旧水泥路面破碎后加铺层的优化设计

摘要： 旧水泥混凝土道路破碎稳固之后，在加铺沥青罩面之前先加铺半刚性基层（如水泥稳定类），既能够充分利用原有的混凝土路面，还能有效提升旧混凝土道路的运营性能及延长服务年限。本文首先分析了先破碎稳固再加铺的必要性，归纳了破碎施工工艺的流程。然后学习并研究了旧水泥混凝土路面上加铺层的结构型式，优化了破碎稳固后旧水泥混凝土面板与沥青罩面层之间水泥稳定层的结构模型，并通过计算罩面层层底的竖直方向位移量、弯拉应力及面层的剪应力分析了水泥稳定层对沥青混凝土罩面层的影响。

Abstract： After the cement concrete pavement is crushed firmly， before applying asphalt overlay， a semi-rigid base （such as cement stabilization） should be added first. In this way， the old concrete pavement can be fully used， the operating performance of the concrete pavement can be improved and its service life can be extended. This paper first analyzes the necessity of crushing and stabilizing before overlaying， summarizes the crushing process， and then studies the structure type of overlaying on the old cement concrete pavement， optimizes the structural model of the cement stabilized layer between the old cement concrete pavement and the asphalt cover， and analyzes the influence of cement stabilized layer on the asphalt cover by calculating the vertical displacement of the bottom of the cover， bending tensile stress and the surface shear stress.

关键词： 旧水泥混凝土路面；水泥稳定层；破碎工艺；加铺层

Key words： old cement concrete pavement；cement stabilized layer；crushing process；overlaying

中图分类号：U416.216 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）11-0127-03

0 引言

根据道路结构的力学性能及设计过程采用的方法的不同，路面被分成柔性路面、半刚性路面和刚性路面三类[1]。其中，刚性路面是指水泥混凝土路面（Cement Concrete Pavement，CCP），其在我国公路总里程中所占比例很大。这种道路拥有较高的强度和稳定性并且具有承载力强和益于夜间驾车的优点。然而，经过行车荷载及外部环境（如：热能、水分等）的共同影响，水泥混凝土道路在投入运行一段时间后慢慢地就会有裂缝、坑洞、断板、错台、掉角等病害的发生。而且，与沥青路面的修缮过程相比，水泥混凝土路面的改造过程难度比较大、所耗费的时间较长而且不一定能达到预期的效果。水泥混凝土路面的病害处理与预防已是摆在公路养护部门面前的一个实际问题，如何突破旧水泥混凝土路面改造的技术性难题，是工程技术和管理人员必须面对的课题。

决定采用何种方案对水泥混凝土路面进行修缮，需要充分进行结构、经济、技术方面的考量。目前，对旧水泥混凝土路面进行修缮以提升其使用能力的方法主要有三种。一是，利用压密注浆等手段进行修补后作为基层，然后罩面；二是，破碎后作为承载层再加罩面；三是，直接清除面板后重做稳定层再做罩面层。方法一是在病害较轻的前提下，短时间内维持使用性能的措施。当病害严重时就需要考虑水泥混凝土破碎工艺，或是采用第二种方法原位利用，或是采用方法三原位移除。直接清除面板无论是经济成本还是时间成本均很高，且会对环境造成负担，所以将旧水泥混凝土面板破碎处理后作为基层，再在上面加铺罩面，是对路面大修或重建的最佳办法。

1 水泥混凝土路面破碎工艺

破碎是将道路面板裂化的施工工艺，其目的是消除反射裂缝产生的可能。经过破碎后再稳固的旧水泥混凝土面板拥有特定的承载能力和抗压强度，将其作为道路结构的一层。水泥混凝土面板并不是被破碎得越细/碎就越好，其破碎强度必须在降低结构性与增大反射裂缝风险这两者间求得平衡。常用的破碎方法有冲击压实、共振破碎、多锤破碎（Multiple-Head Breaker，MHB）、打裂压稳（Break and Seat）、打碎压稳（Crack and Seat）以及用于移除就路面的凿眼穿孔方法等。

1.1 破碎前准备

破碎施工前必须做好充分的准备工作，比如：调查旧路面的状况；要设置高效合理的给排水系统以减少和避免破碎施工后、加铺层施工完成前污水、雨水等给基层带来的破坏；清理现有的沥青罩面和沥青修补，否则很难破碎成功；对存在错台、翻浆等缺陷路段进行处理，换填材料或者采用底层相同的混合料回填；割断需要破碎和需要保留的混凝土面板之间的所有传荷介质；制定高程控制点[2]（Vertical Control Point，VCP），标记具有代表性以及病害较严重的路段或桩号，等等。

1.2 破碎施工

破碎施工过程可以归纳成图1。其中，选取试验区的目的是为了调试设备参数为正式施工提供依据以满足规定的破碎强度。试坑就是在试验区里挖几个不相连的坑，目的是保证面板被破碎成预期的大小。破碎施工通常先两边后中间，原因是路面两边没有侧向约束的影响便于施工。破碎后稳固的目的是将下层块料的快料夯实并将散落在路表的某些较小的扁平状物质再次破碎，给加铺层提供一个相对平坦整齐的面层，但要避免过度压实。

2 旧水泥路面破碎后加铺层的优化设计

水泥混凝土面板经过破碎施工后，其抗压强度、抗折强度等都会降低，因而，接下来必须要在其上进行加铺处理。加铺能够很好地控制差异沉降、延缓反射裂缝的产生与扩展。破碎稳固后进行加铺有利于资源的节约和环境的保护。但是，如果直接铺设沥青混凝土进行罩面会加大建造成本，不利于破碎技术的推广使用。为此可以结合工程实际，对加铺层的结构形式进行了优化。

2.1 加铺层优化结构模型

典型的混凝土道路结构模型如图2所示。假设各结构层与层间完全接触且忽略自重影响，各层均由匀质、连续、各向同性的弹性材料构成；旧水泥混凝土面板的传荷系数为零，即没有拉应力只有压应力；新加铺层与旧面板之间不存在粘结力；破裂水泥混凝土板块是连续的文克勒（Winkler）地基[3]。经过对破裂稳固旧水泥混凝土路面加铺层结构的力学性能进行分析，将改造后的道路结构模型优化为土基层、垫层、半刚性基层、破裂混凝土层、加铺的水泥稳定层及沥青罩面层，如图3所示。对应的旧水泥路破碎稳固后加铺施工工艺如图4所示。

2.2 水泥稳定基层对沥青罩面层结构力学行为分析[4]

在破碎稳固后的旧水泥混凝土面板和沥青罩面之间加设一定厚度的水泥稳定基层，能够使旧面板与罩面成为一个整体，从而有效避免了反射裂缝的产生和扩展。根据建立的优化后的道路结构模型，在标准轴载100kN（BZZ-100）作用下，改变水泥稳定基层的厚度，计算罩面层底的竖向位移量、弯拉应力和面层的剪应力，结果分别如图5、图6、图7所示。

由图5可知：当行车荷载在小于1时，四种情形下竖直方向位移的增长均较为平缓；当行车荷载大于1时，伴随行车荷载的增大，竖直方向的位移均达到各自的最大值，且水泥稳定基层的厚度越大，罩面层的最大竖直方向位移量越小。由图6和图7可知，当行车荷载小于1.4时，剪应力趋势变化平缓，四种情况下的剪应力曲线大致上是重叠的。罩面层底的弯拉应力随着水泥稳定基层厚度的加大有所减少，但稳定层的厚度增大到相应的程度，弯拉应力值下降的幅度变小。而且，不加铺水泥稳定基层时的剪应力最大值远远大于其它三种情况，罩面层底的弯拉应力值在荷载为0.5、1、1.4和1.5的位置产生了跳跃，原因是破碎的旧水泥混凝土板块之间存在错台，尤其是在1.5米的位置剪应力突变，会导致沥青混凝土罩面底部脱空现象。

3 结语

本文通过对道路结构的研究与分析，建立了优化的加铺层结构模型，并对加铺水泥稳定基层后的沥青混凝土罩面的层底竖直方向位移、弯拉应力及面层剪应力进行了模拟计算分析。结果表明，破碎技术能较好的控制反射裂缝，但是在实际施工工程中，旧水泥混凝土道路的现实状况决定了破碎技术是否适用，必须对采取破碎技术的时机、策略和原则进行深入探讨，找出实施破碎工艺的判定条件和一般规律。另外，无论从经济性能的角度还是从力学性能的角度分析，旧水泥混凝土路面破碎稳固后先加铺水泥稳定基层再采用沥青混凝土进行罩面是可行的，接下来的工作中可以借助对回弹模量的学习研究，计算加铺层的最优厚度，避免承载能力设计过程中的主观性和盲目性。

参考文献：

[1]邵学良.旧水泥混凝土路面破碎施工控制参数与加铺层结构研究[D].西安：长安大学，2011：1-2.

[2]周瑞祥.GPS高程你和在桥梁施工高程控制网复测中的应用[J].地理空间信息，2013，11（2）：133-134.

[3]郭晶晶.不同弹性地基板的力学响应分析[J].交通科技，2015（2）：87-89.

[4]刘仕贵，于新.不同荷载作用下半刚性沥青路面力学响应规律[J].2013，32（2）：198-202.