“柔基强面”共振碎石化路面结构在港区市政重载道路的应用.pdf

第6 期（总第2 9 0 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.013城市道桥与防洪URBANROADSBRIDGES&FLOODCONTROL道路交通“柔基强面”共振碎石化路面结构在港区市政重载道路的应用张歆瑜（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海市2 0 0 0 3 2）摘要：通过“柔基强面”共振碎石化路面结构在一条港区市政重载道路的实际应用，分析“柔基强面”共振碎石化新型路面结构在港区市政重载道路工程设计应用技术的难点问题及解决办法，并总结了港区市政重载道路采用“柔基强面”共振碎石化新型路面结构的适用性及和现有规范体系很好结合的设计方法和控制要点。对于该路面结构的相关设计应用推广，具有一定的借鉴和参考价值。关键词：柔基强面；共振碎石；港区市政重载；反射裂缝；强度因子中图分类号：U416.221文献标志码：B文章编号：1 0 0 9-7 7 1 6(2 0 2 3)0 6-0 0 45-0 5合理厚度多层次沥青的“强面”承载大集度港区特性0 引 言重载，成功进行混凝土路面的“白改黑”设计，在港区随着城市化进程的加快，一些港区疏港道路建市政重载道路的改造应用中取得良好的效果。设和使用标准采用了市政道路标准，但使用要求和1工程概况荷载以港区重荷载为特点，该类道路为适应港口流动荷载的大集度和专业性一般原路面结构均采用承载能力强的混凝土路面，后期为满足市政化要求，往往进行了沥青加铺，俗称“白加黑”，但后续使用效果普遍不佳，“白加黑”固有的易产生反射裂缝的缺点在港区市政道路重载作用下越发明显，加铺层裂缝水浸后车辙、孔洞、沉陷等严重影响道路的正常使用和市政道路的景观，因此采用有效的方法对该类道路进行改造，既能满足专门的重荷载使用要求，又能考虑到施工时维持交通的通行需求，选择经济合理适用的路面改造结构非常迫切。共振碎石化路面是一种对混凝土路面沥青化改造的路面结构型式，将符合要求的混凝土路面采用专用的共振设备产生高频低幅的振动能量进行有规律的破碎，作为加铺沥青结构的柔性基层，可以有效防止和延缓反射裂缝，解决“白加黑”路面固有缺陷。共振碎石化技术由国外引进国内，在一些“白改黑”的市政道路和公路上得到了推广和应用，具有施工简便、效率高、绿色环保、并能很好的消除改造后反射裂缝的优点。对于港区市政重载道路，充分利用共振碎石化“柔基”消除应力集中防止反射裂缝，通过收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 9作者简介：张歆瑜（1 9 7 4一），男，学士，教授级高级工程师，从事道路桥梁岩土设计工作。东方大道（滨海大道一东西大道)是嘉兴港区重要的对外联络通道，北与S202省道相接，南至嘉兴港口二期核心区域，两侧分布有大量的厂矿、企事业单位和居民区，承担了疏港和市政的功能。东方大道2000年建成，2 0 1 1 年进行水泥路面上加铺沥青面层改造。作为港区市政道路，随着区域的发展，道路交通量增长快速，港区大型货车比例也逐年提高，路面结构的大量损坏开始出现，主要病害形态为车辙、裂缝、坑洞等，行车的舒适性和安全性受到严重影响。为提高道路服务水平，适应港区市政道路港区重载为主的特点，降低后期养护维修成本，实现路面结构整体性能的长期保存和全寿命周期内效益最优化，需及时采取有效的改造措施。工程总体布置见图1。2主要设计条件2.1道路设计标准 1 道路等级：城市主干路，路面结构设计参照一级公路标准；设计速度：6 0 km/h；路面设计标准荷载：BZZ-100型车,并考虑港区代表荷载；路面维修设计使用年限：1 5 a。2.2东方大道路面技术现状调查与评定东方大道各种病害主要有：横缝、龟裂、坑槽，通过取芯和落锤式弯沉仪对路面结构和强度情况进行45张歆瑜：“柔基强面”共振碎石化路面结构在港区城市道桥与防洪市政重载道路的应用2023年第6 期项目终点东西大道市场西路外环西路纬二路工程范围雅山西路中山西路预目起点港口期滨海大道图1 工程总体平面布置的现场检测和评估，取得了现场路面损坏状况指数(PCI）、路面行驶质量指数（RQI)、路面结构强度指数(PSSI)等主要技术评价参数，通过钻孔芯样进行劈裂实试验检测测得旧混凝土面层的弯拉强度标准值为5.6 6 MPa，表明原混凝土路面整体材料性能较高，可有效保证碎石化后材料品质。为更加详细的了解路面结构内部损伤状况，采用探地雷达无损检测技术对东方大道进行全面的检测 2 ,见图2。东方大道病害汇总20151050KO+0OO.图例：沥青层病害数量面层基层层间粘结不良总数量图2 探地雷达检测2.3东方大道荷载特点东方大道作为港区城市主干路，使用荷载不同于单纯市政道路，根据现场实地调查结合港区直接进人道路的荷载，驶人改造道路的大部分为专用的运输车辆，主要有平板车、集装箱专用拖挂车和特种多轮平板车。集装箱专用拖挂车的轮、轴距与公路运输半挂车的轮、轴距相近，但轴载比公路法定最大轴载大2 3 倍，轮胎接地压强也高一些，驶入嘉兴港区东方大道的流动机械荷载，基本均大于公路或市政道路的荷载等级，改造道路的荷载标准必须要综合考虑港口工程流动机械荷载分级标准，有针对性的选择代表流动荷载。交通调查也得出路段主交通流方向为北向南方向，即进港方向，方向不均匀系数为5 4%；路段交通量车型服务港口的重载货车占比很大，典型重载车辆见图3。图3 典型重载车辆3“柔基强面”共振碎石化路面结构方案的提出（1)原道路“白加黑 路面结构缺陷分析原路直接在承受温度、湿度影响的混凝土路面上铺设1 0 cm沥青，当原混凝土路面接缝、裂缝等产生不同程度的膨胀时，在港区市政道路重载的作用下，混凝土板块沿基层移动。由于沥青混凝土面层与水泥混凝土基层的热胀冷缩性能存在较大差异，从而使温度应力不连续地存在于两层面之间的裂缝上，形成温度型反射性裂缝3 ；作为路面基层的水泥混凝土板刚度较大，接缝两侧的板在车辆荷载尤其是重荷载的反复作用下，对荷载传递不均匀，容易产生差异的沉降，造成荷载反射性裂缝。沥青混凝土面层一旦超过结构强度极限，将在原有裂缝和连接处由底部向上发展，最终导致沥青混凝土面层开裂，实际是由于混凝土基层板的不均匀沉降或不同程度的?收缩，会使裂缝和板连接处周围的沥青混凝土面层009+0产生拉应力和剪应力。+000+000+水泥混凝土病害数量2+500（2）“柔基强面”和传统的“强基薄面”裂缝影响分析混凝土板块进行共振碎石化以后，形成上层小粒径，下层大粒径的柔性基层结构，对比传统的半刚性基层，采用裂尖处应力强度因子理论分析，通过有限元模型得到如图4 图7 所示关系 4。0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.0200124681012141618裂纹长度/cm图4柔基和强基结构的应力强度因子图4表明强基结构（混凝土板或半刚性基层）直接加铺沥青接缝处的开裂趋势要远大于柔性基层（碎石化）沥青罩面层层底裂缝的产生，图5 表明随着面层荷载的增大是影响裂缝扩展的重要影响因素，图6 表明过大的共振结构层模量值使得剪切型46+碎石化加铺层直接加铺张歆瑜：“柔基强面”共振碎石化路面结构在港区2023年第6 期市政重载道路的应用城市道桥与防洪0.25轴载8 0 kN-轴载1 0 0 kN*轴载1 5 0 kN0.15+轴载2 0 0 kN0.100.0501246810121416 17裂纹长度/cm图5 荷载大小对应的应力强度因子0.25(.)-1500kN0.20F1200kN+100kN0.15F-*700 kN500 kN0.100.050图6共振结构模量的应力强度因子0.25F+32 cm-24 cm0.2018 cm+14 cm+10 cm0.150.100.050裂缝开裂趋势增大，图7 显示，薄层沥青层往往容易出现剪切式裂纹，因此影响路面使用寿命的关键在于面层厚度的控制，这一点在路面结构设计中是非结构方案4cmSBS改性沥青SMA-139cmSBS厂拌热再生沥青EME-20（高模量剂PR）9cm热再生改性沥青ATB-25柔基强面共振方案一碎石化路面强基薄面方案二连续配筋混凝土结构白加黑修复方案三改造常重要的。分析表明柔基强面（碎石化基层并加厚，加强沥青面层）比强基薄面（刚性基层薄层沥青）更能够适合东方大道重荷载下的路面结构。（3）“柔基强面”共振碎石化路面结构方案为解决重载、保持市政黑色路面特色、尽快实施并保证交通且少开挖等重点要求，结合已建周边同类型道路的不同结构方案，从技术经济等方面对路面改造方案进行了多方案的比较，主要选择见表1。通过比较，考虑路段交通繁忙，路面结构的耐久性需要保证，综合技术比较，东方大道路面改造设计方案采用柔基强面共振碎石化路面结构。4设计关键问题共振碎石化道路，上基层为柔性基层，使得反射裂纹和温度裂纹得到抑制，沥青面层的疲劳开裂、永久变形成为沥青加铺层可能出现的损坏形式。而在12468101214 1617裂纹长度/cm1510裂纹长度/cm图7 面层厚度对应强度因子4cm热再生SBS改性沥青AC-13F1cm热融SBS改性沥青封层共振碎石原3 0 cm混凝土路面原2 5 cm厚粉煤灰三渣基层4cmSBS改性沥青SMA-138cmSBS厂拌热再生沥青EME-20（高模量剂PR）挖除原3 0 cm混凝土路面改造成3 2 cm厚连续配筋混凝土原2 5 cm厚粉煤灰三渣基层修复4cmSBS改性沥青SMA-138cmSBS厂拌热再生沥青EME-20（高模量剂PR）修复原整体技术状况尚好的混凝土路面基层原2 5 cm粉煤灰三渣基层基层，半刚性基层的损坏主要是通过开裂的方式出现,存在着疲劳性的开裂,也有温度的开裂,也有干缩的裂缝；柔性基层以永久变形为主要的损害形式。共振碎石化路上基层(破碎板层)可能出现永久的变形,而下基层(老路半刚性基层)则可能因碎石化施工而产生了一定破损，但是，在应力集中的地方，半刚性基层上的碎石化层能够有效地吸收应变能，因而半刚性基层的层底拉应力已经不起主要的控制作用 5 。15202530表1 路面结构方案主要比较表方案简介4735共振碎石化作为“柔基强面”结构仍采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论，考虑到港区市政重载道路的特点，以沥青层层底拉应力（温度和疲劳）、沥青混合料永久变形量作为设计指标。造价估算/优缺点比较(元m）有效消除反射裂缝，不需要大开挖，施工期短，开放交通快，路面结构耐久性好。采用柔基，模量相对小，需加铺厚沥青形成强面满足承载要求，路面抬高较大无法利用既有水泥路面，施工周期长，需大开挖，交通维护压力大，但承载能力强，结构刚度大，造价大改造工作量小，造价低，但无法消除面板引起的反射裂缝，道路有效使用年限短516840300张歆瑜：“柔基强面”共振碎石化路面结构在港区城市道桥与防洪市政重载道路的应用2023年第6 期根据计算模型，共振碎石层顶面当量回弹模量是一个非常关键的参数，是“柔基强面”组合结构沥青层加铺层设计厚度的计算依据，也是共振碎石化基层施工质量的重要且便于操作的控制指标，设计中根据东方大道的重载设计荷载和加铺沥青设计厚度结合设计年限内当量交通荷载及重轴荷载反算，共振碎石层顶面当量回弹模量应不小于2 2 0 MPa，利用以下公式 5 换算成便于现场检测控制的等代弯沉值为不小于6 0(0.0 1 mm)。共振碎石顶面回弹模量弯沉计算公式：lo=9 3 08 Eo0.938式中：E。为共振碎石基层顶面回弹模量；lo为共振碎石基层顶面的弯沉值（0.0 1 mm）。5设计方案的实施和控制要点东方大道共振碎石化路面设计考虑了以下的控制因素：(1)为保证施工时交通不中断，要求分路幅施工，并考虑一定的横向搭接宽度。（2 东方大道共振碎化道路将旧沥青面层刨铣后将下覆混凝土大板破碎，再加铺强面沥青层，整体标高将抬高1 7 cm，需考虑和周边厂矿道路的结构衔接，和东方大道相交的中山西路为连续配筋混凝土复合路面结构，也必须考虑相应的衔接。具体实施时均采用了专门的结构进行控制（见图8）。4mSBS改性沥青玛蹄脂碎石（SMA-13)9m厂拌热再生高模