旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计方法研究

旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计方法研究
摘要：在旧水泥混凝土面层(PCC)上加铺沥青混凝土层(AC)是改善路面使用性能和提高承载能力的一项行之有效的措施。

本文作者围绕着旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计方法问题，在试验路测试研究的基础上,探讨符合我国实际情况的旧水泥混凝土路面破裂板顶面当量回弹模量的确定方法及沥青加铺层的设计方法。

关键词：旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计
引言
由于路面结构特殊以及涉及到的不确定因素众多,国内外旧水泥混凝土路面沥青加铺层的设计方法尚未完善,至今仍未有公认的合理可行的设计方法。

目前我国公路及市政道路设计规范尚无关于水泥混凝土路面破裂板沥青加铺层的设计方法,国外的气候、水文、建筑材料及交通组成、设计轴载等又与我国不同,且国外的路面设计理论与我国路面设计传统的理论相差较大,无法照搬套用.因此,本文在试验路测试研究的基础上,探讨符合我国实际情况的旧水泥混凝土路面破裂板顶面当量回弹模量的确定方法及沥青加铺层的设计方法。

1 旧水泥混凝土路面破裂板顶面当量回弹模量的确定方法
从旧水泥混凝土路面破裂板的性质来说,当板块平面尺寸较小时(一般小于 1 m),其性质可视为半刚性或柔性路面一类.水泥混凝土路面破裂板的承载力主要来源于两个方面:一是地基对破裂板的支承力,它在路面使用过程中变化不大;二是破裂板裂缝间的嵌锁力,作用在一块破裂板上的荷载应力可通过破裂板裂缝间凹凸不平的接触面形成的嵌锁力向周围板块传递,起到扩散荷载的作用.
(1)旧水泥混凝土路面破裂板顶面当量回弹模量测试分析.在进行破裂板加铺层路面结构厚度计算时要先确定破裂板顶面的剩余刚度,而常用的承载板试验确定结构层回弹模量的方法比较复杂、速度慢,不便进行大量检测,若测点太少,检测结果又很难具有代表性,而弯沉测定旧水泥混凝土破裂板顶面当量回弹模量的方法比承载板简便而快速,因此,推荐采用弯沉测定结果反算旧水泥混凝土路面破裂板顶面当量回弹模量的方法.当量回弹模量计算公式可根据承载板下竖向变形与弹性模量的理论公式推导出来.
①破裂板顶面弯沉值的测定与计算.检测设备为标准车(BZZ-100),轮胎压力为0.70±0.05MPa,标准贝克曼梁、百分表。

弯沉代表值为弯沉测定值的上波动界限,用下式计算
ɭ r为弯沉代表值(0.01 mm); ɽ为弯沉测定平均值(0.01mm);S为标
准差(0.01 mm);Zα为与要求保证率有关的系数,一级公路Zα=2.0,二、三级公路Zα=1.645;K1为季节影响系数;K2为湿度影响系数.
②破裂板顶面当量回弹模量的换算.根据弹性半空间理论,承载板下的竖向变形ɭ与弹性模量E、泊松比μ、平均触地压力p及承载板直径D之间有如下关系:
如承载板的传压面积与双轮荷载的传压面积相等,则有：
因此有：
将各参数单位变化后,旧水泥混凝土路面破裂板顶面回弹模量可根据代表性弯沉ɭ r按下式计算:
式中:Eɭ为旧水泥混凝土破裂板顶面当量回弹模量(MPa); ɭ r为破裂板顶面代表性弯沉值(0.01mm);p为标准轴载车型轮胎接地压强;δ为标准轴载单轮传压面当量圆半径(cm);m为用标准轴载(BZZ-100)在旧水泥混凝土破裂板顶面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的回弹变形值之比,即轮板对比值m=ɭ/L.
③某试验路m值确定案例.对某试验路旧水泥混凝土路面破裂稳固路段进行了17个点的承载板试验及弯沉值测定,旧水泥混凝土路面破裂板顶面当量回弹模量与板顶弯沉值关系如图1所示。

图1 回弹模量与弯沉值关系曲线
由图1可得出旧水泥混凝土路面破裂板顶面回弹模量与板顶弯沉值关系的回归公式为:
通过上式即可方便快捷地确定出计算路面结构厚度所需的重要参数 E
ɭ。

2 旧水泥混凝土路面破裂板沥青加铺层结构设计方法
(1)设计参数.调查测定内容包括:①交通量、交通组成、气候和自然区划等资料调查;②沥青混合料或半刚性材料抗拉强度的试验测定;③旧水泥混凝土路面破裂板顶面当量回弹模量的测试.
(2)设计标准.对于板块破裂平面尺寸小于1m的水泥混凝土路面而言,其结构层主要表现为柔性性质,因此,可以按半无限地基上的弹性层状体系为理论基础进行加铺层厚度的计算.沥青加铺层或半刚性补强层层底拉应力应不大于该层材料的容许拉应力σR,即:σm≤σR。

容许拉应力σR按下式计算：
式中:σR为路面结构层材料的容许拉应力(MPa);σSP为沥青混合料或半刚性材料的劈裂强度(MPa);KS为抗拉结构系数。

对沥青混凝土面层:
Aa为沥青混凝土级配类型系数,细、中粒式沥青混凝土为1.0,粗粒式沥青混凝土为1.1。

对无机结合料稳定集料类：
对无机结合料稳定细粒土类:
(3)结构计算方法.测定旧水泥混凝土路面破裂板顶面的弯沉值并计算当量回弹模量,根据道路等级、面层、补强层类型及累计轴载作用次数Ne计算设计弯沉值,由设计弯沉值计算加铺层的厚度.验算沥青加铺层及半刚性补强层层底的弯拉应力σm是否满足小于或等于容许拉应力σR的要求,如不满足要求,则增加加铺层或半刚性补强层的厚度,或调整材料的配合比,提高极限抗拉强度,再重新计算。

3 水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺层的设计要点
⑴对旧水泥混凝土路面的分析和整治处理
沥青加铺层对加铺前的路面修复效果较敏感,旧路面的修复程度,直接决定了加铺层设计的成功与否。

加铺层结构设计之前,应对旧水泥混凝土路面的结构性能进行全面调查和确切评价:依据断板率和平均错台两项指标,将路面损坏状况划
分为优、中、次、差四个等级;根据实测资料,将路面的接缝传荷能力也分为优、中、次、差四个等级。

当路面损坏状况和接缝传荷能力同时被评为优级或中级时,可采用直接在旧水泥混凝土面层上加铺沥青混凝土层(即沥青加铺层“白+黑”)的方法,以改善路面的使用性能。

此方法可以充分利用旧水泥混凝土路面,造价降低,施工方便,且对交通、环境影响小。

旧水泥混凝土路面利用与处理的技术方法包括常规维修、改善路基、板下脱空封堵、破碎和翻挖。

应根据弯沉数据对板块进行处治,更换破碎板,修补和填补裂缝,磨平错台,压浆填封板底脱空,清除旧面层表面的松散碎屑、油迹,剔除接缝中失效的填封料和杂物,进行重新封缝等。

⑵沥青加铺层厚度确定
根据JTGD40—2002《公路水泥混凝土路面设计规范》,沥青加铺层的厚度按减缓反射裂缝的要求确定。

高速公路和一级公路的最小厚度宜为100 mm,其他等级公路的最小厚度宜为70 mm。

加铺层的厚度直接影响到道路面层的质量,适当加厚可以延缓路面反射裂缝。

根据国内外的一些资料,加铺层的最小厚度为10~15 cm,一般为二层式,也有三层式。

⑶沥青加铺层混合料设计
为了加强加铺层减缓反射裂缝的能力,加铺层通常采用改性沥青或加入纤维。

沥青玛蹄脂碎石SMA混合料是一种间断级配材料,用于表面层,具有优良的抗车辙性能和抗滑性能。

它与传统沥青路面相比较,具有优良的高温稳定性;良好的耐久性;良好的表面特性;良好的低温抗裂性。

实践证明,SMA具有良好的延缓反射裂缝的效果,目前,已在“白+黑”路面改建中大量应用。

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