旧混凝土公路路基与路面改造方案设计

王 麟

(哈尔滨华龙公路工程设计有限公司,黑龙江 哈尔滨 150080)

在交通运输行业快速发展的背景下,公路交通量与运输量的提高对公路路基与路面产生了一定的影响[1],容易出现路面结构破损以及路基抗压能力、承载能力下降的问题,存在较大的安全风险与隐患[2]。对旧混凝土公路路面进行改造能够有效地提升公路的使用性能与使用寿命,为车辆的行驶与人们的出行提供安全保障[3]。传统的旧混凝土公路改造方法在实际应用过程中,不仅需要消耗大量的人力与物力资源,并且由于未能对原有的路面结构进行弯沉值计算,导致沥青加铺层不能够满足实际应用需求,因此改造后的公路路面容易出现开裂现象,改造效果较差[4]。为了解决传统旧混凝土公路改造方法的不足,结合高州市大唐荔乡田园综合体核心区内道路改造工程,计算旧混凝土公路路面结构的弯沉值,并对沥青加铺层进行设计,完成了新的公路路基与路面改造方案的设计。

1 工程概况

试验工程项目属于高州市大唐荔乡田园综合体试点项目的其中一个,项目位于高州市根子镇大唐荔乡田园综合体景区内。其中主线起点位于山阁收费站附近的乡道,终点接省道S282(旧县道X617);路线途径柏桥村委会、茅坡村委会、桥头、三丫塘、元坝村委会等地,由于长期的交通运输压力,导致该路段病害逐年增加,路面结构出现破损。

该公路路面破损严重,且路基的抗压能力出现下降趋势,逐渐无法满足该地区车辆安全行驶的需求。除此之外,受到地理位置与气候条件的影响,该公路出现冻胀、翻浆等病害,严重降低了公路路基与路面的强度。因此,政府决定对该路段路面改造。

为了实施改造需要对该公路原有路面结构进行深入分析,获取旧路面结构的组成,如表1所示。

表1 高州市大唐荔乡田园综合体核心区内道路改造工程路面结构组成

由表1可知,该公路路面板厚相对来说较薄,导致路面抗压能力较差,无法满足该地区交通量的需求,长期承受较大的荷载作用,公路路面会出现断板的情况,严重时导致路面大面积出现破损。

掌握改造工程具体情况与病害特征后,对该项目改造方案展开设计。

2 旧混凝土路面改造方案设计

2.1 计算路面结构弯沉值

在设计旧混凝土公路路面改造方案之前,对旧混凝土公路的实际运行情况与特征进行深入分析,获取公路路基与路面结构的相关信息。依据公路交通等级,确定公路路面的基层类型,设置公路各结构层为基础层,采用落锤式弯沉仪,测定公路顶面的回弹模量,在此基础上,计算旧混凝土公路路面结构弯沉值的公式为

(1)

式中:la为旧混凝土公路路面结构的弯沉值,mm;p为旧混凝土公路路面结构的强度值,N/m2;δ为旧混凝土公路路面的回弹模量,MPa;l0为旧混凝土公路路面结构的初始弯沉值,mm;m为旧混凝土公路路面结构的弯沉系数。

通过计算旧混凝土公路路面结构的弯沉值,确定路面的力学参数,结合荷载作用原理,采用Ansys软件建立旧混凝土公路二维平面模型,将各项力学参数作为输入层,输入到模型中,深入分析公路路基与路面结构层的弯沉情况,判断公路基层对路面板承载力的影响程度[5]。使用贝克曼梁弯沉仪,连续检测旧混凝土公路路基与路面的回弹弯沉,在路面板块的板角位置处布设弯沉测点,控制测点与路面横缝距离为30 cm,弯沉测点的布设如图1所示。

图1 弯沉测点布设图

按照图1的测点布设方式,实时监测旧混凝土公路路基与路面的弯沉变化情况,并计算路面结构对应的弯沉平均值与弯沉代表值,计算公式分别为

(2)

Wu=W+PA·S

(3)

式中:W为旧混凝土公路路面结构弯沉平均值,mm;Wu为旧混凝土公路路面结构弯沉代表值,mm;Wi为弯沉测点测定的回弹弯沉值,mm;A为弯沉仪读数,mm;PA为旧混凝土公路路面结构保证率系数,%;S为旧混凝土公路路面结构回弹弯沉的标准值,mm。

通过计算旧混凝土路面结构对应的动态弯沉平均值与代表值,为旧混凝土公路路基与路面的改造提供动态数据支持。

2.2 设计混凝土路面沥青加铺层

在弯沉值计算结束后,接下来设计混凝土路面的沥青加铺层。首先对公路路基与路面进行反射裂缝测试,获取旧混凝土路面的本质特征,在此基础上,选取骨架型结构且质地较硬的SBS改性沥青材料,作为沥青加铺层的原材料,对其配合比进行全方位的设计。

首先,确定沥青加铺层混合料的级配,沥青材料由于集料的级配不同,其形成的加铺层结构存在一定的差异。综合考虑旧路改造的实际特点,采用AC-16C型级配作为公路路基与路面改造加铺层沥青混合料的目标级配。级配设计结束后,对旧路基层结构的最优厚度进行深入分析,因其对路面整体性能的影响相对较大。采用PADS软件,测定旧混凝土公路路基结构的厚度,并对比公路路基拉应变力的数值,判断公路路基结构的使用状况。对旧混凝土公路施加垂直荷载,垂直荷载不断增加,测定公路基层底部的拉应变力,得出公路拉应变力的差距。

在获取到旧混凝土公路拉应变力的差距后,采用不同级配的沥青混合料,能够有效地提升沥青加铺层的使用性能与结构的稳定性能。为了提高旧混凝土公路路基与路面沥青加铺层的质量,在铺设前,按照筛孔设计沥青混凝土矿料级配通过率范围,对石料进行筛分处理,如表2所示。

表2 沥青混凝土矿料级配通过率范围

在表2基础上,确定沥青加铺层的最佳油石比,并采用弹性连续体系理念与五边形冲击技术,确定旧混凝土公路路基与路面沥青加铺层的结构,计算沥青加铺层混合料动稳定度的公式为

(4)

式中:Dr为旧混凝土公路路基与路面沥青加铺层混合料的动稳定度,次/mm;ta、tb分别为沥青加铺层铺设时间,min;dx为旧混凝土公路路基与路面沥青加铺层初始变形量,mm;dy为旧混凝土公路路基与路面沥青加铺层最终变形量,mm;N为车辆行驶的往返速度,km/h。

通过计算,获取沥青加铺层混合料的动稳定度,为提高公路路基与路面的稳定性与抗压能力提供保障。

在此基础上,采用公路路基与路面相关的检验方法,确定旧混凝土公路施工路段,检验旧混凝土公路的破碎坑,获取破碎坑所在位置的信息与各项指标。利用压实机压实处理旧混凝土公路的破碎面,压实后在破碎面上喷洒一层透层油,并均匀铺筑碎石基层,提高旧混凝土公路路基与路面结构的稳定性与牢固性。综合考虑公路沥青加铺层的各项参数指标,检验参数指标是否达到规定的强度要求。检验合格后,清除旧混凝土公路路面的沥青罩面层,布设相关标志。标志布设完毕后,检测混凝土公路路面的裂缝与短板情况,判断公路路基与路面板体是否完整,有无沉陷病害,若存在病害,则采取病板挖除的方法处理板体病害,换填稳定粒料,完成旧混凝土公路路基与路面沥青加铺层设计。

2.3 新旧混凝土公路拼接处理

接下来对新旧混凝土公路路基与路面进行拼接处理,提高新旧混凝土公路的衔接性,降低路基衔接不均匀造成沉降的可能性。

首先,依据公路路基与路面改造工程的相关文件,采集施工现场的地质数据与水文资料,对公路拼接处理的施工难度作出精确评估,并制定公路拼接施工方案。选取与混凝土公路结构匹配度较高的软基处理方法,扩建公路路基,采用就地固化的处理方式,控制软基土层底埋深不超过3 m。全面调查并实时记录旧混凝土公路施工路段的地下结构物,例如地下管线的布设情况、路基边缘外结构物型式与所处位置等。在此基础上,检查验收新旧混凝土公路路面基层的分项工程,并开展拼接测量放样工作。根据新旧混凝土拼接处理的实际情况与拼接特征,选取透水性较好的基层换填材料。在原则上,选取与旧混凝土公路原基层材料相同的材料进行换填,在路基与路面填方面积较小时,可以选用采购成本相对较低的填料,降低填料要求。在新旧混凝土公路拼接路段两侧,分别设置横向与纵向盲沟,及时排出处理产生的积水,提高拼接施工的质量。公路路基与路面拼接过程中,从两侧逐渐向中间顺序进行,控制新旧公路相邻拼接面的拼接宽度≥11.5 cm,使乳化沥青贯入的效果达到最佳。及时清理拼接填缝的杂质及胀缝材料,保证拼接处理的质量。

在拼接处理结束后,检测公路路面结构状况,获取旧路基与路面改造后的面层厚度与强度,计算改造后路面的破损率的公式为

(5)

式中:E为改造后公路路面破损率,%;mt为路面损坏面积,m2;ta为路面损坏权重;U为旧混凝土公路整体路面面积,m2。

计算改造后路面的破损率,对旧混凝土公路路基与路面改造方案的应用效果作出评价。

3 验证分析

为了验证改造方案的应用效果,对改造后的公路路面结构承载能力进行测试。在此基础上,对该路段路面当前的破损状况进行动态评价,设置路面状况指数为评价该路段公路路面破损的指标,计算公式分别为

(6)

Tac=LacYacUac

(7)

式中:M为该路段公路路面状况指数;Tac为路面a种病害和c种轻重程度的扣分值;Wac为路面同时出现多种破损时,病害扣分值的修正系数;Lac为路面破损板块数占总板块数的比例;Yac、Uac分别为路面结构破损程度系数。

通过计算,获取该路段公路路面的状况指数,反映路面结构的破损程度与特征。在此基础上,有针对性地对破损公路路基与路面进行改造,参照公路水泥混凝土路面养护技术规范,采取对应的改造修复措施。

为了更加直观地验证改造方法的有效性,采用对比分析的试验方法,设置设计的旧混凝土公路改造方案为试验组,文献[1]与文献[3]的公路改造方法为对照组,随机选取该项目中不同路段,并分别标号为TNPL01、TNPL02、TNPL03、TNPL04、TNPL05、TNPL06,利用有限元分析模型测定三种公路改造方法应用后路面结构的承载能力,对比结果如表3所示。

根据表3的路面结构承载能力对比结果可知,在三种改造方法中,设计的改造方法,其各个路段路面结构承载能力均在516.7 MPa以上,比另外两种改造方法高,改造效果较好,稳定性能更加具有优势。

因此将设计的旧混凝土公路改造方案应用至依托项目工程中,经过路面改造后,路段TNPL01～TNPL06的路面结构承载能力分别为553.1、571.1、519.5、591.4、516.9、557.9 MPa,均高于有限元分析模型计算出的数值,说明设计方案在实际应用中具有更好的改造效果。

4 结 语

为了解决应用传统旧混凝土公路改造方案后路面容易出现开裂的问题,提出一种旧混凝土公路路基与路面改造方案。在高州市大唐荔乡田园综合体核心区内道路路面改造工程中应用此设计方案,使得各个路段公路路面结构承载能力均在516.7 MPa以上,可以有效提高混凝土的抗压能力与使用性能,优化了混凝土路面的整体结构,使改造后的路面承载能力得到提高。