旧水泥混凝土路面评价指标及沥青混凝土加铺层结构设计研究

� 第30卷 � 第5期 2 0 1 0 年 1 0 月 中 � 外 � 公 � 路 � � � � � � 文章编号: 1671- 2579( 2010) 05- 0099- 03 旧水泥混凝土路面评价指标及 沥青混凝土加铺层结构设计研究 宋夫才1 , 赵迁乔2 ( 1. 青岛市公路规划设计院, 山东 青岛 � 266061; 2. 山东科技大学 资源与环境工程学院) 摘 � 要: 结合旧水泥混凝土路面特点和具体病害特征,探讨了旧水泥混凝土路面评价指 标应遵循的原则, 建立了一套适合旧水泥混凝土路面加铺层设计的评价指标体系,体系的确 定既考虑了路面损坏量化的可行性, 还实现了通过指标的评定, 能够针对性地确定病害处理 方案,并通过确定沥青混凝土加铺层结构设计,由此给出针对性强和有效的旧水泥混凝土路 面养护工程措施。 关键词: 旧水泥混凝土路面; 指标; 病害处理; 加铺层; 结构设计 收稿日期: 2010- 05- 06 作者简介: 宋夫才, 男,硕士, 高级工程师. E- mail: qdsfc@ 126. com 1 � 依托工程介绍 国道 G204( K225+ 500~ K228+ 886. 256段)是 烟台至上海公路的一部分,位于胶州市区内, 现状道路 等级为二级公路, 路面为水泥混凝土路面, 路面宽 30 m,现状路面结构为: 22 cm 水泥混凝土+ 18 cm 6%水 泥稳定黄砂。该项目是胶州市区内一条重要的南北通 道,是胶州市城区道路网重要的结构构架,承担着胶州 市区南北向主要的交通流。 2 � 旧水泥混凝土路面评价指标应 遵循的原则 � � 进行旧水泥混凝土路面评价, 目前, JT G H20- 2007�公路技术状况评定�和 JT J 073. 1- 2001 �公路水泥混凝土路面养护技术规范�都有相应的规 定,但两者在指标和养护对策方面不尽统一, 不能按照 统一的标准进行养护评价。因此, 进行指标选取确定 时应遵守以下原则。 ( 1) 科学性。评价指标要建立在科学的基础上, 能够客观地反映路面损坏的本质和复杂性, 反映不同 路段区域的现有路面质量水平。 ( 2) 独立性。各评价指标和相应标准应相互独 立,具有相对的独立内涵,避免重复设置。 ( 3) 可操作性。评价指标应便于专家和实际工作 者接受。评价指标应具有一定的普遍性,易于量化、操 作简便,同时评价方法易于掌握, 在实际中能够应用。 同时,有与指标相对应的养护对策。 3 � 评价指标选取 结合项目具体情况, 并参照 JT G H20- 2007�公 路技术状况评定标准�和 JT J 073. 1- 2001�公路水泥 混凝土路面养护技术规范�,选取以下指标作为水泥混 凝土路面沥青加铺层评价、设计指标: 1) 路面破损状 况指数 PCI ; 2) 断板率 DBL ; 3) 路面行驶质量 RQI ; 4) 接缝的传荷系数 K j ; 5) 旧混凝土面层厚度标准值 he ; 6) 旧混凝土面层弯拉强度 f r ; 7) 旧混凝土路面基 层顶面的当量回弹模量 E。 4 � 旧水泥混凝土路面养护工程对策 及沥青混凝土加铺层结构设计 4. 1 � 旧水泥混凝土路面评价 4. 1. 1 � 路面状况调查 通过实地调查全线路面现状, 国道 G204( K225+ 500~ K228+ 886. 256 段)全线水泥路面存在纵、横裂 缝,坑洞, 板角断裂, 断裂板,错台, 磨损和露骨,修补损 99 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 中 � 外 � 公 � 路 � � � � � � � � � � � � � � � 第 30卷 � 坏等病害,基本上能满足使用要求, 本着节省投资原 则,对原路面病害部位进行加固补强, 修复后加以 利用。 4. 1. 2 � 路面使用性能评价 4. 1. 2. 1 � 路面破损状况评价 ( 1) 路面损坏 ( PCI )。根据路面破损情况调查, 评价路面损坏用路面损坏状况指数 ( PCI )按式 (1)、 (2)计算。 PCI= 100 - a0 DRa1 (1) DR = 100 � � i 0 i= 1 w iA i A (2) 式中: DR 为路面破损率,为各种损坏的折合损坏面积 之和与路面调查面积之百分比( % ) ; A i 为第 i 类路面 损坏的面积( m2 ) ; A 为调查的路面面积(调查长度与 有效路面宽度之积, m2 ) ; w i 为第 i 类路面损坏的权 重,水泥混凝土路面按 JT G H20- 2007�公路技术状 况评定标准�中水泥混凝土路面损坏类型和权重表取 值;水泥混凝土路面 a0 采用 10. 66; 水泥混凝土路面 a1 采用 0. 461; i为考虑损坏程度(轻、中、重)的第 i项 路面损坏类型; i0 为含损坏程度(轻、中、重)的损坏类 型总数,水泥混凝土路面取 20。 该路段路面损坏状况指数 PCI 评价结果如表 1 所示。 表 1 � 路面损坏状况指数 PCI 评价结果 现场桩号 路面状况指数(P CI ) K225+ 500~ K226+ 500 55. 03 K226+ 500~ K227+ 500 55. 09 K227+ 500~ K228+ 500 55. 52 K228+ 500~ K228+ 886. 256 60. 57 ( 2) 断板率 DBL。依据路段破损状况调查得到 的断裂类病害的板块数, 按裂缝种类和严重程度的不 同,采用不同的权系数进行修正后, 由式(3)确定该路 段的断板率(DBL) ,以百分数表示。 DBL = ( �ni i= 1 �j i j = 1 DB ij W�ij ) BS (3) 式中: DB ij 为 i 种类裂缝病害 j 种轻重程度的板块数; W�ij为 i 种类裂缝病害 j 种轻重程度修正权系数, 按 JT G H20- 2007�公路技术状况评定标准�中计算断 板率的权系数表确定; B S为评定路段的板块总数。 通过现场对混凝土断板的调查数据,根据式( 3)计 算得该项目的断板率评价结果如表 2所示。 表 2 � 断板率评价结果 现场桩号 断板率( DB L) / % K225+ 500~ K226+ 500 6. 94 K226+ 500~ K227+ 500 5. 06 K227+ 500~ K228+ 500 3. 08 K228+ 500~ K228+ 886. 256 2. 81 ( 3) 路面破损状况评价。路面损坏状况的评价标 准按照 JT J 073. 1- 2001�公路水泥混凝土路面养护 技术规范�的规定进行评价, 综合路面状况指数 PCI 与断板率DBL 的计算结果, 进行路面破损状况评价, 如表 3所示。 表 3� 路面破损状况评价结果 现场桩号 路面状况指数 PCI 断板率 DBL / % 路面破损 状况等级 K225+ 500~ K226+ 500 55. 03 6. 94 中级 K226+ 500~ K227+ 500 55. 09 5. 06 中级 K227+ 500~ K228+ 500 55. 52 3. 08 中级 K228+ 500~ K228+ 886. 256 60. 57 2. 81 中级 4. 1. 2. 2 � 平整度评价 路面平整度用路面行驶质量指数( RQI )评价, 按 式( 4)计算: RQI= 100 1+ a0 eae1I RI (4) 式中: I RI 为国际平整度指数( m/ km) ; a0 : 高速公路和 一级公路采用 0. 026, 其他等级公路采用 0. 018 5; a1 : 高速公路和一级公路采用 0. 65, 其他等级公路采用 0. 58。 根据以上公式和路面平整度检测结果, 评价可得 路面行驶质量指数( RQI )及评价结果如表 4所示。 表 4� 路面行驶质量指数( RQI )及评价结果 评价区间 平均 IR I / ( m � km- 1 ) RQI 评价 等级 K225+ 500~ K226+ 500 8. 90 7. 63 次 K226+ 500~ K227+ 500 9. 38 8. 00 次 K227+ 500~ K228+ 500 9. 37 7. 87 次 K228+ 500~ K228+ 886. 256 9. 20 7. 68 次 4. 1. 2. 3 � 路面结构承载能力评定 100 � 2010年 第 5期 � 宋夫才, 等:旧水泥混凝土路面评价指标及沥青混凝土加铺层结构设计研究 � � 旧混凝土面层板接缝传荷能力和底板脱空状况采 用弯沉测试法调查评定, 按式( 5)计算接缝传荷系数: kj= w u w l � 100% ( 5) 式中: w u、w l 为未受荷载板和荷载作用板边缘所测弯 沉值。 利用落锤式弯沉仪测定了接缝传荷能力为中级。 FWD多级加荷方法是目前广泛采用判断水泥混凝土 路面板底脱空的一种方法, 该方法也已被 AA SHT O 推荐采用。该方法认为当多级荷载与弯沉回归的直线 与坐标轴的截距大于 0. 05 mm 时, 板底处于脱空状 态。采用该方法测得的脱空率为 12. 5%。 4. 1. 2. 4 � 旧混凝土路面结构参数评价 旧混凝土路面结构参数主要包括: 旧混凝土面层 厚度标准值 he ;旧混凝土面层弯拉强度 f r ; 旧混凝土 路面基层顶面的当量回弹模量 E。 ( 1) 旧混凝土面层厚度标准值 he。可根据钻孔芯 样的量测高度按式( 6)计算确定: he= �h e- 1. 04sh ( 6) 式中: �he 为旧混凝土面层量测厚度的均值( mm) ; sh 为 旧混凝土面层厚度量测值标准差( mm)。 计算后的旧混凝土面层厚度的标准值同原设计厚 度比较, h e 大于原设计厚度 22 cm ,厚度评价为合格。 ( 2) 旧混凝土面层弯拉强度 f r。可采用钻孔芯样 的劈裂试验测定结果按式( 7)和式( 8)计算确定: f r= 0. 621f sp + 2. 64 ( 7) f sp = �f sp - 1. 04ssp ( 8) 式中: f sp为旧混凝土劈裂强度标准值( M Pa) ; �f sp为旧 混凝土劈裂强度测定值的均值( MPa) ; ssp 为旧混凝土 劈裂强度测定值的标准差( M Pa)。 ( 3) 旧混凝土路面基层顶面的当量回弹模量 E。 根据基层钻芯的组成及性能情况, 依确定旧 混凝土路面基层顶面的当量回弹模量。 4. 2 � 旧水泥混凝土路面养护工程对策 该项目路面行驶质量评价等级为次, 根据 JTJ 073. 1- 2001�公路水泥混凝土路面养护技术规范�规 定,二级及二级以下公路的行驶质量等级为次及次以 下时,应采取刻槽、罩面或加铺层等措施改善路面的平 整度。 该项目路面损坏状况评价等级为中、传缝接荷能 力评价等级为中, 根据 JT G D40- 2002�公路水泥混 凝土路面设计规范�规定,当旧混凝土路面的损坏状况 和传缝接荷能力评定等级为中时, 可采用加铺层设计, 以恢复该道路安全舒适的行车条件。结合工程造价、 公路施工条件、养护性质及项目具体特点, 鉴于国道 G204为中修,且该项目的工期要求短, 并考虑到沥青 混凝土路面在行车效果等方面的诸多优点, 项目推荐 采用沥青加铺层结构设计方案。 4. 3 � 加铺层设计 4. 3. 1 � 旧混凝土路面处理 在沥青混凝土加铺前,应对原有混凝土路面的病 害进行综合处理。对混凝土所有破碎板进行整体更 换;清除路面缩缝、胀缝、纵缝等接缝中的杂物,重新灌 注良好的填缝料;角隅断板等非贯通性断裂采用灌沥 青砂或环氧树脂胶结; 错台比较大的需要对高出一侧 边缘进行修复; 对底板脱空板块、唧泥板块, 采用压浆 处理。其他非结构性破坏,如表面起皮、露骨、剥落、麻 面等不予处理。 4. 3. 2 � 加铺层厚度计算 通过对旧混凝土路面层弯拉强度标准值、路面厚 度以及路面基层顶面的当量回弹模量标准值的检测, 取弯拉强度标准值 f r = 4. 2 MPa, 路面厚度 h= 22 cm, 基层顶面的当量回弹模量标准值 126 MPa。初拟 沥青混凝土加铺厚度为 9 cm: 4 cm 厚细粒式改性沥青 混凝土+ 5 cm 厚中粒式改性沥青混凝土。 经计算,二级公路沥青混凝土铺装层最小厚度为 9 cm。根据以往道路改造经验,为保证路面工程质量, 减缓反射裂缝的出现,在沥青加铺层结构设计中, 加铺 沥青砂及玻纤格栅。此次维修拟采用路面结构见 表 5。 表 5� G204 国道拟采用的维修路面结构 项目 维修路面结构层类型 数值 加铺层/ cm 细粒式沥青混凝土( AC- 13C) 4 粘层沥青/ ( L � m- 2 ) 乳化沥青 0. 5 加铺层/ cm 中粒式沥青混凝土( AC- 16C) 5 粘层沥青/ ( L � m- 2 ) 乳化沥青 0. 5 玻纤格栅 玻纤格栅 找平层/ cm 沥青砂 2 热沥青封层 原有水泥 混凝土路面 修补病害 5 � 结论与建议 ( 1) 水泥混凝土路面沥青加铺层设计关键点是正 101 � 中 � 外 � 公 � 路 第30卷 � 第5期2 0 1 0 年 1 0 月 � 文章编号: 1671- 2579( 2010) 05- 0102- 04 摩尔库仑理论应用于玻璃纤维格栅加强 沥青面层剪切性能 王端宜1 , 袁谱1 , Fw a T ien Fang 2 ( 1. 华南理工大学 道路研究所, 广东 广州 � 510640; 2. 新加坡国立大学 土木工程学院交通研究中心) 摘 � 要: 车辙是由致密(体积改变)和剪切变形(没有体积改变)引起的,而剪切变形比致密变 形的影响大得多。该文利用有限元软件, 计算玻璃纤维格栅加强沥青面层极限承载力, 分析 了玻璃纤维格栅加强沥青面层的抗车辙能力。结果表明: 运用摩尔库仑模型评估玻璃纤维格 栅加强沥青面层具有可行性。 关键词: 车辙; 沥青路面; 摩尔库仑理论; 玻璃纤维格栅 收稿日期: 2010- 03- 03 作者简介:王端宜, 男,教授. E- mail: tcdywang@ scut. edu. cn 1 � 前言 国外大量研究指出, 沥青路面的车辙是由单层或 多层在反复交通荷载作用下发生不可逆转的变形或者 永久变形所引起,形状变形(剪切)是引起沥青胶结层 永久变形的主要原因。沥青胶结层永久变形累积主要 是层面的形状变形,并非是体积改变。沥青集料混合 料的非线性性质,特别在高温条件下,要求直接测试抗 形状变形能力。 塑性是与不可逆应变的发展相联系的, 在塑性理 论中,屈服极限的概念定义为弹性变形限制和材料屈 服。常采用 Mohr- Coulomb 模型和 Drucker - Prag� er 模型描述混凝土、粒料材料和其他摩擦材料的本构 � � � � � 屈服方程。把 Mohr- Coulomb 运用在沥青混合料设 计的想法可以追溯到 20世纪 50年代的一大批道路研 究者。但这个方向的研究未能继续延续,最终被中断, 可能由于试验室三轴试验的复杂性,它不仅耗时, 而且 沥青混合料试验室结果与生产结果难以联系。之后, 随着先进测试设备的发展和强大的计算分析工具的出 现,道路研究者论证了采用 Mohr- Coulomb 模型能 够描述沥青混合料的弹- 塑性行为,基于此理论, Mo� hr- Coulomb理论能够设计出合理的沥青混合料和路 面结构。 PLAXIS软件的 Mohr- Coulomb 模型中的 5个 参数: 杨氏模量( E) ; 泊松比( �) ;内摩擦角( �) ; 内聚力 ( c) ;剪胀角( �) ,能够描述材料在一般应力条件下的抗 剪切强度。此外, 土工格栅模块能够实现玻璃纤维格 确合理地对旧水泥路面进行状况评价。 ( 2) 根据分项评价结论,需要针对性地对原路面 进行相应的病害处理。 ( 3) 降低反射裂缝是沥青加铺层设计成功的关 键,沥青砂同玻纤格栅复合使用,实践证明是一种有效 的措施。 ( 4) 修补后的原水泥路面加铺热拌沥青封层是沥 青砂起到预定工作效果的必须措施。 ( 5) 沥青砂混合料技术要求、沥青砂集料级配范 围及沥青砂施工技术要求,应根据试验路段具体确定。 参考文献: [ 1] � JTG H 20- 2007 � 公路技术状况评定标准[ S] . [ 2] � JT J 073. 1- 2001 � 公路水泥混凝土路面养护技术规范 [ S] . 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