您所在的位置:主页 > 学术作品 > 建筑作品 >

旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法探讨

作者:双核期刊发表网; 更新时间:2018-04-18

摘要:旧水泥混凝土路面加铺沥青层对于及时修复已损坏的水泥混凝土路面,保证公路运输畅通具有重要意义。本文针对旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法进行探讨,首先介绍了最为常用的两种国外旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法:AASHTO经验法和弯沉法,在此基础上,以板裂缝处弯沉差、板裂缝处补强层断裂以及《公路沥青路面设计规范》验算指标为控制指标,建立了多指标旧水泥混凝土路面补强设计方法,从而为实际工程提供借鉴。

关键词:水泥混您土;路面;沥青;设计


1引言

我国自80年代以来,在各地修筑了大量的水泥混凝土路面。但近些年来,由于交通量的迅速增长和超载情况的不断增加,以及一些早期修建的水泥混凝土路面大都到了或接近其使用年限,因此,很多水泥路面出现了不同程度的现结构性破坏或功能性缺陷,严重影响了道路的使用质量,增加了道路的养护和营运费用,有些甚至到了急需改造的阶段。在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层不仅可以有效地改善其使用品质,而且具有对交通和环境影响小、加铺面层后行车舒适性好等特点,是修复水泥路面的首选方案。因此,研究旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法,对于及时修复已损坏的水泥棍凝土路面,保证公路运输畅通具有重要的现实意义。

2国外旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法

国外旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法包括COE经验法、AASHTO经验法、弯沉法、ARE( Austin Research Engineers)法四种方法,其中以AASHTO经验法和弯沉法较为常用。

2.1 AASHTO经验法

    美国AASHTO罩面设计法采用补足厚度缺额的概念确定沥青加铺层厚度,其设计公式为[1]:

       (1)

式中:为旧混凝土面层厚度(cm);为按现有地基承载能力和未来交通量要求,由新建混凝土路面设计方法确定的单层混凝土面层所需的厚度(cm);为考虑损坏接缝和裂缝是否修复的系数,加铺前己进行全厚度修补时,,否则按每公里为修复接缝和裂缝的数量在0.6~1.0范围内选取;为考虑旧面层是否存在耐久性问题(耐久性裂缝或反应性集料病害)的系数,无耐久性问题时,,有耐久性裂缝但未碎裂时, = 0.96~0.99,有少量碎裂时, = 0.88~0.95,严重碎裂时,为考虑疲劳损坏程度的系数,少量横向裂缝板(<5%)则,较多横向裂缝板(5%~15%)则=0.94 ~0.96,大量横向裂缝板则= 0.90 ~0.93;A为混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数,它是混凝土厚度缺额的函数,由下式确定:

A= 2.2233 + 0.00153(hd-hef)2- 0.0604(hd-hef) (2)

2.2弯沉法

美国沥青协会(AI)认为旧面层接缝(裂缝)处的竖向位移(弯沉)差是引起沥青加铺层开裂的主要原因,因为轮载的施加速度远高于温度变化产生的面层板伸缩位移的速率。增加加铺层厚度可以降低弯沉量,每lcm厚密级配沥青混凝土加铺层约降低2%弯沉量(最高可达4%-5%)。当需要降低的弯沉量过大时,采用厚加铺层是不经济的。这时,应采取措施提高接〔裂)缝处的路面结构刚度,即降低旧面层的弯沉量,如板底脱空区的灌浆填封,置换损坏板,设置边缘排水系统,恢复接缝传荷载装置(设传力杆)等。沥青协会建议可以不采取板底填封等措施的弯沉标准为: pagebreak

接缝(或裂缝)两侧的板边弯沉差

(WL–Wu) ≤0.05mm          (3)

接缝(或裂缝)两侧的板边平均弯沉  

 (WL+Wu)/2≤0.36mm          (4)

式中:WL为受荷板的板边弯沉值,Wu为非受荷板的板边弯沉值,均由80kN轴载和贝克曼梁测定。在弯沉值满足上述要求(或者不满足采取板底填封等措施使之达到上述要求)的情况下,为减少反射裂缝影响所需的加铺层厚度取决于旧面层为l00mm(约可降低20%的弯沉量),其他情况下的厚度选用则依据年平均温差(最热和最冷月的最大日最高温度与最小日温度差的30年平均值)和旧混凝土板长度的实际情况选用。当加铺层厚度超过200mm~225mm时,会引起纵坡、路肩、净空、沿线交通设施等其它方面的一些问题。此时,则必需采取其它减少反射裂缝措施。而厚度大于100mm的加铺层,也可结合选用其它减少反射裂缝的措施而采用较薄的加铺层厚度。

3多指标旧水泥混凝土路面补强设计方法

   上述这些国外的经验设计法与我国路面设计传统的理论法相差较大,无法照搬套用,只能在理论分析的基础上参考借鉴。我国现行的水泥混凝土路面规范对旧水泥混凝土路面上加铺水泥混凝土或钢纤维混凝土的设计作了简单的规定,但对旧水泥混凝土路面加铺沥青层的还没有给出具体的设计方法。实际上,在荷载作用和温度作用下,加铺沥青层主要破坏是补强层的断裂,包括旧板缝隙处由弯沉差引起的断裂和在荷载反复作用下引起的疲劳开裂。因此,旧水泥混凝土路面加铺沥青层设计以控制弯沉差和补强层疲劳断裂为基本方法,可以现行《公路沥青路面设计规范》为验算方法[2],进行补强层厚度的设计。

该方法主要分为六个阶段:

(1)对旧路进行调查评价,获取旧路结构的各层材料信息。根据水泥混凝土路面里程、分布范围情况、不同修建时间等具体情况,以及设计指标、施工工艺及施工控制技术差异,使用过程中受到自然、行车等影响,破坏情况也不尽相同。因此在进行路况全面调查前,必须将现有混凝土路面划分为若干不同段落,以便调查。路段划定以后,可分段采用人工实地徒步检测方法连续调查各路段每百米内各类破损数量,每百米统计纪录一次破损数量,每公里汇总一次各类破损数量,得出各路段的破损状况汇总数量,最后根据各路段破损状况汇总数量评定本段路面使用状况。然后通过钻取芯样与贝克曼梁等技术方法获取获取旧路面板的厚度、模量以及弯沉和弯沉差,根据收集的信息对旧路结构提出处治要求;

(2)由于各种因素影响造成一些路段出现角隅断裂和剥落、接缝剥落和横向开裂、错台、坑洞、脱空板、破碎板以及纵向裂缝板等现象。为了保证修复后路面的质量,须对上述损害作适当的处理。对旧路进行处理后,再次测定旧路面弯沉,用此测定的弯沉结果作为补强厚度计算的依据;

(3)沥青面层厚度的确定。美国在旧水泥混凝土路面上加铺AC层的最小厚度考虑了施工、沥青混合料中最大集料尺寸、压实所需要的时间、交通量、荷载等级及投资等诸多因素,其取用的沥青面层厚度为3.8cm~7.6cm,在日本,沥青面层最小厚度为4.0cm,德国为3.5cm。综合国外使用情况及国内相关科研单位试验路的结果,考虑到在旧水泥混凝土拌和破碎板上加铺了一层半刚性过渡层,沥青面层仅起表面功能层作用,沥青面层厚度取值可为:高速公路、一级公路7~8cm,二级及二级以下公路为4~5cm。

(4)首先,以板裂缝处弯沉差为控制指标,根据弯沉差数据初步确定补强层厚度h1。具体计算时,根据实测的旧水泥混凝土路面代表弯沉差△ls,按每厘米厚补强层可减少板裂缝处弯沉差为4.0%进行计算。然后以板裂缝处补强层断裂为控制指标,对拟用的补强层材料和面层材料进行室内试验,测得材料的抗压模量和抗拉强度。由于应力图绘制没有考虑面层的影响,因此,需要对补强层材料的模量加以修正,考虑面层对补强层材料的贡献。根据h1和修正补强层材料模量查应力图,检验补强层底部应力是否超过材料的允许强度,如超过,则补强层发生断裂,需要改变材料组成以提高材料的允许强度,或者增加补强层的厚度,以减少补强层底部的应力,再次确定补强层不断裂所需要的厚度h2。

(5)以现行《公路沥青路面设计规范》法为验算指标。板裂缝处弯沉差与板裂缝处补强层断裂两项控制指标主要针对旧板裂缝对补强层带来的破坏。由于现行沥青路面设计理论和方法比较完善,也有大量的实测资料可利用,旧混凝土路面上铺筑半刚性基层沥青路面还应该满足现行《公路沥青路面设计规范》设计指标要求,即以沥青面层设计弯沉为指标及各结构层层底拉应力为验算指标进行补强层厚度的设计[3]。因此,旧水泥混凝上路面加铺沥青层的补强设计控制指标之三是采用现行公路沥青路面设计方法中的控制指标,即以补强层作为设计层,利用现行《公路沥青路面设计规范》的方法,对旧水泥混凝土路面补强层进行厚度计算,设计算厚度为h3;

(6)根据上述三步计算结果得到的h1, h2,h3,补强层设计厚度可确定为:

h= max (h1,h2,h3)          (4)

4结语

   本文介绍了最为常用的两种国外旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法:AASHTO经验法和弯沉法,并以板裂缝处弯沉差、板裂缝处补强层断裂以及《公路沥青路面设计规范》验算指标为控制指标,建立了多指标旧水泥混凝土路面补强设计方法,可为实际工程提供借鉴。

参考文献

[1] AASHTO, AASHTO Guide for design of pavement structure, AASHTO, Washington, ,D .C., 1993.

[2]中华人民共和国行业标准,公路沥青路面设计规范JTJ014-97,人民交通出版社, 1997.

[3]刘朝晖,李宇峙,李健,胡伟.高速公路旧水泥混凝土路面加铺沥青面层结构组合设计.公路交通科技, 2004,21 (7): 17~21


 

咨询QQ:663410938 投稿邮箱:663410938@qq.com
双核期刊发表网 版权所有
业务咨询