微裂破碎水泥混凝土路面加铺层结构设计研究

徐胜堂 李文杰

摘 要：旧水泥混凝土路面破碎改造工程中，合理的面层结构设计至关重要。本文结合某国道旧水泥混凝土路面“白改黑”大修改建工程，对比分析了微裂破碎压稳后加铺水泥稳定碎石层再铺设沥青面层和直接加铺沥青面层两种不同加铺层结构设计。根据交通流量调查并结合路面破碎后现场弯沉值，计算了两种加铺结构弯沉设计值和下面层的最优设计厚度。反演了路面结构的回弹模量，对比了两种设计年限的面层铺设结构形式，提出了合适的面层铺设结构，为实际工程提供了借鉴和指导。

关键词：旧水泥混凝土路面;水泥稳定碎石层;最优设计厚度;回弹模量

中图分类号：U416.216 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0124-05

Abstract： In the old cement concrete pavement rehabilitation project， reasonable surface layer structure design is very important. Combined with the rehabilitation of cement concrete pavement laying with hot mixed asphalt overlay of a national highway， two different overlay structure designs were compared and analyzed.  that is， to overlay the cement stabilized macadam layer after micro-fracturing， fracturing and stabilization， then to overlay the asphalt surface layer and directly to overlay the asphalt surface layer. According to the traffic flow investigation and the deflection value after road surface breakage， the deflection design values of two kinds of overlay and the optimal design thickness of the lower layer were calculated. The elastic modulus of the overlay was inverted， and suitable paving structure was put forward by comparing two types of paving structure of different design life. It provides reference and guidance for practical engineering.

Keywords： old cement concrete pavement;cement stabilized gravel layer;optimum design thickness;rebound modulus

從20世纪80年代开始，水泥混凝土路面作为路面结构的主要形式之一，在我国得到了大规模的发展。许多道路尤其是南方的许多省际干线公路都是以造价相对较为便宜的水泥混凝土路面为主。随着路面使用年限的增长，部分水泥混凝土道路达到了设计寿命，早期修建的水泥混凝土路面都存在不同程度病害，特别是断板、错板、裂缝、剥落及坑洞等病害大量存在，使得原有的水泥混凝土路面难以承担路网中高等级公路的重任，其大修改造工作日趋繁重[1-4]。目前，旧水泥混凝土路面改建方法主要有挖除重建、“白改白”和“白改黑”[5-8]。相比于挖除重建和“白改白”，“白改黑”施工对周边环境影响相对较小，不会产生过多的建筑垃圾，能够充分利用原有混凝土路面结构强度，并且改造后的沥青路面行车舒适、易于养护。本文以某国道改造项目为背景，结合旧水泥混凝土路面微裂破碎后弯沉检测以及交通流量调查，提出了不同的面层结构设计方法，并进行了相应的路面结构力学性能反演分析，为同类项目工程提供了参考和借鉴。

1 工程概况

某国道原设计为二级公路，水泥混凝土路面宽度为12m，双向四车道，属于重载交通，改造路段全长12.7km。由于交通流量大、重载车辆多，该路段存在混凝土板块破碎、纵横裂缝、错台及崩边等病害。通过道路结构层调查以及病害成因分析，确定首先对旧路面进行破碎处理，然后采用铺设沥青面层的“白改黑”施工工艺[9]。首先根据不同的病害状况，进行不同程度的微裂破碎处理，而后经过适当的重车碾压，并对路面板下的脱空及薄弱路基进行注浆处理，以保证路面结构的整体性能，在此基础上铺设沥青混凝土面层。

2 沥青加铺层结构设计与分析

2.1 交通量调查和计算弯沉分析

改造路段交通流量大，重载车辆多，根据当地交管部门现场车流量统计，由南向北方向，仅运沙的大货车、挂车约为3 700～4 000辆/日，其中还不包括其他大型箱型货车、大型工程车辆等，南北方向双向车流量合计可达10 000辆/日。为了保证路基设计和路面结构能够达到预计的功能，路面具有良好的结构性能，需要对行驶车辆进行统计。结合交通流量的统计，对道路行驶车辆的轴载进行了归类划分，具体如表1所示。道路不同结构层对应不同的弯沉值[10，11]，原水泥混凝土路面经过破碎以及注浆加固处理后，进行了弯沉值的测量。根据 《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）相关要求[12]，根据弯沉测量值反算破碎加固后混凝土路面的回弹模量，如表2所示。

2.2 加铺水稳层结构设计分析

根据该国道道路等级以及交通流量预期，首先分析了道路增设水泥稳定碎石层的结构设计。沥青面层设计为8cm厚沥青混凝土，其中上面层为4cm细粒式沥青混凝土（AC-13），下面层为4cm中粒式沥青混凝土（AC-16），各沥青层之间应设置黏层，水泥稳定碎石基层顶面设置沥青下封层和透层。路面结构设计如图1所示。

考虑到路面结构设计的合理性和经济性，针对增加水稳层的路面改造设计方案，上面层为4cm细粒式沥青混凝土（AC-13），结合现场实测弯沉值和交通量计算下面层的最优设计厚度，分别进行了3年、5年两种设计使用年限的分析。

2.2.1 道路3年使用年限设计分析。根据改造路段行驶车辆轴载分析以及反演计算弯沉值，同时结合现场弯沉实测值，预测大修道路3年使用年限的弯沉设计值为21.6（0.01mm）。为了寻找最优设计方案，分别计算了不同等级回弹模量条件下的弯沉值，如图2所示;不同等级回弹模量条件下弯沉值与下面层设计厚度关系，如表3所示。

由图2可知，其弯沉值随着基层回弹模量的减小而增加;当基层的回弹模量为269MPa时，下面层的弯沉值达到最大弯沉设计值21.6（0.01mm）。由表3可知，当沥青混凝土下面层的设计厚度为4cm时，若基层的回弹模量较大，则其弯沉值要远小于设计弯沉值;随着基层回弹模量的减小，下面层的弯沉值逐渐增大;当基层回弹模量小于269MPa时，4cm厚度的下面层设计不能满足设计弯沉值的要求。为了在基层较低的回弹模量条件下，使下面层的弯沉达到设计值的要求，必须增加下面层厚度，即当基层回弹模量为260MPa时，下面层厚度为46mm。

2.2.2 道路5年使用年限设计分析。根据改造路段行驶车辆轴载分析以及反演计算弯沉值，结合现场弯沉实测值，预测大修道路5年使用年限时的弯沉设计值为19.1（0.01mm），与道路3年使用设计年限弯沉值设计值26.1（0.01mm）相比较小。为了寻找最优设计方案，分别计算了不同等级回弹模量条件下的弯沉值，如图3所示;不同等级回弹模量条件下弯沉值与下面层设计厚度关系，如表4所示。

由图3可知，当基层的回弹模量为333MPa时，下面层的弯沉值达到最大弯沉设计值19.1（0.01mm）。由表4可知，沥青混凝土下面层的设计厚度为4cm时，若基层的回弹模量较大，则其弯沉值要远小于设计弯沉值;随着基层回弹模量的减小，下面层的弯沉值逐渐增大;当基层回弹模量小于333MPa时，4cm厚度的下面层设计不能满足设计弯沉值的要求。为了在基层较低的回弹模量条件下，使下面层的弯沉达到设计值的要求，必须增加下面层厚度，即当基层回弹模量为330MPa时，下面层厚度为42mm。

2.3 直接加铺沥青混凝土面层设计分析

由于该国道改造部分路段通过村镇，道路紧邻居民住宅，改建后的路面标高不能抬高过多，否则将影响当地居民的正常生活，因此，部分改造路段未设置水泥稳定碎石层，路面面层为8cm厚沥青混凝土。其中，上面层为4cm细粒式沥青混凝土（AC-13），下面层为4cm中粒式沥青混凝土（AC-16），各沥青层之间应设置黏层，微裂水泥混凝土基层顶面设置沥青下封层和透层。路面结构设计如图4所示。

考虑到路面结构设计的合理性和经济性，针对路面破碎后直接加铺沥青混凝土面层的路面改造设计方案，上面层为4cm细粒式沥青混凝土（AC-13），結合现场实测弯沉值和交通量计算下面层的最优设计厚度，分别进行了3年、5年两种设计使用年限的分析。

2.3.1 道路3年使用年限设计分析。根据改造路段行驶车辆轴载分析以及反演计算弯沉值，结合现场弯沉实测值，预测大修道路3年使用年限时的弯沉设计值为21.6（0.01mm）。为了寻找最优设计方案，分别计算了不同等级回弹模量条件下的弯沉值，如图5所示;不同等级回弹模量条件下弯沉值与下面层设计厚度关系，如表5所示。

由图5可知，当基层的回弹模量为595MPa时，下面层弯沉值达到极限设计弯沉值26.1（0.01mm）。由表5可知，沥青混凝土下面层的设计厚度为4cm时，若基层的回弹模量较大，则其回弹模量要远小于设计弯沉值;随着基层回弹模量的减小，下面层的弯沉值逐渐增大;当基层回弹模量小于595MPa时，4cm厚度的下面层设计不能满足设计弯沉值的要求。为了在基层较低的回弹模量条件下，使下面层的弯沉值达到设计的要求，必须增加下面层厚度，即当基层回弹模量为590MPa时，下面层厚度为45mm;当回弹模量为580MPa时，下面层厚度为56mm。

2.3.2 道路5年使用年限设计分析。根据改造路段行驶车辆轴载分析以及反演计算弯沉值，结合现场弯沉实测值，预测大修道路5年使用年限时的弯沉设计值为19.1（0.01mm）。为了寻找最优设计方案，分别计算了不同等级回弹模量条件下的弯沉值，如图6所示;不同等级回弹模量条件下弯沉值与下面层设计厚度关系，如下表6所示。

由图6可知，当基层回弹模量为675MPa时，下面层弯沉值达到极限设计弯沉值19.1（0.01mm）。由表6可知，沥青混凝土下面层的设计厚度为4cm时，若基层的回弹模量较大，则其回弹模量要远小于设计弯沉值;随着基层回弹模量的减小，下面层的弯沉值逐渐增大;当基层回弹模量小于675MPa时，4cm厚度的下面层设计不能满足设计弯沉值的要求。为了能够满足设计弯沉值的要求，当基层回弹模量为650MPa时，下面层设计厚度为66mm。

3 两种路面结构设计方案对比分析

根据原水泥混凝土路面不同路况，在不同路段分别采用了加铺水泥稳定碎石基层再铺设面层和直接加铺面层两种设计方案。为了分析两种改造设计方法的适用性，分别针对两种设计方案进行了3年和5年两种设计使用年限条件下弯沉值的对比分析。两种设计方案的3年设计使用年限弯沉对比和5年设计使用年限弯沉对比分别如图7、图8所示。

由图7可知，在3年设计使用年限条件下，直接加铺沥青混凝土面层的弯沉值较大，且弯沉值随回弹模量的减小而增大的速率较大。根据交通量和原路面测量弯沉值，3年设计使用年限条件下的弯沉设计值为21.6（0.01mm），原水泥混凝土路面破碎压稳后的弯沉值整体能够达到设计要求，直接加铺沥青混凝土面层的设计满足要求，但需要对局部原路面损害严重部位进行处理，增强路基承载力。

由图8可知，在5年设计使用年限条件下，直接加铺沥青混凝土面层的弯沉值较大，且直接加铺面层设计方案的弯沉值随回弹模量的减小的而增大的速率较大。根据交通量和原路面测量弯沉值，5年设计使用年限条件下的弯沉设计值为19.1（0.01mm），原水泥混凝土路面破碎压稳后，弯沉值普遍大于5年设计期限条件下的弯沉设计值，因此直接加铺沥青混合料的设计方案，较难达到5年设计使用年限的预期，此时直接加铺沥青面层设计应增加面层厚度才能满足弯沉值的要求。

4 结语

旧水泥混凝土路面微裂破碎后采用铺设沥青面层的“白改黑”施工工艺能够很好地利用原有路面的结构强度，不产生过多的建筑垃圾。旧水泥混凝土路面微裂破碎压稳后作为改建道路基层，通过两种面层铺设结构设计对比分析，优化了沥青面层铺设施工方案。在改建道路预期3年使用年限条件下，原水泥混凝土路面破碎压稳后的弯沉值整体能够达到设计要求，可直接加铺沥青混凝土面层;在预期5年使用年限条件下，直接加铺沥青面層设计应增加面层厚度才能满足弯沉值的要求。同时，对局部原路面损害严重部位进行注浆加固处理，增强路基承载力。

参考文献：

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