沥青加铺层结构设计在旧水泥混凝土路面中应用

沥青加铺层结构设计在旧水泥混凝土路面中应用

姜南

大连市市政设计研究院有限责任公司518001

摘要：本文结合工程实例，围绕在旧的水泥混凝土路面上进行沥青加铺的结构设计进行研究探索，主要阐述结构设计的原则和结构设计的具体措施。

关键词:旧水泥混凝土;沥青加铺层;结构设计

随着城市化进程的加快，道路交通量和汽车保有量的急剧增加，旧混凝土路面多数接近或者超了设计年限，加之当前超载现象较多，越来越多的旧混凝土路面出现不同程度的病害，急需补强处理，从经济、方便、合理的角度考虑，在原有路面上加铺沥青面层是其中一种行之有效的方法。对这些路面进行加铺层结构设计十分有必要。进行加铺层结构设计的时候，要综合考虑道路路面情况、交通状况、气候条件及地质问题等，以确定道路加铺层结构设计当中的材料选择及计算厚度选择科学、合理，从而确保道路加铺层的工程质量。

1加铺层结构设计

1.1.加铺层结构设计的原则

在按规定对旧水泥混凝土面板进行处治的基础上，加铺层结构设计应满足表面抗滑性、高温稳定性、水稳定性、泛油问题，以及延缓和减少反射裂缝等几方面的要求。

1.2水泥混凝土路面使用状况的调查和评定

1.2.1路况调查的内容

路况调查的内容包括交通及经济调查、路面破损状况调查、路面结构承载力调查、路面的设计、施工和维修调查。

1.2.2路段的划分

划分路段是为每一个路段设计一种适当的改造对策，通常可以采用：①按历史资料和目测调查分段；②根据使用性能测定结果，应用统计分析方法分段。

1.2.3旧路面状况评定

在旧水泥混凝土路面加铺层设计时，应对旧路面使用情况采用路面状况指数、脱空值和接缝性能指数等指标进行详细的评定。

１1.3结构损坏的修复设计

铺筑加铺层之前，对旧路面可采取的对策和预防性措施列于表１。

表１混凝土路面结构损坏的修复对策

1.4沥青混凝土加铺层设计

1.4.1反射裂缝的成因

在外力作用下，新铺沥青混凝土加铺层处于复杂的三维应力状态。旧水泥混凝土面层在接缝或裂缝附近的位移会使接缝或裂缝上方沥青加铺层内出现应力集中，这时，就会在加铺层上产生反射裂缝。由于环境温度的变化而引起的旧面层板的水平伸缩导致接缝（或裂缝）上方的沥青加铺层内出现较集中的拉应力；由于荷载作用而引起的旧面层板边缘的竖向弯沉则使接缝上方的沥青加铺层经受较大的弯拉应力和剪切应力。总之，裂缝的产生原因有：①温度引起；②荷载作用引起；③温度和荷载共同作用引起。

1.4.2预防和延缓反射裂缝的措施

（1）在沥青加铺层上锯切横缝（对应旧混凝土板接缝位置）。

（2）采用厚加铺层。减少旧板的温度变化，降低拉应力、弯沉差、剪应力。

（3）设置裂缝缓解层。用开级配沥青碎石（空隙率25％～35％），厚度约9cm，沥青针入度40～50（0.1mm），用量1.5％～3.0％。

（4）旧混凝土碎裂。旧板碎裂成60～100cm的小块，用重型轮胎压路机压碎。

（5）设置各种夹层。橡胶沥青应力吸收层、土工织物夹层和土工格栅等。

一般来说，为了减少荷载作用引起的反射裂缝，以较刚硬的夹层为好；为减少温度应力引起的反射裂缝，以较软的夹层为好。

1.4.3沥青加铺层设计方法

旧水泥混凝土路面上沥青加铺层的设计方法在我国现行水泥路面设计规范中有详细明确的规定，目前主要有美国沥青协会（ＡＩ）弯沉法、美国陆军工程师部队（ＣＯＥ）经验法、美国ＡＡＳＨＴＯ经验法和破碎－稳固法等４种。ＡＩ弯沉法主要依据混凝土板接缝处的板边弯沉测定值，考虑了面板接缝的传荷能力和接缝处基层的支承能力，但未考虑混凝土板的其他损坏，可用于板块纵横裂缝较少，板块整体性较好的加铺层设计。ＣＯＥ法和ＡＡＳＨＴＯ法都是根据旧混凝土板裂缝类的损坏状况，按补足厚度缺额的概念计算加铺层的，而ＡＡＳＨＴＯ法不但考虑了裂缝损坏的严重程度和裂缝的性质，还考虑了加铺沥青层前，是否对有损坏的接缝和裂缝进行修复以及未修复接缝和裂缝的数量。破碎－稳固法主要依据破碎层表面的弯沉值，加铺路面面层确定后，按半刚性基层沥青路面设计方法确定基层厚度。

2工程实例

2.1工程概况

布龙路作为深圳市的一条重要的城市主干道，原为一级公路，其对路面的要求高。本项目主车道旧路面未出现较大面积的路面板的竖向位移沉陷、碎裂、角隅断裂等严重损坏的情况，仅局部地方出现路面裂缝。考虑布龙路的重要性，其对路面要求较高，综合考虑以上因素，为了延长沥青加铺层的使用寿命，本项目采用采用在旧水泥砼路面上先铺应力吸收层，再在其上铺沥青砼的方法对该路进行改造。

2.2主要施工设计

1)旧路面层铣刨施工

①施工准备：首先进行机械准备，为了保证铣刨拉毛后路面的平整度，必须采用精铣刨，即铣刨机的铣刨鼓要选用精铣刨鼓。

②测量：首先进行现有路面高程测量，分别测出路边平石与路中平石边缘的标高。根据现场测得数据进行内业准备，进行纵横调坡设计计算。

③调坡设计：路面调坡设计综合考虑纵坡与横坡两方面的因素。将路面现状各断面相应点实测标高减去调坡设计计算出的各点标高，则为该断面相应点路面铣刨深度。

④施工放样：根据路面宽度，结合铣刨机单幅铣刨宽度将施工作业路面分幅。

⑤精铣刨施工：根据计算的铣刨深度，先进行靠近紧急停靠带隆起部位的铣刨拉毛。

2)沥青混凝土路面施工。沥青混凝土采用AH－70石油沥青和符合设计规定的矿料级配混合而成。沥青混凝土混合料在拌制前的各组成材料均应经过检验合格后才能够使用。施工前对各种施工机具如摊铺机、压路机等做全面检查，经调试没有发现任何问题并均处于良好性能状态下才能使用。摊铺沥青混凝土前要检查基层情况诸如桩号、标高等是否精确，并定好摊铺厚、宽度。

3)改性沥青混凝土路面的施工。改性沥青混凝土具有比普通沥青混凝土更好的使用性能、延长路面使用寿命等特点，其制作和施工工艺与普通沥青的制作和施工工艺基本相似，只在制作与施工过程中对材料、温度与条件的控制有区别。

4)改性沥青混凝土路面的防护和开放交通。改性沥青混凝土路面在终压完成后，必须设置安全围栏，防止行人、车辆(包括施工用车辆)进入，只有当路面温度降至环境天气温度时才能开放交通。

3加铺层结构设计主要原则

根据工作经验和气候特点，综合考虑加铺层沥青材料的应力特殊性，对结构设计提出以下主要原则。

1)对旧的水泥路面进行加铺改造，应该采用厚度较薄的路面，减小对沿线交通设施的影响，对于一些桥梁和重载荷的设施尤其要注意这一点。要减小对软地基不均匀沉降的影响，要减小路线纵向的频繁变化，造成纵向的不平整及降低车辆通过的舒适性。

2)其结构设计方案要便于组织和施工，同时要能确保交通的安全，要尽可能减少人工作业的环节，尽可能多地采取机械化作业，提高施工速度和劳动效率，最大限度地保证施工安全和施工质量，确保施工进度。

3)要把提高路面承载能力作为主要着力点，要加强补强层的设计，要着力弥补路面结构比较薄和原路结构的薄弱环节，要全面考虑路面交通量的大小和载重的差别，在此基础上，综合考虑超限、超载车辆对路面的结构影响。

4)要优先选择安全可靠、方便施工和经济合理的施工方案，在满足所有技术要求条件的基础上。

5)对未经实践检验过的新工艺、新材料、新技术要谨慎采用，要先进行试验，在获得经验后再进行应用推广。

6)结构设计方案要遵从环保的相关规定，对于废弃的旧水泥混凝土破碎块废料和沥青混合料要进行妥善的处置，沥青混合料搅拌站的位置要设计合理，减小对环境的影响。

7)结构的设计要注意好防排水，按照“防排结合”的主要原则，将防排水和路面结构进行综合设计，要防止路面被雨水渗入和影响路基内部，方便排水和排涝。

4沥青加铺层的材料选择

沥青加铺层按照层数可以分为上层、中层和下层，上层材料主要有两种:一是13mm的混合料，另一种为16mm的混合料，为了确保道路平整度和施工方便，一般采用前者。按照类型分，主要有SMA、AC及AR/AC等，SMA型混合料有抗车辙的能力较强、耐老化和行车较为安全等优点;AC型混合料主要在AK型混合料基础上改进而来，其优点是表面层致密性较好，粗糙程度均匀，其缺点就是行车不够安全，抗滑性不好，多雨地域不宜采用。橡胶型混合料能有效降低道路反射裂缝的出现，是上层混合料较好的选择。其中间层最好采用SBS改性的沥青来提高抗车辙的能力，中下层的混合料一般选择较为密实的骨架级配，增加热稳性及水稳性。

5加铺层结构设计的主要模式

加铺层结构设计的主要模式分为:功能性加铺罩面层、中间夹层加铺体系、增设补强层设计模式。功能性罩面模式根据原路面状况采取直接罩面的方式进行，但前提是必须保证其具有足够的承载能力，并能恢复表面功能层;中间夹层加铺模式通过加铺沥青层，吸收和改善载荷和温度作用下层间的应力峰值，缓解和吸收竖向和水平方向的变形，起到防止扩展裂缝的作用，从而起到防水、隔离的作用，延长路面使用寿命和恢复路面使用性能;增设补强层模式主要在原水泥路面承载力不足的情况下进行，对结构进行加铺补强，使其恢复功能，从而达到设计要求。

6加铺结构厚度研究

根据不同道路的设计年限、设计等级、现路面状况和交通通过量等，加铺面层一般采用一层加铺和两层加铺两种模式，如果旧的水泥路的路况为交通量中等时，其加铺层结构设计一般为一层加铺;如果旧的水泥的路况等级不高且交通量较大时，其加铺层结构设计一般采取两层加铺。

6.1加铺层厚度的计算方法

1)沥青学会法。该计算方法来自美国，其认为沥青路面加铺层的裂纹主要来自水平方向的热胀冷缩，在结构设计时，水平应力大于垂直应力，计算方法是依照单轴荷载为80kN，轮胎压强为0.552MPa，后轴的间距为5cm。

2)ASSHTO的经验法。ASSHTO的经验法是依照等效结构数来确定沥青面层厚度，罩面厚度要承受未来交通量所需要结构容量与原有混凝土路面结构容量函数。要依据道路等级、交通量、投资状况及气候条件等情况，调整道路沥青的面层，一般重型交通路面加铺层结构厚度为10cm，中型、轻型交通路面结构加铺厚度为7cm，设长纤维的无纺聚酯土工布、应力吸水层及沥青的应力吸收膜等，可以避免渗水及反射裂缝出现，加强道路抗疲劳的性能。

3)COE厚度计算法。该方法来自美国，是种经验型的厚度设计，设计公式是h=A(Fh1－cbh2)，F是控制原有加铺层裂缝的发展系数，h1是依照现有的地基承载能力与未来的交通流量，A为2.5，是混凝土厚度及沥青层厚当量的转换系数，h2是原有混凝土面层的厚度。

经过计算，本项目拟定的路面结构为4cm厚改性沥青马蹄脂碎石混合料（SMA-13）、6cm厚中粒式AC-20沥青砼（添加0.4％的抗车辙剂）、沥青粘层、中粒式AC-20沥青砼调平层、应力吸收层和旧水泥混凝土路面。

6.2对加铺厚度的规定分析

沥青混凝土加铺层厚度设计方法是按经验选定沥青加铺层后，根据我国JTGD50—2006《公路水泥混凝土路面设计规范》的要求，控制水泥混凝土下面层的车辆荷载疲劳弯拉应力和温度疲劳弯拉应力之和不超过水泥混凝土板的弯拉强度为标准，本案例中规范设计出来的厚度是10cm，主要是考虑到减缓反射裂缝的需要，而增加沥青加铺层厚度对于减缓反射裂缝的作用非常有限，通常情况下靠增加加铺层厚度来消除反射裂缝不经济，更不现实。

7结束语

在旧水泥混凝土路面上铺设加铺层是较为经济合理的路面改造措施。但由于旧路面损坏状况复杂且变异性大，造成加铺层设计影响因素较多，设计参数难以确定，目前国内外尚没有成熟的设计理论和方法。加铺层成功设计的关键是对旧混凝土面层损坏原因的正确分析以及对其结构状况和承载能力的确切估计。

参考文献

[1]尉园园．旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计方法研究[J]．城市建设理论研究，2013，3(2):101－102．

[2]张海兵，于明明，李小建．旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计[J]．筑路机械与施工机械化，2012，29(3):54－56．

[3]颜学科．浅析公路沥青加铺层的结构设计[J]．城市建设理论研究，2012，2(20):35－36．

[4]刘壮．对公路沥青加铺层结构设计的探讨[J]．中国科技财富，2011，14(4):54．