某一级公路水泥混凝土路面大修设计

雷迎松

摘要:广东省某一级公路运营10多年后，水泥混凝土路面出现较为严重的破损。通过对该一级公路的检测和评定，须对该路进行路面大修水泥。通过对该路面病害原因的分析，提出了水泥路面大修处治措施。路面处治后经过近两年的运营，目前状况优良。

关键词: 一级公路；水泥路面；大修设计

中图分类号：U418文献标识码：B

1 工程概况

广东省某一级公路全长35km，为双向四车道。全线均为水泥混凝土路面，水泥混凝土面层厚度为24cm。全线于1995年3月开始征地并动工，1999年12月全线完工。该公路从1995年开始改建，至1999年全线通车至今，使用状况发生了很大的变化，道路服务质量逐步严重衰减。运营10年来该路段路况差，已影响公路的通行和服务能力。为提升该路的通行和服务能力，对该路进行大修。

2水泥路面大修前评估

2.1 旧路面状况

1.原路面结构

旧水泥路面结构如图1所示：

图1 旧水泥混凝土路面结构

该段公路硬路肩未做硬化，现状为填土。

2.沿线自然条件

该项目所在地为南亚热带气候。年雨量很不稳定，据水资源调查与计算统计：多年平均降雨量1426毫米，最大年雨量1976年加益站2189.2毫米。雨量集中在每年4～9月，占全年雨量78%。每年10月至次年3月雨量较少，常出现春旱。土壤多属黄土，表土层较松，含丰富的腐植质，底层呈棕黄色，湿润而粘，多呈中性反应，植被大多是草本植物、蕨类或针叶树林；丘陵地区属红壤土，质地粘重，带酸性。

3.排水状况

经现场实地勘察，该路排水状况差，部分位置为按原设计设置边沟，路面积水严重。尤其部分破损严重路段，路面翻浆严重。

4.养护情况

从现场调查了解到，营运间期，养护主要对出现裂缝的砼板进行灌注沥青封闭处理，对较严重但范围较小的破碎板作加铺沥青处理等，运营过程中于2007年专项维修工程中对部分破碎严重路段进行过换板处理。

4 交通量资料及分析

根据统计该从公路通车至2007年，不考虑超载情况下的一条车道累计标准轴载作用次数为1.06×106次；考虑超载75%情况下的一条车道累计标准轴载作用次数为1.6×106次，根据文献[1]的交通等级分级标准，旧水泥路面交通等级属重交通等级。

2.2 路面检测及评估

1路面破损状况

全线病害类型主要为“断裂类和表层类”，四个车道存在断裂类病害的砼板占总板块数的34.72%～44.39%之间，总体平均为41.10%；表层类病害的砼板占总板块数的3.42%～24.76%之间，总体平均为9.90%；四个车道断板率等级评定为“差”的占63.2%～82.75%，评定为“优”的在3.74%～12.78%之间，评定为“良”的在3.34%～6.49%之间，评定为“中”的在3.39%～7.34%之间，评定为“次”的在6.49%～10.45%之间。根据文献[1]的要求应对全线大部分路段大修，以提高路面状况等级。

2 路面整体承载能力

通过对不同路况特征段进行FWD动态弯沉的测试，从板角脱空程度、接缝传荷能力和基层当量回弹模量等方面对路面承载能力进行表征。

病害砼板的板角脱空率在50.0%～100.0%之间，其他完好水泥砼板角的脱空率35.29%～45.83%之间。该公路完好水泥砼板的接缝传荷能力状况良好，评定等级为“优良”的占76.79%，“中”的占8.04%，评 “次”的占8.93%，“差”的占6.25%。主车道左右幅水泥砼路面完好板块的基层顶面当量回弹模量的平均值分别为291MPa、342MPa，破损板的基层顶面当量回弹模量值在73Mpa～225 MPa之间。路面整体承载能力偏低。

3 结构层厚度及材料性状方面

通过对该公路路面不同病害代表性路段的面板、基层的取芯调查，借助室内芯样的力学性能分析如下：

（1）该公路水泥砼板中均有不同程度的气泡，抽样检查出局部有夹泥现象占14.6%，全线水泥砼板厚度平均值为246 mm，最小值为193 mm，但最大值为288mm，换算后抗折强度为3.31Mpa～6.51 MPa之间，平均抗折强度为5.04Mpa。

（2）该公路基层整体质量状况较差，在完好类型水泥砼板中基层松散和只取出部分基层的芯样占79.5%，新换砼板基层状况良好的占50.0%。同时，基层厚度严重不足。

从检测结果可知板厚和板强度基本满足原设计要求，基层状况很差，且局部路段板厚和板强度不满足设计要求，检测路段全线整体承载能力不足。

4路基强度、材料及工程性质

通过对旧路路基填料的液限、塑限、最大干密度取样试验分析，其结果为路基填料比较好，但其天然含水量偏高影响路基的强度，应注重路基排水。旧路路基的CBR检测其结果为CBR值大于5.7，部分路基为粘土质砂路段CBR值达到18。

3 路面病害成因分析

基层质量控制差，离散性大，不能为水泥路面板提供均匀有效的稳定支撑，加上水泥混凝土路面板强度好厚度离散性大，板间的传力杆、拉杆钢筋设置不一。同时，在重载、超载交通作用下旧路面设计强度偏低，路面结构不合理和厚度不够，承受不了重交通等级荷载作用。

排水系统不完善，大量雨水或地下水等的进入对基层、路基材料造成浸泡软化，在行车作用产生的动水压力下进行冲刷，进而产生更严重的唧泥、脱空及断裂病害，形成恶性循环。

4 旧水泥混凝土路面处治

根据对旧水泥路面检测结果和技术经济分析比较，采用多锤头破碎机碎石化技术将原水泥混凝土路面作为底基层使用。

4.1 碎石化设备

碎石化主要采用的设备为：多锤头破碎机、Z型钢轮压路机和振动钢轮压路机。多锤头破碎机(MHB-15)多锤头自动力破碎机，设备后部平均配备两排成对锤头，这样在设备全宽范围内可以连续破碎，锤头的提升高度可独立调节，MHB具备一次破碎3.96米车道的能力，破碎机装备帷幕防止破碎飞屑。

Z型钢轮压路机主要用于破碎混凝土后的补充破碎并压实其表面。同时为加铺提供平坦破碎后混凝土路面表面。振动钢轮压路机采用单振动轮，在Z型压路机之后压实破碎后的混凝土表面，并为加铺层提供较为平坦的工作面。

4.2 碎石化前准备工作

（1）清除存在的沥青面层

在碎石化之前，应清除水泥混凝土路面上的沥青修复材料、填缝料、胀缝材料等，以减少这些材料对碎石化的影响。

（2）沿线各种构造物的调查和防护

由于碎裂中会对各种构造物产生破坏，因此施工前，应做好沿线各种构造物的调查，对有可能造成损坏的设施必须采取加固或避让措施。

（3）在进行碎裂之前，需将破碎板或沉降量比较大的地方用10～16mm的密级配碎石粒料填平后，再进行碎裂工艺。

（4）交通管制

为保证加铺的质量，须对碎石化后的路面进行交通管制。

4.3 碎石化施工工艺

对于该项目碎石化施工工艺流程如图2所示：

图2 碎石化施工工艺

4.4 碎石化施工控制

施工控制是保证碎石化施工质量的关键，对与该工程碎石化施工中主要控制以下几个方面：

（1）碎石化后粒径。

（2）为方便路面排水，破碎时最好是从混凝土路面的高处向低处破碎。

（3）与相邻车道的连接，破碎一个车道的过程中实际破碎宽度应超过一个车道，与相邻车道搭接一部分，宽度应大于15厘米。

5 路面加铺设计

根据交通等级、变异水平等级、路基状况、路面状况及旧路多锤头破碎机碎石化技术处理旧路面。将旧路面作为底基层使用，参考类似项目工程经验及计算方法，经文献[1]计算确定的加铺路面结构如表1所示。

表1 旧路面加铺水泥混凝土

28cm水泥混凝土（弯拉强度为5.0MPa）

1cm 乳化沥青下封层

18cm 5%水泥稳定碎石（无侧限抗拉强度3.5Mpa）

原路面碎石化处治

在基层上洒布1cm乳化沥青下封层，以增加防水。减轻水对路面的损坏。同时由于该路交通等级为重交通，为了保证路面接缝传荷能力及其耐久性，对每条缩缝都设置传力杆。

6 路肩改造及路面防排水设计

6.1硬路肩改造

由于该段公路硬路肩未做硬化，现状为填土。为恢复应路肩的功能，对硬路肩进行水泥硬化，其路面结构如表2所示：

表2 硬路肩结构

28cm水泥混凝土（弯拉强度为5.0MPa）

1cm乳化沥青下封层

18cm5%水泥稳定碎石（无侧限抗拉强度3.5Mpa）

20cm级配碎石

路基土压实（压实度大于93%）

由于硬路肩宽度较窄，压路机施工宽度不够，路基土很难压实。在实施中采用换填处治，以达到设计要求。

同时，为加强主道路面与新建硬路肩的连接，减少不均匀沉降引起的纵缝张开，对新建硬路肩与主道纵缝均统一每隔70cm设置长80cmφ16mm螺纹钢筋的纵向拉杆。

6.2 路面防排水系统设计

根据检测成果和原因分析，水损坏是该公路路面破坏的主要因素之一。因此，对路面排水系统进行设计十分重要，是确保结构层耐久性和使用寿命的关键环节。排水系统设计主要为一下内容。

（1）路面防水采取在碎石化后喷洒的一层透层油、基层顶面设置一层1cm乳化沥青下封层、缩缝处设置传力杆、面层封缝、中分带封水等措施。

（2）路面表面水主要通过修复完善边沟、排水沟和漫流排水方式排出路面表面水。

（3）地下排水主要采用在边沟下设置渗沟、疏通淤积的暗沟等措施降低地下水位，排出地下水，减轻地下水对路面损坏。

（4）路面内部排水，主要采取设置路面边缘排水盲沟等措施。设置方法为在加铺路面路段在靠原主车道的加铺后硬路肩水泥稳定碎石基层下侧面设置纵向排水盲沟、每隔10m作用设置一道横向排水盲沟，并与硬路肩垫层形成排水系统，材料采用级配碎石，如图2所示，纵、横向盲沟尺寸的大小由文献[2]计算同时要考虑地下水影响，还要保证一定的可靠性。

图2 路面边缘排水盲沟断面

7 小结

广东省某一级公路运营10多年后，水泥混凝土路面出现较为严重的破损。通过对该一级公路的检测和评定，须对该路进行路面大修水泥。通过对该路面病害原因的分析，提出了水泥路面大修处治措施。路面处治后经过近两年的运营目前状况优良。

参考文献：

［1］中交公路规划设计院.公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2002) [S].北京：人民交通出版社，2003.

［2］同济大学.公路排水设计规范（JTG 018-97）[S].北京:人民交通出版社，1998.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。