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舊水泥混凝土路面加鋪改造方案比選

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舊水泥混凝土路面加鋪改造方案比選

張善 盧擁軍

【江蘇省交通廳公路局 南京 210004】 【江蘇省交通科學研究院 南京 210017】

摘 要:本文結合滬宜線(胡埭至漕橋)養護改善工程,針對舊水泥混凝土路面加鋪改造,運用新技術、新材料,對用瀝青加鋪層改造舊水泥混凝土路面的方法和理論作進一步的研究,力圖找到符合國情、切實可行的改造措施。
關鍵詞:路面 水泥 改造 方案 

  目前,我國現有的水泥混凝土路面,有相當一部分已接近或超過設計年限,有的雖未達到設計年限,但由于交通量劇增,汽車軸載日益重型化及設計、施工等方面的原因,導致路面損壞、使用品質下降等情況,影響了道路的使用功能,急需改造、修復路況。與瀝青路面相比,水泥混凝土路面的修復比較困難,可采用的大修措施有三種:加鋪瀝青混凝土面層、加鋪新水泥混凝土面層和翻修。由于瀝青加鋪層能有效地改善舊水泥路面的使用性能,同時充分利用舊水泥路面,造價低,施工方便,且對交通、環境影響小,因此在國內外舊水泥路面改造工程中應用最多。然而瀝青加鋪層中迅速發展的反射裂縫將影響加鋪層的使用壽命,如何控制反射裂縫產生的時間和擴展的速度至今仍是一道難題。 
  滬宜線(胡埭至漕橋)始建于解放前,中間經過若干次改造,因資料不詳,無法考證.至1992年時,該路基寬11m,路面為7m寬的瀝青混凝土,全線共有橋梁16座,涵洞76道;1992年年底改建成18m寬路基,12m寬的水泥混凝土路面,1994年對K6+800~K10+200段4cm中粒式瀝青混凝土罩面處理;1996年又對全線的路肩進行了補強,具體為4cm瀝青混凝土+1cm瀝青下封層+30cm二灰結石+土基,同時對局部路段進行了灰土處理,目前該路段全長13.38km,路基寬18m,路面寬17m,兩邊各0.5m寬擋土墻。加鋪改造后要求為高等級瀝青路面。

1 改造原理
  采用瀝青混凝土面層作為舊路面的加鋪層是一種典型的補強方法,這種形式的路面結構能吸收兩種材料的優點:即舊水泥混凝土提供了穩定、堅實的基層,瀝青混凝土路面提供了一個摩阻系數較高、平整度好的面層,大大改善了路面的使用性能。然而普遍存在這樣一個問題:瀝青加鋪層中出現反射裂縫,反射裂縫本身對罩面層的使用性能影響不大,但環境因素的負效應常常使裂縫迅速擴散,從而縮短罩面層的壽命。為減少反射裂縫的數量和延緩反射裂縫的發展速度,60年代起國外開展了防治瀝青加鋪層反射裂縫的研究。我國自80年代以來也進行了諸多研究,這些研究主要集中在針對控制反射裂縫產生和發展的力學分析上,并提出了一些防范措施,涉及整個路面結構,這些措施大致可分為改善瀝青罩面層性能、設置中間加筋層和增設補強層三類。

2 加鋪層厚度計算
  瀝青混凝土加鋪層設計是設計瀝青加鋪層厚度,而該厚度由行車荷載和防反射裂縫兩個因素控制。由于水泥混凝土面板本身強度較高,僅做為路面基層,其上再加鋪瀝青混凝土路面結構,因此,行車荷載控制不是加鋪層設計的重要因素,而防止反射裂縫的產生是加鋪層設計的關鍵。雖然我國目前舊水泥路面改造工程日益增多,但我國現行的《公路工程瀝青路面設計規范》并沒有把舊水泥混凝土路面上瀝青混凝土加鋪層設計這一內容包括在內,而國外對此研究起步較早,目前已形成的ARE設計法、美國瀝青協會(AI)法、AASHTO罩面設計方法 、美國工程兵團和聯邦航空局(FAA)法四種相對成熟的瀝青混凝土罩面設計方法,按各種方法計算舊水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土的厚度在15cm左右,經分析該路段采用15cm的瀝青混凝土加鋪層。由于該加鋪厚度是在做了一些假設,按理論方法或是在國內外一些試驗結果的基礎上得出的,難免會與我省的實際情況有些出入,而且國內外的實驗研究也表明,防止反射裂縫是瀝青混凝土加鋪能否成功的關鍵問題。因此,在設計方案時也專門考慮了防止反射裂縫的對策,提供了以下三種方案,而不主張在舊水泥路面上加鋪瀝青混凝土。

3 加鋪層方案比選
3.1 設計方案(一)
  為防止反射裂縫的產生,國外多采用加厚瀝青加鋪層的方法,但單純依靠增加厚度的方法有其弊端:一方面增加厚度必將增加路面造價;而且在夏季高溫情況下,瀝青混合料高溫蠕變易產生車轍,也沒有了由于舊水泥混凝土板做基層所產生強基薄面的優勢,故而這一方法對于高等級公路是不可取的。
  針對這一情況,國內外道路工程界專家進行了大量的研究,研究結果表明在舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層之間加鋪一層彈性模量較高的應力加筋夾層,以吸收或緩沖裂縫尖端的應力集中,對于抑制反射裂縫的產生和擴散具有一定的效果。 《公路水泥混凝土路面養護規范》提到防治反射裂縫的措施有鋪設土工格柵,鋪貼土工布和粘貼改性瀝青油毛氈,故在本方案中建議鋪設玻璃纖維土工格柵(見圖1)。該格柵耐高溫性能好,攤鋪熱瀝青混凝土不會產生變形,但其對施工要求比較嚴格,鋪設玻璃纖維土工格柵前,首先要對舊水泥混凝土路面進行整平處理,以避免格柵下方出現脫空,造成瀝青路面損壞,在攤鋪瀝青層時,嚴禁汽車在土工格柵上掉頭,以防碾壞土工格柵。
  該設計方案路面結構簡單明了,除了加鋪15cm的瀝青混凝土之外,只另外加設了一層玻璃纖維和改性瀝青油氈。玻璃纖維的價格大約為15元/m2,這樣整個結構的造價比較便宜,施工工藝也不復雜。加鋪一層玻璃纖維和15cm的瀝青混凝土
的確起到防止反射裂縫的作用,但對舊水泥板的處理要求較高,舊混凝土板塊除了對常規的結構性病害的處理之外(各類病害的板塊處理參照(《公路養護技術規范》 JTJ073-96執行),還要根據老路加鋪結構層進行改造的特殊性情況,提出相應的指標要求。


圖1 方案(一)所示路面結構

  本次改造中采用的指標是借鑒寧揚(州)一級公路高速化改造過程中對舊水泥混凝土板的處理方式:對板塊進行逐板測量調查,逐塊把關控制進行修補,以舊水泥混凝土板塊的單點實測彎沉值和板間實測彎沉差控制。
  對于方案一,板塊單點彎沉控制指標(單位0.01mm)為:
  (1)單點實測彎沉值Lr≤14,不予處理;
  (2)單點實測彎沉值14<Lr≤40,鉆孔壓漿處理;
  (3)單點實測彎沉值Lr>40,則按脫空板處理,整板破碎,處理基層,新澆混凝土板塊。
  (4)灌漿后兩相鄰板間彎沉差控制在0.06mm以內。
  該方案加鋪層結構造價為322萬元/公里(不含

橋梁及沿線設施工程造價)。

3.2 設計方案(二)
  土工織物或網格防治路基水平位移比剪切位移更有效,當應用于傳荷能力很差的路面時,對防治反射裂縫就顯得無能為力。二灰碎石這種大變形的材料可以用來緩沖剪切變形,減緩了瀝青加鋪層中應力集中現象,玻纖格柵的存在可進一步延長裂縫擴展到瀝青層中的時間,起到了延緩反射
  裂縫產生的作用。該路面結構形式,由于又多加了一層二灰碎石,工程造價就高些,而施工工藝也較復雜,但這防止反射裂縫的效果要比前一種好,花一定的代價來獲得結構的長期穩定可靠。
  該方案(見圖2)對施工工期較方案(一)短,對舊水泥板的處理比方案(一)要求低(各類病害的板塊處理參照《公路養護技術規范》 JTJ073-96執行:


圖2 方案(二)所示路面結構

  對于方案(二),板塊單點彎沉控制指標(單位0.01mm)為:
  (1) 單點實測彎沉值Lr≤20,不予處理;
  (2)單點實測彎沉值20<Lr≤40,鉆孔壓漿處理;
  (3) 單點實測彎沉值Lr>40,則按脫空板處理,整板破碎,處理基層,新澆混凝土板塊。
  該方案加鋪層結構造價為334萬元/公里(不含橋梁及沿線設施工程造價)。

3.3 設計方案(三) 
  為了防止路基反射裂縫的產生而又不過分加大瀝青混凝土加鋪層的厚度,方案三建議把舊的混凝土板打碎以減少板長,并碾壓固定,來防止反射裂縫。
  滬宜線胡埭至漕橋段由于結構承載力不足、交通量劇增、汽車超載嚴重,舊水泥混凝土板普遍存在脫空、斷板、錯臺等現象,在參照省內外相關工程改造實例的基礎上,本方案先采用沖擊錘將舊水泥混凝土板破碎成20cm×20cm以下的混凝土碎塊,振動壓路機碾壓,使破碎板塊與板下基層貼合緊密,保證板塊穩定,再每板檢查彎沉值,對于彎沉大于120(0.01mm)的點須進行基層加固處理;為了防止雨水下滲而破壞板下基層,同時為了維持適當的通車條件,在破碎板上做了5cm瀝青貫入式路面;采用二灰碎石半剛性補強層,二灰碎石層的厚度,根據路面補強方法設計。本方案最關鍵的一道工序就是如何有效地破碎水泥混凝土板,這樣就提高了工程造價,增加了施工難度,也對沿線橋梁改造造成了困難(主要是指橋梁縱斷面標高),該方案(見圖3)對硬路肩的改造要求較方案(一)、方案(二)低。

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