“白改黑”公路改擴(kuò)建工程設(shè)計問題研究

高超

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100195）

0 引言

公路“白改黑”就是將舊水泥混凝土路面處理后，在其上加鋪性能優(yōu)良的瀝青混合料，從而達(dá)到將原灰白色剛性面層轉(zhuǎn)變?yōu)楹诤稚嵝悦鎸拥哪康?。改造處理后的瀝青混凝土柔性路面具有較好的路用性能，還能充分發(fā)揮原高強(qiáng)度舊水泥路面的作用。大量工程實踐證明，公路“白改黑”技術(shù)節(jié)能環(huán)保、施工快速、路面結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，在舊水泥路面改造工程中應(yīng)用較為廣泛。

1 工程背景

某國道屬于國家級主干道，也是連接中心城市和周邊鄰省的主要通道，設(shè)計車速60km/h，路基寬24.5m，行車荷載等級為公路-Ⅰ級，其起訖樁號K124+000—K136+000 段因建成以來運行時間長，長期交通運行量大，重載超限行車多等原因，水泥混凝土路面先后出現(xiàn)路面層坑洞、錯臺、交叉裂縫等病害，且病害呈快速擴(kuò)張趨勢，已經(jīng)嚴(yán)重危及到區(qū)域路段安全行車。為克服局部病害不利影響，制止其病害范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，保證該路段使用壽命，必須盡快進(jìn)行病害處置。

2 舊路病害調(diào)查

2.1 路基病害調(diào)查

病害路段原按二級公路設(shè)計，建成于2003年，并于2005年竣工驗收后正式運營。路面設(shè)計寬度15.5m：1.5m 土路 肩+2.5m 硬 路肩 +7.5m 行車 道 +2.5m 硬 路 肩 +1.5m 土路肩，為雙向兩車道。該路段經(jīng)過長期運行后沉降已十分穩(wěn)定，全路段無局部沉降，邊坡穩(wěn)定，地形平坦，不存在塌方及滑坡等病害。采用鉆芯取樣方式進(jìn)行包括路面結(jié)構(gòu)、路基土質(zhì)、施工材料、運行質(zhì)量等在內(nèi)的舊水泥混凝土路面路基損壞程度分析。

將鉆芯取樣結(jié)果匯總后得出該病害路段路基損壞狀況指數(shù)取值情況進(jìn)行匯總，根據(jù)匯總結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該病害路段下行向路基損壞狀況指數(shù)SCI 的取值明顯小于上行向。

2.2 路面病害調(diào)查

該病害路段起訖樁號K124+000—K136+000，路面結(jié)構(gòu)為20cm厚水泥混凝土面層+17cm厚水穩(wěn)碎石基層+18cm 厚碎石摻砂墊層，其中部分路段路面狀況較好，但部分路段存在嚴(yán)重的裂縫、網(wǎng)裂。通過實地考察可以明顯看出病害路段存在交叉裂縫、角隅斷裂、坑槽、板塊錯臺、面板起伏等病害，在此基礎(chǔ)上采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了路面板脫空程度勘測[1]，并通過鉆孔取芯后對芯樣進(jìn)行劈裂實驗[2]，進(jìn)行該病害路段路面劈裂強(qiáng)度分析，并以路面狀況指數(shù)PCI 和路面破損率DR 兩個指標(biāo)進(jìn)行其病害程度的評價。調(diào)查及評價結(jié)果顯示樁號K124+000—K126+000、K126+001—K128+000、 K128+001—K130+000、 K130+001—K132+000、K132+001—K134+000、K134+001—K136+000 段路面狀況PCI 指數(shù)分別為87.9%、87.4%、87.0%、86.5%、75.4%、77.8%，路面破損率分別為1.65、1.71、2.03、3.54、3.12、3.03，病害程度較為嚴(yán)重。

3 反射裂縫防治

3.1 反射裂縫形成機(jī)理

反射裂縫的形成分為產(chǎn)生和擴(kuò)展兩個階段。分析起反射裂縫的原因，主要為溫度變化和荷載作用引起。

（1）溫度型反射裂縫主要由于溫度降低引發(fā)路面微小裂縫持續(xù)收縮張拉，進(jìn)而使其面層底部所產(chǎn)生的附加應(yīng)力值超出瀝青混合料抗拉極限，既有裂縫上方的面層底部開裂，并持續(xù)向上擴(kuò)展。

（2）荷載型反射裂縫則主要因車輛動荷載對于原有細(xì)微裂縫的一種再破壞，造成裂縫兩側(cè)垂直位移差增大，面層中央出現(xiàn)較大剪應(yīng)力而引起。舊瀝青面層開裂后經(jīng)過橫向擴(kuò)展和豎向擴(kuò)展直至延伸到路表面，在溫度、荷載（包括對稱加載和偏載）、水等環(huán)境因素的綜合作用下，導(dǎo)致裂縫持續(xù)擴(kuò)大。

反射裂縫通常垂直于行車方向，開裂間距也主要因運行環(huán)境、瀝青材料抗裂性能、瀝青面層厚度、荷載等綜合作用而變化。

3.2 反射裂縫防治技術(shù)

目前，同等級公路舊水泥路面處置技術(shù)中較為普遍且成功的技術(shù)形式主要有白加黑、白改黑、挖除重建及碎石化處理等。

（1）白改黑技術(shù)

該技術(shù)主要通過破碎處理使舊水泥路面作為墊層，在其上再加鋪新瀝青路面材料的改造技術(shù)，這種碎石化處理技術(shù)會減小顆粒粒徑，使碎石料性能與級配碎石更加接近[3]，對于使用末期嚴(yán)重病害較多的舊水泥路面較為適用。以下分析具體處理細(xì)節(jié)：破碎處理又分為原位利用和原位移除等，其中舊水泥混凝土路面原位移除的成本過高，且建筑廢料較多，不利于環(huán)境保護(hù)，所以原位利用的應(yīng)用范圍更廣，且破碎化處理后舊水泥路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，必須在其上加鋪新結(jié)構(gòu)層，將造成路面高程升高。為此，該技術(shù)僅適用于對標(biāo)高無限制或限制不大的舊水泥路面改建工程。白改黑破碎化處理技術(shù)施工過程簡便，能夠延緩和防止放射裂縫的出現(xiàn)。施工時，需選擇工效高的破碎機(jī)械，但破碎化施工將會對周圍建筑物造成擾動。

（2）白加黑技術(shù)

白加黑技術(shù)就是對于發(fā)生初期病害且路面性能較好、接縫荷載傳遞能力及舊水泥面板結(jié)構(gòu)損害情況均較為良好的情況，對舊水泥面板脫空、裂縫、錯臺等病害進(jìn)行修復(fù)后，再其上加鋪瀝青面層。該處理措施造價低，不涉及舊路的挖除，可100%利用舊水泥混凝土路面材料，環(huán)境影響小，工期短，但是對舊水泥路面板修復(fù)質(zhì)量有較高要求，以避免加鋪瀝青面層后出現(xiàn)反射裂縫。在工程實際應(yīng)用中，通常通過設(shè)置裂縫松弛層和應(yīng)力吸收層，或增大加鋪層厚度等方式控制和避免加鋪層反射裂縫的出現(xiàn)。

（3）挖除新建技術(shù)

該技術(shù)主要針對病害及破碎十分嚴(yán)重的舊水泥混凝土路面，挖除時間短，且對施工機(jī)械要求高，但施工工期較長，挖除料處理成本較高，易造成環(huán)境污染，常用于對標(biāo)高有嚴(yán)格限制的道路路面設(shè)計。

（4）破碎化處理技術(shù)

為在舊水泥路面加鋪瀝青混凝土罩面層時預(yù)防反射裂縫，除采用加鋪級配碎石中間層、增設(shè)應(yīng)力吸收層、鋪設(shè)土工格柵等方法外，還可以采用破碎化處理技術(shù)，即將已經(jīng)喪失整體承載功能的舊水泥路面通過特殊施工機(jī)械破碎，將破碎后的粒徑控制在2～38mm范圍內(nèi)，且以下大上小的順序填筑，并使顆粒間互相嵌擠形成級配碎石結(jié)構(gòu)，再通過壓路機(jī)碾壓成底基層或路面結(jié)構(gòu)基層。舊水泥混凝土面板破碎化后的粒徑必須符合級配要求及壓實標(biāo)準(zhǔn)，并在破碎化處理的基礎(chǔ)上再加鋪瀝青罩面層，確保罩面層性能，從而均勻傳遞路面荷載，有效避免反射裂縫的出現(xiàn)。

4 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 交通量預(yù)測

對該公路病害路段實地考察，并對交通資料和交通沿線城市規(guī)劃進(jìn)行分析，預(yù)測路段未來交通量，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，該路段2025 年、2030 年、3035 年、2040 年每年交通規(guī)模增長率分別為2.2%、4.1%、6.4%和7.8%，可以說該病害路段未來所承受的交通量巨大，且其大、中型貨車占比較大。

病害路段水泥路面采用病害層層底拉應(yīng)力、設(shè)計彎沉值等設(shè)計指標(biāo)時，應(yīng)通過相應(yīng)方法將不同軸載轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，具體見公式（1）：

式中：N為標(biāo)準(zhǔn)軸載P的當(dāng)量軸次；C1為不同車型的軸數(shù)系數(shù)，若軸間距≥3m，應(yīng)確定為一個獨立軸載；若軸間距＜3m，應(yīng)按C1= 1+ 1.2( )m- 1 進(jìn)行雙軸或多軸軸數(shù)系數(shù)計算，m為實際軸數(shù)；C2為不同車型的輪組系數(shù)，單輪組、雙輪組及四輪組分別取6.4、1.0和0.38；ni為不同車型各級軸載對病害路面實際作用次數(shù)（次/d）；Pj為不同車型各級軸載值（kN）；P為標(biāo)準(zhǔn)軸載值（kN）。

設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)病害路面每個車道內(nèi)當(dāng)量軸次累計值則按式（2）計算：

式中：Ne為每個車道內(nèi)當(dāng)量軸次累計值；γ為交通量年增長率均值（%），取4.46%；N1為路面營運期間單向日當(dāng)量軸次均值（次/d），主要根據(jù)設(shè)計彎沉值、層底拉應(yīng)變、層間剪應(yīng)力等進(jìn)行綜合設(shè)計；η為車道分布系數(shù)，取0.45；t為設(shè)計基準(zhǔn)期（a），取15a。

按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）的相關(guān)規(guī)定，道路工程交通等級劃分情況具體見表1。

表1 交通等級劃分情況

將該病害路段路面參數(shù)取值代入式（1）和式（2），得到其路面每個車道當(dāng)量軸次累計值位于8.0×106～19×106范圍內(nèi)。結(jié)合表中規(guī)范取值可以看出，該路段交通荷載等級屬于重載交通，為此，必須針對其路面結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)狀采取切實可行的維修養(yǎng)護(hù)措施，以適應(yīng)該路段日益增長的重載交通規(guī)模的需求。

4.2 路面結(jié)構(gòu)改造方案

通過以上對舊水泥混凝土路面處置技術(shù)的比較，并結(jié)合該公路改擴(kuò)建工程實際情況，最終選擇“白改黑”的路面處理方案。

考慮到該病害路段原路面結(jié)構(gòu)、公路沿線筑路材料的主要類型，此次改擴(kuò)建及維修養(yǎng)護(hù)過程中，在采用“白改黑”舊路面改造措施的基礎(chǔ)上，主要采用4cm 厚AC-13C 細(xì)粒式瀝青混凝土SBS 改性上面層+6cm 厚AC-20C 中粒式瀝青混凝土SBS 改性中面層+8cm 厚AC-25C 粗粒式瀝青混凝土下面層+15cm 厚水穩(wěn)碎石基層+25cm 厚舊路混凝土路面板碎石化底基層的路面結(jié)構(gòu)方案。

結(jié)合該病害路段運行情況、交通規(guī)模、氣候條件及運行環(huán)境，為保證該路段服役年限不受影響，應(yīng)采用全壽命周期成本的理念展開路面結(jié)構(gòu)改造設(shè)計。

設(shè)計彎沉值公式如式（3）：

式中：Ld為公路路面設(shè)計彎沉值；Ac為反映公路等級的系數(shù)值，二級公路取0.9；As為體現(xiàn)公路面層型式的系數(shù)值，瀝青混凝土面層取1.0；Ab為體現(xiàn)公路基層型式的系數(shù)值，柔性基層和半剛性基層瀝青路面分別取1.6和1.0。

根據(jù)本公路實際情況，可計算得出公路路面設(shè)計彎沉值為21.8（0.01mm）。

筑路材料拉應(yīng)力允許值公式如式（4）：

式中：σR為筑路材料拉應(yīng)力允許值；σS為半剛性瀝青混凝土路面材料劈裂強(qiáng)度極限值（MPa）；Ks為半剛性瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度系數(shù)。

經(jīng)計算，該病害路段瀝青混凝土路面筑路材料劈裂強(qiáng)度及拉應(yīng)力允許值具體見表3。

表3 瀝青混凝土路面材料劈裂強(qiáng)度及拉應(yīng)力值計算結(jié)果

根據(jù)彎沉值設(shè)計結(jié)果進(jìn)行該改擴(kuò)建路面結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的層厚、抗壓模量、允許應(yīng)力值等取值情況的確定，最終確定的AC-13C 細(xì)粒式瀝青混凝土上面層、AC-20C中粒式瀝青混凝土中面層、AC-25C粗粒式瀝青混凝土下面層、水穩(wěn)碎石基層、碎石化處理的級配碎石底基層、水穩(wěn)碎石層、填隙碎石層厚度分別為4cm、6cm、8cm、15cm、25cm、17cm及18cm。

5 結(jié)語

該公路病害路段采取白改黑并加鋪瀝青混凝土面層的改擴(kuò)建處理措施后，既較好地解決了路面加鋪層可能出現(xiàn)的反射裂縫問題，使路面性能顯著改善，且施工工期短、全過程中無需封閉交通。值得注意的是，經(jīng)過舊瀝青混凝土路面板碎石化處理后，無法符合設(shè)計要求的承重能力，只能作為級配碎石結(jié)構(gòu)層，需在其上加鋪水穩(wěn)碎石基層及SBS 改性瀝青混凝土面層，以保證路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。