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高速公路路面结构技术设计

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摘要:高速公路路面分期修建技术则是解决的软土地基或不良地基一个有效设计与施工途径。本文即针对软土地基或其它不良地基,以现行路面设计规范方法为基础,提出了路面分期修建的一些关键技术问题及其措施,以及分期修建沥青路面和水泥混凝土路面的结构设计和基本方法。

关键词:高速公路;路面;分期修建;结构;技术

1影响高速公路路面分期修建方案的关键因素

路面分期修建是相对于一次性修建而言的。分期修建路面结构各层次(包括面层、基层、底基层)的材料和厚度与一次性修建方案原则上应基本相同,只是将路面上面层或中面层以上部分作为二期工程,在过渡期后铺筑。

1.1影响一期路面结构的主要因素

一期工程的路面面层应较薄,也称"过渡期路面"。在确定一期路面结构时,应考虑以下因素:

(1)地基沉降量。过渡期内沉降量的大小是决定过渡期路面结构的根本因素。若沉降量较小,可以选用接近使用年限的路面结构;相反,选用满足过渡期内累计当量轴次的路面结构即可。(2)近期累计交通量。近期累计交通量是指过渡期年限内路面将要承受的标准轴载累计作用次数。一期路面结构应按近期累计交通量进行设计和验算。过渡期的时间范围选择3~7年较为合适,小于3年就没有实际意义了,大于7年则可能导致一期路面投资过大。(3)路面结构层的最小厚度。路面结构层的最小厚度是指各结构层的设计最小厚度和施工厚度。二期修建时,在不挖除原有路面结构厚度或仅挖除过渡路面面层的情况下,各结构层的厚度应满足其最小厚度的要求。

1.2二期路面铺筑时间的确定

路面分期修建方案中,二期路面铺筑时间的确定是一个技术经济问题,不仅要考虑路面结构的寿命、路面的使用性能、地基沉降等因素,同时也应考虑经济效益。

具体方法如下:(1)确定一期实施的路面结构,计算使用年限(用I表示)。根据设计预测交通量和一期实施的路面结构,确定一期实施的路面结构或原设计路面结构的中下面层的最大使用年限,此理论计算使用年限可作为二期路面实施的最终期限,即二期路面的实施必须在一期实施的路面结构最大使用年限之前完成。(2)根据实际运营交通量确定二期路面需要实施的时间。一期工程竣工通车后,根据交通量观测结果,计算出通车年限内的累计交通量N,自运营第二年起,将实际运营交通量N与设计预测交通量Ni(第Ii年末)进行比较,若N<Ni,则不需计算;若N>Ni,则应计算累计当量轴次,并根据一期实施的路面结构,计算实际路面结构参数,确定是否实施二期工程,若满足路面设计指标要求,可继续使用,否则应立即实施二期工程。(3)按地基等载预压固结理论计算沉降时间Ij。一般Ij应小于Ii与I的较小值。否则,在工程实施时,应考虑地基加固处理。二期工程实施的最佳时间It为:

Ij<It<min(Ii,I)

若Ij>min(Ii,I),则应根据固结理论计算沉降时间,反算一期实施的路面厚度,确保在路基固结完成前,路面具有足够的强度和良好的服务性能。

2高速公路路面分期修建关键技术与措施

2.1分期修建方案的路面设计标高问题

分期修建方案要求桥梁、涵洞等主线构造物按第一期路面竣工时的标高控制。二期路面修建时,通过局部的纵坡调整,使二期主线路面标高与主线桥梁标高连接平顺。跨主线的天桥、分离式立交等则必须按二期路面竣工时的标高进行控制。过渡期内地基发生固结沉降,可通过调平层进行调平,以保证二期面层竣工时能够达到设计标高。

2.2路面层间处理

一期和二期路面层间的结合问题是保证二期工程实施效果的关键,处理的好坏直接关系到二期工程的成败,处理措施如下:

(1)原路面面层设计厚度在15cm以上时,在保证抗滑表层厚度的前提下,一期实施的面层厚度建议控制在10cm以上,以满足现行规范要求的高速公路沥青混凝土路面面层最小厚度要求。(2)保证中面层的平整度至关重要。当沥青混凝土路面为三层时,基层的平整度对面层影响相对较小,但分期实施时基层的平整度对面层平整度指标的影响相对较大。因此,采用分期实施时必须加强包括路基、底基层、基层等在内的各结构层的平整度、压实度指标控制,以确保一期工程具有良好的服务性能。(3)二期路面面层与一期路面的层间结合的处理极为重要。设计时需根据一期路面病害情况及其原因进行相应进行如下处理措施:

①标线清除:原路面标线如采用热熔型反光标线,应采用小型标线铣刨机对原标线进行彻底的清理;

②路面污染的处理:在二期工程施工前,应对原路面进行彻底的清扫和冲刷,施工前再用大型吹风机械清理路面缝隙中的杂物;

③压浆孔的处理:在过渡期或二期工程水泥灌浆施工中,对灌浆孔要单独处理,以保证路面质量;

④洒布粘层油:为使新老路面更好地结合,应在层间洒布粘层沥青。

2.3补强层的设置条件与材料

若出现交通量增长特别快等意外情况,在二期路面设计验算时,一期路面结构层的强度不足,则要考虑设置一层补强层。对于原有水泥混凝土路面,补强层材料有钢纤维混凝土、连续配筋水泥混凝土(CRCP)以及素混凝土可供选择,补强层厚度应通过计算确定。

2.4防止反射裂缝的技术措施

铺筑沥青混凝土路面必须考虑防止反射裂缝的技术措施,防反射裂缝的方法主要有三种:改善加铺层材料和增加加铺层厚度、设置夹层和沥青加铺层上锯切横缝。

增加加铺层厚度使裂缝要经过较长时间才能到达加铺层表面,同时减小了温度对旧面板的影响。研究资料表明,沥青混凝土的厚度与防止反射裂缝能力成正比关系,单层改性沥青混凝土的裂缝率较两层改性沥青混凝土高。

设置中间应力吸收层。目前采用较多的材料有土工织物夹层和格栅夹层。利用土工格栅或玻纤格栅做应力吸收层主要是利用其高抗拉强度和弹性模量高的特点,格栅的主要作用为均匀传递荷载,分散反射裂缝的应力,同时增强沥青混合料的整体抗拉强度。但土工格栅的高温稳定性稍差,施工难度大。

沥青加铺层上锯切横缝或设置毛勒缝作为一种补充方式,可在桥梁伸缩缝、变坡点和长距离分断处局部采用。

2.5排水系统的合理设置与衔接

按照“上封下排”的原则设置排水系统。充分利用原有的排水设施,对局部破坏而造成路基积水的地方,增设盲沟排出路基积水;对于路基已稳定的路段,可以采用漫流的形式排出路面雨水,不破坏原有稳定的植被;对于因沉降量较大,路面结构层形成反坡,结构层内的水不能汇入原有盲沟排出,聚集在基层或底基层,导致基层或底基层的强度降低的情况,过渡期内预测沉降量较大时,路面结构需采用水稳性较好的基层或底基层,同时路面基层底部设置纵横向盲沟排除路面结构内部水。路肩部分亦要沿路面结构外侧设置纵向边缘排水系统。

2.6中央分隔带设置

中央分隔带设置最终应满足一次性修建成路面的使用性能。二期路面设计时应结合原有设计,确保原设置的中央分隔带纵横向排水系统与超高路段排水系统安全畅通。中央分隔带开口部位的路面结构宜采用与主线路面相同的结构。

2.7.构造物

高速公路路面分期修建时,桥梁、涵洞、通道、交叉工程等不宜分期修建,应按二期路面铺筑后的恒载状况,一次设计到位,并一次修建完成。

3高速公路路面分期修建关键技术结构设计

3.1沥青铺面设计(1)设计步骤。

①根据设计任务书的要求,确定路面等级和面层类型,计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值;②按路基土类与干湿类型,将路基划分为若干个路段,确定各路段土基回弹模量值;③参考推荐结构,拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案,根据选用的材料进行配合比试验,测定各结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度,确定各结构层材料设计参数;④根据设计弯沉值计算路面厚度;⑤进行技术经济比较,确定新建高速公路采用的路面结构方案。

(2)验算一期路面的结构设计是否满足设计要求。

验算一期路面的结构设计,即按照新建公路的设计步骤,验算拟建的一期路面结构方案是否满足在过渡期年限内累计当量轴次作用下的结构强度要求。如果拟建的一期路面结构方案满足设计要求,可以确定为一期路面的结构方案。

(3)一期路面结构验算。

一期路面结构的设计应充分为最终路面结构设计利用,因此,一期路面结构的设计应利用最终路面结构的底基层和基层作为其底基层和基层,其上修建一层至两层较薄的沥青混凝土或沥青混合料的过渡期面层。过渡期路面结构应满足过渡期内累计当量轴次的要求,即路面结构厚度应保证路表弯沉和沥青及半刚性层拉应力能够满足过渡期内相应指标的要求,即:

ls1≤ld1

σm1≤σR1

式中:ls1,ld1,σm1,σR1分别为一期路面验算时,过渡期路面的实际弯沉值(0.01mm)、路面设计弯沉值(0.01mm)、层底最大拉应力(MPa)、路面结构材料的容许拉应力(MPa)。ls1,ld1,σm1,σR1的计算方法与ls,ld,σm,σR一致。

3.2混凝土铺面设计

(1)设计步骤。①收集交通资料,包括初始年日平均交通量和交通组成,方向分配系数和车道分布系数,交通量的年平均增长率;②计算设计车道使用年限内的标准轴载累计作用次数Ne;③初拟路面结构,包括路基类型和土质、垫层类型和厚度、基层类型和厚度、面板初估厚度和平面尺寸;④设计混凝土混合料组成,并确定混凝土的设计弯拉强度fcm和弹性模量Ec;⑤确定基层顶面计算回弹模量Etc;⑥计算荷载疲劳应力σ和温度疲劳应力σt;⑦检验是否满足下列要求:0.95fcm≤σp+σt≤1.03fcm。⑧对多个方案进行技术经济比较,确定新建高速公路采用的水泥混凝土路面结构方案。

(2)验算一期路面的结构设计是否满足设计要求。验算一期路面的结构设计,即按照新建公路的设计步骤,计算拟建的一期路面结构方案是否满足过渡期年限内结构承载能力要求。如果拟建的一期路面结构方案满足设计要求,可以确定为一期路面结构设计方案。设计时应拟定多个设计方案,并进行技术经济比较,选用较优的设计方案。

(3)一期路面结构方案及验算。①将新建路面结构的面层去掉,在基层上适当加铺一定厚度的沥青面层,拟定一期路面结构方案:

②一期路面的验算与沥青铺面设计的一期路面的验算方法相同;

③二期路面设计可参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40-2002)。

参考文献:

[1]张留俊、黄晓明.关于软土地基上路面分期修建若干问题的研究[J].公路交通科技,2002,19(1)

[2]傅智.如何改善水泥混凝土路面的舒适性[J].公路,2004,(7)

高速公路路面结构技术设计责任编辑:小胥老师    阅读:人次
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