低等级公路碾压混凝土路面结构组合设计

2015-10-21肖黎

建筑工程技术与设计 2015年8期

肖黎

【摘要】长时间以来，我国交通运输部门一直致力于高等级公路路面的建设和研究，对适用于中低交通量下低等级道路的路面结构研究的不多。随着国家对农村低等级公路建设的重视，适宜的低等级公路路面结构研究已经越来越受到科研单位的重视。另外，我国科研人员对碾压混凝土的研究也比较多，但是大多集中到材料组成设计方面，而對碾压混凝土道路的路面结构设计研究较少。低等级公路作为我国道路交通重要的组成部分，研究适合农村当地条件的成本低、修筑技术简单的低等级公路碾压混凝土路面结构形式是关系到我国低等级公路健康发展的重要课题。

【关键词】低等级公路，碾压混凝土路面，结构设计，施工工艺

低等级公路在我国公路网中所占比例相当大，是我国交通运输的重要一环，对于促进城乡建设、经济发展和增进西部地区城镇之间的沟通交流起到重要的作用。碾压混凝土是一种低水胶比、低收缩、高抗折强度，施工时需要振动碾压成型的混凝土。其主要特点是节约水泥、施工速度快，而且不需要模板，造价低等，因此，碾压混凝土适合修筑低等级公路路面。合理的路面结构是保证道路路面耐久性的重要保证。

一、低等级公路典型横断面组成

三级公路、四级公路路基的标准横断面应由车道、路肩等部分组成。根据设计时速的不同，其路基也不同。另外，低等级公路碾压混凝土路面板的宽度由若干个车道宽度组成，单个车道宽度与道路设计时速有关。为保护行车道等主要结构的稳定，公路都要设置路肩，路肩是位于行车道外边至路基边缘、具有一定宽度的带状结构部分，包括硬路肩和土路肩。低等级公路一般不设置硬路肩，只设置土路肩。

二、低等级碾压混凝土路面结构的特点

（一）路面结构组合

碾压混凝土路面的结构组合与普通混凝土路面没有本质的区别，仍可根据需要设置相应的基层、底基层或垫层等。低等级公路在施工时，考虑到经济性的要求，往往会就地取材，因此，碾压混凝土低等级公路在修筑时，基层材料使用的很广泛，有级配碎石，级配砾石，半刚性材料等。但鉴于面板在施工工艺上的特殊性，考虑到压路机的碾压功能以及对路面板所用碾压混凝土混合料压实度的要求，面板厚度目前不宜超过25cm为宜。

（二）基层

为确保路面板的强度要求，施工中必须对碾压混凝土进行充分的压实。因为碾压混凝土的单位用水量是在100kg/m3左右的超干硬性混合物，只能靠震动压路机和胶轮压路机碾压密实才能形成必要的强度。因此，对基层的强度和刚度的要求在某种程度上应该比普通混凝土路面板下的基层要高一些，尤其在面板内不设拉杆、传力杆的情况下，有足够的强度和刚度的基层，有利于改善接缝或裂缝处面的受力状态。据此分析，半刚性基层比较适合低等级公路碾压混凝土路而的基层。

（三）接缝

1.纵向接缝

纵缝的设置视路幅宽度以及施工时摊铺机的摊铺宽度而定。若摊铺宽度与车道宽度一致，则纵缝即为车道的分界线，纵缝以施工缝方式设置；若摊铺宽度大于车道宽度，或在碾压混凝土硬化前相邻幅也紧接着摊铺和碾压，则在确定纵缝的间距后，用切割法切成假缝形式。根据我国四级道路路面宽度的情况以及设计时速的要求，双车道三级公路路面板宽在6.5m-7m之间，四级公路路面板宽度在3.5m-6.0m之间，碾压混凝士面层一次摊铺宽度大于7.5m时，应设置纵向缩缝。

2.横向缩缝

碾压混凝土路面的缩缝有设与不设两种模式，视国家而异。如加拿大，法国主张不设，日本主张设置，美国则是两种模式都有。实际上设与不设与或一个国家的不同地区的地理、气候环境有关，也与公路或城市道路的等级有关。对温差较小，交通不繁重的道路可考虑不设置缩缝，反之则应考虑设置等间距的缩缝为妥。不设置是鉴于如下的观点，即由于碾压混凝土采用的单位用水量少的超干硬性混凝土，其干燥及温度收缩率比普通混凝土小20%-50%，若道路所在地区温差不大，交通又较轻，路面即使出现一些干、温缩裂缝，程度上也比较轻微。工程实践也表明，裂缝与路面使用功能降低、路面损坏没有必然的联系。换句话说，道路出现和存在裂缝是可以允许的：同时，根据以上的认识，对于需考虑设置缩缝的地区，缩缝间距可以比普通混凝土路面加长，可以达到6-10m，但温差大的地区宜短不宜长。

3.胀缝

从理论上讲，混凝土膨胀产生的挤压应力，在正常情况下，远小于混凝上的抗压强度，因此除与人工构造物（桥、涵等）接头处设置胀缝外，其他路段可以不设胀缝；工程实践也表明，胀缝设置不当极易引起胀缝及缝两侧路面的破坏，故胀缝应尽量少设或不设。就碾压混凝土路面的国内外现状而言，在施工接头处设置胀缝的居多。通常情况下，当施工日进度达到200-300m以上时，胀缝间距可根据板厚及施工季节，在150-300m范围内选择确定。

三、碾压混凝土路面板厚度计算流程

低等级公路碾压混凝士路面板的厚度设计与普通混凝土路面板厚度设计流程基本一致。我国现行《公路水泥混凝土路面设计规范》（ JTG D40-2011）采用的结构设计方法是以混凝土路面板在车辆荷载应力以及温度应力综合作用下在纵缝边缘中部出现疲劳开裂作为临界损坏状态，设计时以荷载应力和疲劳应力的叠加小于等于混凝土疲劳强度作为设计标准。与普通公路水泥混凝土路面设计一样，在行车荷载的反复作用下产生的荷载疲劳应力以及在温度变化的反复作用下产生的温度疲劳应力，如果二者相加得到的和超过碾压混凝土的弯拉强度时，路面板将发生开裂和破坏。因此，在低等级公路路面结构设计中，应计算路面的荷载疲劳应力和温度疲劳应力，两者之和不应超过碾压混凝土的弯拉强度。

低等级公路碾压混凝土路面具体设计流程如下：

①首先，调查研究当地的自然环境条件、根据当地的实际情况，选取路面结构，包括初步拟定路面各个结构层的厚度，选择各个结构层所用材料类型，根据公路的等级、施工变异水平和交通量初选碾压混凝土板的厚度。

②在初拟路面结构组合的基础之上，选择相应的路面结构设计方法和分析模型。

③分别计算碾压混凝土面层板的在标准轴载作业下产生的最大荷载应力、在设计轴载产生的荷载疲劳应力、最大温度梯度产生的最大温度应力及温度疲劳应力。碾压混凝土面层板的在标准轴载作业下产生的最大荷载应力。

其中 ——设计轴载在面层板临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）

Ne——设计基准期内设计轴载累计作用次数

λ——材料疲劳指数，碾压混凝土取0.065。

④将荷载疲劳应力和温度疲劳应力相加，得到的和乘以可靠度系数，若得到的值小于且接近于混凝土弯拉强度标准值，同时，可靠度系数与最大荷载应力与最大温度应力之和的乘积，小于碾压混凝土弯拉强度标准值，初步拟定的路面板厚度可作为碾压混凝土板的计算厚度。

⑤若不能同时满足，则应改选混凝土面层板厚度或（和）整调基层类型或（和）厚度，重新计算。

⑥计算出路面的厚度后，在设计厚度上加6mm作为磨损厚度，然后按10mm向上取整数，此时得到的值作为碾压混凝土面层的设计厚度。

总结

低等级公路碾压混凝土路面的结构组合与普通混凝土路面没有本质的区别，仍可根据需要设置相应的基层、底基层或垫层等。振动碾压成型的特点，使得碾压混凝土路面对基层强度和刚度的要求比普通混凝土路面对基层的要求要高一些，因此，半刚性基层比较适合低等级公路碾压混凝土路面的基层。