公路混凝土路面设计探索

作者：王建锋 周晖 侯斌峰 单位：湖州市交通规划设计院 湖州市交通工程质量监督站

我国的水泥混凝土路面最初于20世纪30年代用于少数大城市的道路和飞机场跑道上;20世纪40年代开始在公路上铺筑水泥混凝土路面。20世纪50年代后,随着水泥工业的发展,水泥混凝土路面在大、中城市的干道及飞机场跑道上开始大规模铺筑;20世纪70年代起水泥混凝土路面在我国公路上大量使用。水泥混凝土路面具有取材方便、强度高、稳定性好、使用寿命长和造价低等特点,然而,由于我国地域辽阔,且各地的材料、工艺、机械、技术和资金等方面也存在差异。因此,各地在路面设计过程中,特别是非常规使用条件下公路的水泥混凝土路面设计,应结合实际载重,合理取舍设计参数,以确保路面的服务水平和使用寿命。下面以浙北地区公路车辆与石矿车辆混合使用的某公路省道路面设计为例,探讨非常规使用条件下公路水泥混凝土路面的设计思路。

1工程概况

某公路省道为一级公路,双向四车道,计算车速80km/h,沥青混凝土路面,2001年建成通车。由于路侧建有大型石矿,矿车在该路段交通量中占到一半以上,仅矿车(重车方向)日平均交通量就达5650辆/天。经实地调查,矿车重10~45t不等,其中20~30t约占55%,大于30t的约占20%。矿车行驶过程中洒落在路面上的石子等杂物在车轮的作用(碾压)下,使近400m长的沥青路面(矿车上下公路的道口附近路段)产生裂缝、翻浆、表层剥落和坑槽等早期破坏。加之江南多雨,至2004年底该路段的路面已中修多次(平均每年至少一次)。为此,2005年公路管理部门决定把该路段沥青混凝土路面改造成钢纤维水泥混凝土路面,以扭转反复修反复坏的被动局面。然而,由于多方面的原因,改造后的钢纤维水泥混凝土路面使用不足一年就出现了严重的唧泥、错台、沉陷、拱起及断板等严重病害,断板率近35%。2006年10月公路管理部门决定对该路段的路面工程进行再次改造设计。

2设计要点

由于水泥混凝土路面材料本身所固有的抗拉强度较低的特点,使得其在使用过程中极易出现不规则裂缝,从而产生“断板”现象。多少年来中外专家和学者一直在寻求防止“断板”的良药,尤其是重大交通、超重车频繁的道路更应引起我们的重视。我国地域辽阔,且各地的地理环境、气候条件也存在较大的差异,因此,虽然我国的公路水泥混凝土路面设计规范已多次修订或改版,但各地在对照规范进行水泥混凝土路面设计时仍需根据各地的实际情况,灵活掌握,以求达到较为理想的效果。

2.1混凝土路面的选择水泥混凝土路面包括素混凝土路面、钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面、预应力混凝土路面、钢纤维混凝土路面和装配式混凝土路面等。结合工程的使用性质和前面几次改造过程中所出现的路面病害等因素,确定采用双层连续配筋混凝土路面。以上形式的采用主要基于以下因素的考虑:首先本次只做单向(矿车的重车方向)路面改造,本路段中央分隔带设有多处开口,因此中分带两侧路面标高不能相差太大,即路面改造不能过厚;其次,根据公路车辆与矿车的轴重分析,矿车轴重比公路车辆的轴重大得多,应以矿车为标准轴载;最后,由于本工程基层存在严重病害,为节约造价,同时考虑到通车及工期的要求,原基层在进行病害处理及修复后加以利用,这在以后的使用中其局部病害将不可避免,因此,水泥混凝土面板的温缩应力和板底脱空等因素应给予充分的考虑。

2.2路面配筋设计钢筋混凝土路面配筋的多少取决于为平衡水泥混凝土面板收缩受限时产生的拉力,当混凝土面板收缩时其中央两侧向内的摩阻力即为作用于面板中央的拉力,并假定沿面板断面平均作用而由钢筋承受。同时,混凝土路面的配筋率与面板的平面尺寸与气候因素有关。连续配筋混凝土路面的纵向配筋率按允许的裂缝(<1.0mm)间距(1.0~2.5m)和钢筋的屈服强度确定。纵向钢筋布设在混凝土面板表面下1/2~1/3厚度范围内。横向钢筋用量的确定同钢筋混凝土路面配筋,并置于纵向钢筋之下。实际工程中往往由于施工不便的原因而在水泥混凝土路面的横向缩缝处不设传力杆,而根据水泥混凝土路面的受力特点:无传力杆的接缝由于板边挠度更大而容易迅速产生板块断裂。连续配筋混凝土路面则可以克服上述问题。为避免水泥混凝土路面产生唧泥、板底脱空和错台等病害,基层应具有一定的抗冲刷能力、刚度和整体性。由于多方面的原因,本工程经修补后的路面基层距规范的要求还有差距,在以后的使用过程中局部病害在将所难免。根据以上分析,借鉴穿越结构物路段混凝土路配筋的方法,确定采用双层连续配筋水泥混凝土路面。上层钢筋距混凝土顶面净距为7cm,下层距混凝土底面净距为4cm,均采用直径为12mm的螺纹钢,横向筋的间距为20cm,纵向筋的间距为15cm。

2.3混凝土路面的分块本次涉及重车方向的路面宽度为8.2m,因交通需求、施工场地及机械等因素的制约,纵向设1条施工缝,即板块的宽度为4.1m。由于先前钢纤维混凝土路面不成功及基层尚且存在不确定因素等原因,水泥混凝土路面应设横缝,间距取6.0m。

2.4混凝土参数的取值水泥混凝土路面的设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。根据《公路路面设计程序系统》的计算结果,结合本工程的性质和现场条件,确定水泥混凝土路面的厚度为26cm,其弯拉强度标准值为5.0MPa。

2.5路面的接缝设计(1)横缝存在三种情况:缩缝、施工缝和胀缝。考虑到本工程的特殊性,虽采用连续配筋,为避免不规则裂缝,纵向每隔6m切割一道横缝(6cm深)。施工缝采用平缝,在板厚的1/2处设传力杆。传力杆采用直径为32mm的光圆钢筋,长0.7m、间距0.25m。对于重交通路面,应对规范规定的传力杆长度加大,以起到更好的效果。胀缝按规范设置,传力杆的各项参数同施工缝。(2)纵缝存在两种情况:一是路面两板块间的施工纵缝,二是公路与专业矿区道路相交处的接缝。对于第一种情况,在板厚的1/2处设拉杆,采用直径为16mm的螺纹钢,长0.8m、纵向间距0.4m。对于第二种情况,从车辆行驶轨迹、受力特点和破坏后的严重程度综合考虑后,确定了细化和加强处理的方案。按横向施工缝处理,即设传力杆,做法与2.5.1相同;同时考虑到公路与矿道接坡处存在坡降和路面高差,这将使超重矿车对水泥混凝土路面产生严重的冲击和振动,从而将使该部分路面过早破坏,故将公路水泥混凝土路面向专业矿道延伸适当长度,并在两者交接处的面板下增设一2m宽、20cm厚的混凝土加强层,加强层配构造钢筋。面板接缝两侧各30cm范围内配筋,上下两层各设3根直径为16mm的螺纹钢,并配以箍筋制成钢筋骨架,与路面混凝土一起形成接缝两边的两道“边梁”。

2.6路面的排水设计本路段位于石矿附近,路面粉尘、积灰严重,公路养护和管理部门为保持省道的路面整洁,专门派管理人员清扫和冲洗,再加上江南雨水较多,做好路面排水设计相当重要。设计中在水泥混凝土路面外侧的平石下增设了宽40cm高25cm的大粒径碎石盲沟,外包土工布,内设通长8cm的带孔PVC管,纵向每隔10m设一道横向PVC排水管,把积水引出沟外。由于盲沟位置较高,且位于路面边缘,特对盲沟碎石用水泥(80kg/m3)处治,以确保盲沟的稳定性和行车安全。

2.7路面其他设计路面设计中同时也对自由边角隅钢筋、改造路段两端与沥青混凝土路面的连接、纵(横)尺寸和二灰碎石基层的病害处理与修复等作了专门而详尽的设计和规定,并明确施工注意事项,以确保路面的服务水平和使用寿命。

3结束语

公路水泥混凝土路面的设计方法、施工工艺已为大家所熟悉,它在使用中所出现的病害同样让公路建设者叹息。就本工程而言,应着重分析公路的超常规使用与路面的常规设计间的矛盾,做好交通调查,合理确定标准轴载;做好路面设计的细化工作,合理调整及取用传力杆、边角处理等各级参数;充分认识水对公路路面的危害性。该工程于2006年底改造完成并通车,近一年来经受住了超重轴载和繁忙交通(公路与矿车双重交通)的巨大压力,尚未发现路面病害。以上为笔者设计的一些体会,供各位同行参考。