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国道路面改造设计方案优化分析

摘要:随着交通量的剧增,水泥混凝土路面会出现各种病害,为了改善交通,提升景观和行车品质,势必对旧水泥路面进行改造。通过某地区国省道路面改造的设计方案对比分析,详细介绍了微裂均质化处治再生技术原理及施工工艺,结果表明微裂均质化处治再生技术在“白改黑”项目中值得推广。

关键词:“白改黑”;沥青路面;改造工程;微裂均质化

1“白改黑”概述

“白改黑”是把原来的水泥混凝土路面(灰白色)改建为沥青混凝土路面(黑色),达到环保、防尘、降噪和提升行车舒适性的效果。相对于原先的混凝土路面,“白改黑”后的道路路面与轮胎之间附着力增强,车辆在处理紧急事件中制动性能大大提高,行驶起来更加安全、平稳;车辆行驶过程中产生的噪音将大幅度下降,为降低城市噪音起到了重要作用。结合某国道路面改造工程其中K350+900~K351+900段的病害调查,对比分析“白改黑”技术方案。

2工程概述

2.1工程概况。项目路面改造工程中K350+900~K351+900段既有道路为水泥混凝土路面,既有路面面层厚度为24cm,整体式路基全宽12.0m,断面布设为2.5m(左硬路肩)+2×3.50m(行车道)+2.5m(右硬路肩),路肩硬化。路面设计进行加铺沥青路面改造,沿线检查井、雨水口加固处理,与项目沿线交叉村道接顺处理。2.2旧路面调查及评价。路面破损状况调查采用现场人工调查绘制破损情况平面图(见图1)。结合落锤式弯沉车对路段进行逐板弯沉检测,对全线路面进行路面弯沉检测并出具弯沉检测报告(见图2)。道路路面典型病害为裂缝、轻度破碎板、板角断裂(见图3)。从现场看,上行行车道病害最为严重,裂缝类病害为最主要病害,部分水泥裂缝病害相当严重,特别是混凝土板纵向裂缝连续出现,裂缝长度>20m。根据《公路水泥混凝土路面设计技术规范》(JTGD40—2011)规定,旧水泥混凝土路面破损状况等级采用断板率和平均错台量两项指标进行分级(见表1)。改造路面段断板率为7.5%,平均错台量3.4mm,既有路面破损状况等级为中(5%<断板率<10%,3%<平均错台率<7%)[1-2]。2.3旧路面病害分析。结合该段路面调查情况,通过雷达及取芯抽样检测水泥路面内部缺陷,查验路段结构层形式、状态及有效厚度。发现部分路段接缝料损坏、脱落,地表水通过水泥混凝土路面的横缝、纵缝渗入到路面结构层中,在交通荷载的重复作用下,基层易产生塑性变形累积而出现空隙,地面水沿接缝或裂缝下渗,积聚到空隙内,在车轮荷载作用下变成有压水,将基层内浸湿的细料冲刷出来,形成唧泥,引起板角的脱空,从而改变了路面板基层的均匀支撑状态,在车辆荷载的作用下形成断裂。断裂裂缝没及时处治,在荷载作用下则慢慢形成破碎板、沉陷等病害[3]。

3微裂均质处治技术原理及方案

3.1微裂均质处治技术原理。微裂均质处治技术应用应力释放原理,采用新型微裂处治设备及工艺,使处治后水泥混凝土面板表面裂而不碎,无松散破碎颗粒,结构内部斜向开裂,在各个方向上形成均匀分布的细小裂缝,分散应力,嵌锁力强,达到克服反射应力的效果。再结合使用地聚合物注浆加固技术实现病害区域精准处治,处治完成后的旧水泥混凝土路面强度损失减小,承载能力增强,可作为性能良好的基层使用。3.2处治方案。施工工艺:微裂再生+地聚合物注浆加固+路表缺陷修复+换板处治+加铺面层。(1)微裂处治。调查现场路况,路况等级见表1。对路段进行划分,针对不同路况对路面进行个性化全幅路面微裂再生,微裂结束后效果见图4。将表面碎屑清扫干净,开放交通,通车碾压至板块稳定。(2)对局部承载力不足、弯沉差较大位置采用地聚合物注浆加固补强。其中,地聚合物注浆材料特点如下:①超高流动性与渗透性。通过填充、渗透和挤密可使地聚合物注浆材料进入微细空隙中,修复道路路基、基层、路面病害和补强路面结构整体强度。②激活基层或路基填土中的惰性材料。通过碱激发剂激活基层或路基填土中的惰性二氧化硅和氧化铝,与路基、基层中的矿物活性成分进行聚合反应,使地聚合物注浆材料与基层或土壤形成结石体,提高道路的承载能力。③抗水冲刷能力强。地聚合物注浆材料反应后结构致密,不收缩,抗水冲刷能力强。地聚合物注浆的简要施工工艺流程:施工准备→布孔钻孔→制浆→注浆与封孔清洗保洁→开放交通。地聚合物注浆材料具体控制指标见表2所示[4]。(3)针对水泥板块裂缝较宽、崩边较宽(宽度>3cm、深度>5cm)或坑槽较大(直径>20cm、深度>5cm)的路表缺陷,通过清理缝砂,采用快凝混凝土进行修复(见图5),提高破碎板的厚度均质化,改善缺陷位置四周荷载传荷能力,防止加铺后形成反射裂缝。(4)换板处治。对于微裂均质化处治后的水泥板块,经多次注浆加固不能满足设计要求或仍存在小板块活动、翻浆、破碎板等情况,需采取换板处治。如旧路路床存在湿软、沉陷病害,可将路床湿软部分填料挖除,将挖除的旧水泥混凝土面板破碎后回填,采用强夯机夯实,再将挖除的水泥稳定碎石填料回填,并用强夯机进行夯实。回填密实效果以夯沉量进行质量控制。(5)旧路综合处治满足质量要求后,加铺面层。

4设计方案对比分析

4.1路面设计计算。根据龙岩市公路局提供的连续观测站交通量年度统计报表,设计使用年限为12年,年平均增长率取10%。结合现场实际情况,方向系数取0.55,初始年设计车道日平均当量轴次2001辆/d,根据沥青规范规定[5],项目为改建设计项目,应采用水平一确定车道系数、车辆类型分布系数,根据规范[4]确定该设计公路为TTC2类,再根据公式:Ne=(1+γ)t-!"1×365γN1(1)式中:Ne为设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数,次;t为设计使用年限,a,γ为设计使用年限内交通量的年平均增长率,N1为初始年设计车道日平均当量轴次,(辆/d)。计算得出的轴载累计作用次数为1.5619×107次,交通等级属于重交通。通过HPDS2017公路路面设计程序系统得到原路面当量回弹模量875MPa[2,5]。采用路面结构设计程序计算加铺沥青面层厚度。设计轴载为100kN,地区公路自然区划为Ⅳ,面层最大温度梯度为89℃/m,混凝土线膨胀系数为10×10-6/℃,旧混凝土面层厚度为24cm,旧混凝土面层板长度为5.0m,旧混凝土弯拉强度为4.0MPa,旧混凝土弹性模量为29000MPa,旧混凝土材料疲劳指数为0.057,旧面层接缝应力折减系数为0.89,旧基层顶面当量回弹模量为120MPa。根据计算,得出计算结果见表3。4.2设计方案。既有路面裂缝较多,为减缓反射裂缝,综合权衡各方面因素并根据经验,原设计方案(见图6)为综合处理合格后既有面层(既有面层修复结构图见图7)机械绕刨旧水泥混凝土路面并打毛清洗+2.0cmSTRATA应力吸收层+0.5kg/m2改性乳化沥青黏层+8cm厚AC-20C型中粒式SBS改性沥青混凝土+0.5kg/m2改性乳化沥青黏层+4cm厚AC-13C细粒式SBS改性沥青混凝土面层。优化设计方案采用微裂均质处治技术补强后路面整体承载力损失小,能有效防止反射裂缝,可作为新基层。路面结构为既有混凝土路面微裂均质化处治后+水泥混凝土路面板拉毛+1cm橡胶沥青碎石封层+0.5kg/m2改性乳化沥青黏层+6cm厚AC-20C型中粒式SBS改性沥青混凝土+0.5kg/m2改性乳化沥青黏层+4cm厚AC-13C细粒式SBS改性沥青混凝土面层(见图8)。4.3设计对比。(1)技术对比分析。“白改黑”原方案为道路状况不良段挖除重建后,对旧水泥路面裂缝、接缝位置进行灌缝处治,再加铺应力吸收层及沥青面层,是一种刚柔复合式路面。水泥混凝土板具有强度高、刚度大、温度敏感性小,材料模量相对比较稳定,属脆性材料。而沥青面层材料模量小,温度敏感性大,材料模量随温度变化,呈现明显的黏弹-塑性。两种材料模量差异较大,在车辆荷载及温度应力作用下,易出现反射裂缝,需对旧水泥混凝土面板进行预防反射裂缝处理后,再加铺沥青面层,但是此处理也只能延缓反射裂缝出现的时间或年限,不能从根本上解决问题。优化方案对旧水泥混凝土面板进行微裂均质化处治,可克服加铺层反射裂缝,对旧路面病害处治较全面,无需对老路进行大填大挖,处理后可直接做基层,避免材料的浪费,施工周期较短,施工粉尘少,较环保。(2)经济对比分析见表4,表5。由以上结果可知:K350+900~K351+900段旧水泥混凝土路面“白改黑”段项目,从造价上看原设计方案比新优化方案造价约高6.9万元,并且由于新设计方案对旧路处治更为全面,且减薄了2cm下面层厚度,施工基本无粉尘,施工振动影响小,绿色环保,同时施工交通影响小(微裂施工后可立即开放交通,地聚合物注浆施6h后可开放交通),可节省临时保通设施工程费,且微裂均质化施工设备为国产化设备,可根据施工组织需求随时增加设备、人员投入,施工工期有保证。原设计方案中挖除重建方案对施工和交通组织要求较高,且施工过程中产生白色污染,施工周期长,全寿命周期经济性一般。

5结语

通过对国道“白改黑”微裂均质化技术的设计方案,在技术特点、经济性等与原方案方面进行对比分析。结果表明,微裂均质化技术可充分利用旧水泥路面残余强度,防止反射裂缝处治较彻底,可不加铺补强层,且道路使用寿命长,既有路面标高受限影响小,相对于其他处治方案,优势明显。微裂均质化处治方案值得推广。

参考文献

[1]公路水泥混凝土路面设计规范:JTGD40—2011[S].北京:人民交通出版社,2011.

[2]公路沥青路面设计规范:JTGD50—2006[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3]公路沥青路面施工技术规范:JTGF40—2004.[S].北京:人民交通出版社,2004.

[4]王都兴.旧水泥混凝土路面微裂均质化处治与加铺技术[D].西安:长安大学,2019.

[5]公路沥青路面设计规范:JTGD50—2017.[S].北京:人民交通出版社,2017.

作者:吴蕊 单位:龙岩交通建设集团有限公司

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