见表1。

表1 汽车交通量

路面设计基准期为20年，交通量年平均增长率为5.45%;设计基准期内标准轴载累计作用次数为2 523×104;属特重交通。

b.可靠度设计标准。

该路段设计为二级公路，因此设计中的变异水平等级、设计基准期应符合二级标准要求。但由于该段交通量大且设计为双层钢筋混凝土，故可提高可靠度指标，选用一级标准。

c.以弯拉强度作为厚度设计控制指标，初拟混凝土板厚度，计算荷载疲劳应力与温度疲劳应力产生的综合应力，在足够的可靠度水平下，不超过混凝土的弯拉强度。

4)各结构层具体设计原则。

a.改建路段:对旧路路况评定为中、次等级的路段，采用30 cm双层钢筋网水泥混凝土+8 mm稀浆封层+20 cm水稳碎石上基层的结构组合，调平层采用水稳碎石;当填土高度小于50 cm时，挖除旧路面后，加铺新的路面结构层。对旧路路况评定为差等级的路段，采用30 cm双层钢筋网水泥混凝土+8 mm稀浆封层+20 cm水稳碎石上基层+30 cm水泥、石灰、粉煤灰砂砾的结构组合，调平层采用水泥、石灰、粉煤灰砂砾;当填土高度小于70 cm时，挖除旧路面后，加铺新的结构层。对旧路路况评定等级为优的路段，采取挖除旧断板换补双层钢筋网混凝土板。

b.新建部分(包括未硬化的土路肩部分、桥头下挖处及改线段落):30 cm双层钢筋网水泥混凝土+8 mm稀浆封层+20 cm水稳碎石上基层+30 cm水泥、石灰、粉煤灰砂砾底基层+30 cm砂砾垫层。

c.为减少占地和填挖数量，保证加宽段施工质量，对部分段落采用小矮墙结构。

d.停车带及爬坡车道说明。

为了充分体现设计新理念，以及“以人为本”的精神，本次设计中彻底解决了进入二电厂送煤车辆在主行车道上滞留等待而造成的堵车问题，在K9+880～K10+650段左侧增设7 m宽的辅助车道(二电厂辅道);K37+100～K37+940段设计纵坡为5%，为了保证该路段通行能力，故在该路段右侧重车上坡方向加宽3 m增设爬坡车道。

3.2 钢筋网的布置

钢筋网的布置为单层或双层钢筋网，指布置在面层厚度的下1/3处或上、下1/3处，横向钢筋位于纵向钢筋之下。

3.3 平面设计及接缝设计

3.3.1 交叉口、广场、车道宽度变化处、匝道出入口等部位的设计

交叉口、广场、车道宽度变化处、匝道出入口等部位，板块划分有其特殊性，设计时要注意以下几点:1)道路的直道部分应保持纵缝的连贯;2)接缝应正交，尽量避免主要行车部位出现锐角，若不得已出现锐角板，应设置板角补强钢筋;3)混凝土板分块不宜过小，最小边长不小于1.5 m，每块混凝土板的面积约在30 m2以内;4)分块接缝宜采用“井”字形，接缝应对齐，不得错缝，当出现错缝时，应加设钢筋防裂。

3.3.2 接缝的设置

设置横向缩缝是为了减少混凝土的收缩应力和温度翘曲应力，避免混凝土板出现不规则的裂缝。板厚中央加设传力杆，可以大大加强接缝传荷能力，有效防止错台。

设置胀缝的目的是为了混凝土板的膨胀提供伸长的余地，从而避免产生过大的热压应力，引起路面板在高温季节拱胀和折断。胀缝兼具有其他所有接缝的功能，但施工和维护困难，应尽可能少设。资料显示，胀缝处是混凝土路面病害发生得最多的地方，究其原因，一方面是由于施工时传力杆未能正确定位、封缝不好等，另一方面，胀缝容易引起行车跳动，散落的填缝料又未能及时补充或更换，造成雨水、砂石等进入胀缝中，导致胀缝处混凝土破碎、错台、拱胀等病害。

双层钢筋网水泥混凝土面板的平面尺寸长为10 m，宽为1.2 m，4.5 m，4.5 m，1.2 m，纵向分四幅施工，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝形式，且在邻近桥梁或其他固定构造物处或与其他道路相交处应设置横向胀缝。

4 结语

在钢筋混凝土路面结构设计中，必须多做调查如对干湿类型的划分、旧路状况的调查、土石的正确划分等前期工作必须详细、准确，进而使混凝土路面设计达到合理;其次对于钢筋的设置应尽量计算合理、容易施工、降低成本。