新型双层CRCP结构及在城市道路中的应用

2019-06-13李盛杨帆刘萌陈尚武

中南大学学报（自然科学版） 2019年4期

李盛，杨帆，刘萌，陈尚武

(长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室，湖南长沙，410114)

水泥路面一般需设置接缝，以解决混凝土板的热胀冷缩等问题，但由于水的冲刷和行车作用，水泥路面的接缝和板角处易产生脱空、唧泥、错台、断板等病害[1]，在多雨地区的城市道路中这种现象十分严重，极大影响了水泥路面的使用寿命和品质。考虑到沥青路面早期病害较多，使用寿命常低于设计年限[2]，且设计年限一般仅为水泥路面寿命的一半。相较于沥青路面，若能解决水泥路面存在的问题，充分发挥其长寿命的特点并少进行维修，则将产生显著的社会与经济效益，因此，有必要研发一种新型的水泥混凝土路面结构。双层连续配筋混凝土路面(CRCP)是一种通过将适量的钢筋分2层合理布置在普通水泥混凝土面板中的路面结构，具有较强的承载能力[3-5]，还可利用上层钢筋实现少设或不设接缝，并通过上层钢筋来控制横向裂缝宽度，防止雨水入渗；利用下层钢筋防止板底脱空后出现断板现象。目前，我国已有较多单层CRCP的相关研究和工程应用，但关于双层CRCP结构及工程应用方面的研究还很少，为此，本文作者开展双层CRCP结构的研发和应用技术研究。

1 路面结构组合设计及研发

路面结构组合设计及研发的主要目标是有效解决因水系丰富或排水不畅导致的水泥路面早期损坏严重的问题，且少设接缝，减少水的入渗和接缝易损坏的问题，并具有较强的抗冲刷能力和承载能力。

1.1 新型路面结构组合设计

设计的双层CRCP新结构从上至下为：设有双层纵横向连续钢筋及支座的水泥混凝土面板，厚度为20～30 cm；厚度为4 cm的细型密级配沥青混凝土夹层；贫混凝土上基层，厚度为20～30 cm；沥青碎石下基层，厚度为9～18 cm，也可用厚度为15 cm的级配碎石替代；级配碎石层，厚度为20～30 cm；在面层板上每隔150 m设1条横向接缝，在井盖处设横穿井盖的预切缝。其中，设置沥青混凝土夹层主要用于解决面板和上基层板在温度变化下的不协调变形问题，起缓冲上下板因温缩和平缩产生变形的作用。夹层厚度结合现行规范要求确定[6]。路面结构示意图如图1所示。

1.2 新型路面结构的疲劳寿命

拟定连续配筋混凝土面板厚度hc=20 cm，面板弹性模量Ec=31 GPa，泊松比vc=0.15，线膨胀系数αc=10×10-6/℃；沥青混凝土夹层厚度为 4 cm，贫混凝土上基层厚度hb=30 cm，沥青混凝土夹层弹性模量Eb=27 GPa，泊松比vb=0.15；下基层和垫层均采用级配碎石，厚度分别为15 cm和20 cm，弹性模量Ed=300 MPa，泊松比vd=0.35；路床顶面综合回弹模量取70 MPa，当量设计轴载累计作用次数取Ne=4×107次。

根据现行 JTG D40—2011“公路水泥混凝土路面设计规范”[6](以下简称“规范”)中式(B.2.4)计算板底地基综合回弹模量Et，为133.18 MPa。

按“规范”中式(B.2.2-3)计算面层板的弯曲刚度Dc，按式(B.6.3-1)计算上基层弯曲刚度Db，按式(B.4.1-3)计算路面结构总相对半径rg：

按“规范”中式(B.4.1)计算标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力σps为

按“规范”中式(B.2.1)计算面板的荷载疲劳应力为

其中：应力折减系数kr=0.87(“规范”中B.2.1条)；综合系数kc=1.15(“规范”中表B.2.1)；疲劳应力系数kf根据“规范”中式(B.2.3-1)计算，

水泥混凝土路面结构目前常用水泥稳定类基层，在造价基本等同的情况下，需用厚度为40 cm的水泥稳定类基层替换上述实例中的贫混凝土基层。计算面板荷载疲劳应力为3.40 MPa，所以，即使不考虑钢筋的影响(“规范”中公式无法计算有钢筋路面结构的疲劳应力)，新型路面结构仍比目前常用水泥路面结构的荷载疲劳应力小52%。所以，新型路面结构既使从下至上结构层的刚度递增，又大大提高了高路面结构的疲劳寿命。

2 新型路面结构的特征

研发的路面结构既针对多雨地区道路积水严重、地下水位高等特点，有足够强的抗冲刷能力，各结构层又体现出刚度递增的规律，能有效提高路面结构的使用寿命。此外，新型路面结构在钢筋和接缝设置上还具有自身的特征和优势。

2.1 钢筋设置的优势及针对性

新型路面结构中的纵向钢筋距面板顶面距离不小于9 cm且不大于1/2板厚；下层连续的纵横向钢筋中横向钢筋距面板底面的距离为3～5 cm，纵向钢筋置于横向钢筋上；钢筋均采用热轧带肋钢筋，钢筋通过钢丝束绑扎完成连接并置于支座上，如图2所示。

图2 钢筋设置局部示意图Fig.2 Partial schematic of reinforcement

钢筋分上、下2层：上层连续的纵向钢筋主要用于约束水泥混凝土面板的开裂，使水泥混凝土面板由温缩和干缩产生的裂纹缝隙宽度的平均值控制在0.5 mm以内，且上层不设横向钢筋，有利于水泥混凝土的振捣密实；下层设连续的纵横向钢筋主要是考虑多雨地区水泥混凝土路面易出现板底脱空或路基沉陷等病害，进而在行车作用下使面层板下部受到一定的拉应力，而水泥混凝土板抗弯拉强度较小，下层连续的纵横向钢筋可有效提升水泥混凝土面层板的抗弯拉能力，大大降低水泥混凝土面板出现断板的概率；钢筋支座的设置可减少支座上方纵横向连续钢筋的翘曲变形。

2.2 接缝设置方式

2.2.1 横向接缝的设置方式

近年来，我国不少地区开始尝试修筑连续配筋混凝土路面，该路面结构可以少设或不设接缝，减少水的入渗和接缝易损坏的问题，但已有的修筑实践表明少设或不设横向接缝一般会出现较多的横向裂纹，基本上每1.0～2.0 m出现1条，且少数横向裂纹的缝隙宽度较大，会产生渗水问题，甚至会出现啃边、破碎等病害，所以，有必要研发适用于连续配筋混凝土路面结构的接缝及施工方法，解决连续配筋混凝土路面接缝设置存在的问题，提高行车安全性和舒适性。

横向接缝每隔150 m设1条，宽度为1.0～1.5 cm，分上部和下部，其中上部横向接缝深度为5.0～8.0 cm，采用硅酮胶填充，上部横向接缝两侧8～15 cm范围内采用环氧砂浆浇筑，下部横向接缝采用聚乙烯闭孔泡沫填缝板填充，纵向钢筋横穿填缝板，如图3所示。

图3 横向接缝示意图Fig.3 Diagram of transverse joint

横向接缝每隔150 m设1条，宽度为1.0～1.5 cm，可在2条横向接缝之间减少横向裂纹20～30条，进一步减小了水的入渗和裂纹处易出现病害的程度。与传统横向接缝相比，新结构的横向接缝设置在由环氧砂浆浇筑的槽中心，由于环氧砂浆强度高，有效解决了接缝处易出现啃边的问题。上述横向接缝的另一显著优势是与路面结构中设置的连续钢筋有效结合，横向接缝处继续保持上、下2层纵向钢筋的连续性。现有工程中横向接缝都是设置 50 cm长的纵向传力杆钢筋，接缝处的钢筋不连续且短，接缝处钢筋及其周围的水泥混凝土容易损坏，加上水的冲刷，横向接缝处会出现脱空、错台、断板等病害，新结构的横向接缝可以有效解决这些问题。在城市道路中横向接缝还包括横穿井盖的预切缝，深度为 3～4 cm，宽度为 3～5 mm，采用硅酮胶填充。

2.2.2 纵向施工缝的设置方式

纵向施工缝设置在道路中线位置或行车道与硬路肩之间，深度贯穿整个水泥混凝土面板厚度。具体施工及设置方式如下：待行车道或半幅水泥混凝土面层浇筑完成后，对纵向施工缝处的水泥混凝土进行凿毛处理，再将预留的长度为60 cm和20 cm长短交错布置的横向钢筋与硬路肩或另半幅路面的横向钢筋用直螺纹套筒连接，浇筑硬路肩或另半幅水泥混凝土路面。纵向施工缝处的横向钢筋设置局部示意图如图4所示。

图4 纵向施工缝处的横向钢筋设置局部示意图Fig.4 Partial schematic of transverse reinforced at longitudinal construction joints

纵向施工缝设置的主要特征及优势是预留的横向钢筋长短交错布置且与另半幅路面的横向钢筋连接，既保持了接缝处钢筋的连续，又因钢筋长短交错布置起到了剪力钢筋的作用，可有效减少接缝两侧板的差异变形。

2.3 经济效益与社会效益

新型路面结构中双层连续钢筋上层不设横向钢筋，与已有的双层连续配筋混凝土路面相比节约 1/4的钢筋用量，可大大节约修筑成本；与普通水泥混凝土路面结构相比，由于设置了双层连续钢筋，研发的路面结构前期投资成本约增加25%，但可以有效解决现有水泥混凝土路面结构应用于城市道路时易产生的脱空、唧泥、错台、断板等病害的问题，使用寿命可大大提高，也可有效解决现有连续配筋混凝土路面结构横向裂纹多、接缝易出现病害的问题。

新型路面结构因接缝和病害少，行车舒适性及安全性将大幅度提高，养护费用及年度分摊的改建成本也大大减少，可减少路面损坏对社会造成的不良影响，也可解决城市道路经常因路面损坏及养护维修造成交通中断或拥堵甚至引发交通事故的问题，具有良好的社会效益与经济效益。

3 新型路面结构的适用性及工程应用

目前，城市道路普遍存在排水不畅、路表与路面结构内部积水严重的问题，加之由城市热岛效应等因素引发的特大暴雨等极端气候事件频现，大中城市经常出现内涝，水的存在和行车作用使路面结构受到严重冲刷，极大地影响路面结构的整体强度和稳定性[7]。此外，很多大中城市布局有重型机械或加工制造企业，周边重载车辆较多，或因城市建设大型渣土车、材料运输车等经常出现在道路上，这些车辆对路面结构的承载能力要求较高，沥青路面往往不能满足重载交通的要求，需要修筑承载能力更好的普通水泥混凝土路面或连续配筋混凝土路面。

3.1 双层连续配筋的适用性

3.1.1 模型建立及验证

已有研究[8]通过傅里叶变换法等数学理论，结合复合材料层力学理论，得出了温克勒地基上荷载作用下CRCP板的应力与位移的解析解。采用文献[8]中的实例，通过ABAQUS有限元软件建模与计算[9-11]，分析板宽方向混凝土板竖向位移与解析解的相关性，结果如图5所示。

图5 板宽方向竖向位移的变化规律Fig.5 Variations of vertical displacement in slab width direction

从图5可知有限元仿真计算结果与解析解的变化趋势都比较吻合，表明建立的CRCP结构有限元计算模型是可靠的。

为探究双层CRCP在城市道路中的适用性，分析素水泥混凝土路面、单层CRCP与双层CRCP在不良地基与板底脱空不利状况下的力学响应情况。3种路面结构的计算模型中，拟定水泥混凝土面板的厚度为28 cm；基层为常用的水泥稳定碎石，厚度为30 cm，弹性模量为2 100 MPa，泊松比为0.2；因横向钢筋为架立筋，模型中主要考虑纵向钢筋，其直径取20 mm，单层CRCP钢筋间距为16 cm，双层为32 cm，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3；选择“Tie”的方式对面板与基层之间的接触进行约束。

3.1.2 不利状况下的力适用性分析

不良地基对水泥混凝土路面的使用寿命影响较大。在仿真计算中，通过改变土基模量来模拟地基的变化情况，计算面板最大竖向位移与土基模量的关系，结果如图6所示。

图6 最大竖向位移与土基模量的关系Fig.6 Relationship between the maximum vertical displacement and soil-based modulus

从图6可见：钢筋的加入可以减小混凝土面板的最大竖向位移，在钢筋数量相同的情况下，当土基回弹模量从100 MPa变化至80 MPa过程中，双层CRCP最大竖向位移的增加量比单层 CRCP的增加量减小3.93%，说明双层 CRCP在土基回弹模量下降时更具适用性。

板底脱空是所有水泥路面在运营阶段常见且很难避免的病害[12]，会加速路面出现开裂、断板等破坏，城市道路中水泥路面的板底脱空与雨水冲刷有较大的相关性。在仿真分析中，通过在板底与基层表面之间设置规则的空隙，实现对脱空区域的模拟。在同等脱空条件下，3种路面结构的最大竖向位移如图7所示。

从图7可见：钢筋的加入可以减少板的最大竖向位移，在钢筋数量相同的情况下，双层CRCP在脱空时比未脱空时最大竖向位移的增加量较单层CRCP的增加量少6.84%，说明双层CRCP在板底脱空时更具优势。

图7 最大竖向位移与脱空情况的关系Fig.7 Relationship between the maximum vertical displacement and void under slab

3.2 工程应用及关键指标检测

武汉青王公路和青山21号公路在改造过程中，考虑到这2条公路是武钢集团原材料与成品的重要输出通道以及武汉城市存在严重内涝等因素，采用双层连续配筋混凝土路面结构，且在基层类型选择、井盖处预切缝的设置以及运营早期的接缝修复等方面应用上述新型路面结构的技术特征，取得了较好效果。本文作者也对实体工程(武汉青王公路东湖段)的关键技术状况指标进行了检测。

3.2.1 横向裂缝的检测情况

横向裂缝的间距和宽度是连续配筋混凝土路面的关键指标[13-16]，为此，先后对实体工程的横向裂缝进行3次检测，其中最能有效反映横向裂缝特征的是在实体工程完工且经历1个冬天后的检测结果，如表1所示。

从表1可见：裂缝的最大宽度为0.960 mm，平均宽度为0.415；平均裂缝间距为2.178 m。横向裂缝间距和宽度的平均值均满足规范[17]要求。

3.2.2 平整度的观测情况

平整度是CRCP设计的1个重要控制指标[18]，也可以反映CRCP的施工工艺水平。在实体工程中，由于面层为双层钢筋网，且上层钢筋离面板顶面只有7 cm，这种钢筋埋置深度较小的结构会给施工带来许多困难，容易造成路面平整度不满足要求，因此，有必要对平整度进行检测。

用 3 m直尺对实体工程行车道的平整度进行检测，检测结果如图8所示。

从图8可见：最大间隙平均值为2.3 mm，标准差计算值为0.7，满足最大间隙平均值不超过3.0 mm、标准差计算值不超过1.2的设计要求。