论南宁至吴圩机场高速公路病害与改建方案

许建武，韦继宁

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

论南宁至吴圩机场高速公路病害与改建方案

许建武，韦继宁

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

文章以广西南宁至吴圩机场高速公路旧水泥混凝土路面改建工程为例，通过分析该旧水泥混凝土路基路面病害情况及结构状况，提出了旧水泥混凝土路面病害处治方案，以及采用橡胶沥青混凝土表面层及改性沥青应力吸收层的沥青混凝土罩面设计方案，为类似工程提供参考。

高速公路；旧水泥混凝土路面；沥青混凝土罩面；“白改黑”；病害；改建方案

0 引言

因国情，一定时期内我国修建了大量水泥路面。随着经济的发展和交通量的增加，这些路面出现了大量的病害，严重影响了其正常使用，需要进行维修改造。对于水泥混凝土路面改造，根据实际情况主要有以下方案：(1)水泥路面再生利用；(2)水泥路面沥青混凝土罩面(白加黑)。[1]沥青混凝土罩面为目前常见改造方案。针对南宁至吴圩机场高速公路旧水泥混凝土路面改建工程的实际情况进行分析，研究与其相适应的设计施工方案。

1 工程概况

南宁至吴圩机场高速公路起点位于苏盆村附近接南宁市壮锦大道，路线往南经苏盆、古思、七坡坳、渌摹、屯里、河洲等地，终点位于吴圩机场入口。主线总长为16 630.889 m。

该高速公路在公路自然区划Ⅳ区，为桂中盆地边缘，地貌类型以平原微丘地貌为主，局部为河流阶地地貌。沿线属湿润的亚热带季风气候，夏长冬短，雨量充沛，年平均降雨量为1 300 mm，平均相对湿度79%，阳光充足，霜少无雪，年平均气温21.8 ℃，最热月为7、8月份，平均气温约为28 ℃，炎热潮湿，最冷月为1月份，平均气温约为13 ℃。

路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，沥青混凝土路面设计轴载采用BZZ-100 kN。机场公路未来各特征年各路段及全线平均的预测交通量(折算成小客车)，2015年全线平均交通量为23 760(小客车，下同)辆/日，2020年为32 692辆/日，2030年为61 325辆/日，2034年为69 057辆/日。2015-2020年平均增长率为6.6%，2020-2030年平均增长率为6.5%，2030-2034年平均增长率为3.0%。

2 旧路检测情况

由于交通量增长迅速，车辆超载非常严重，特别是超重车的增加造成南宁至吴圩机场高速公路水泥混凝土路面出现了一系列的损坏。

2.1 现有水泥混凝土路面状况

对全线混凝土路面按规范[2]检测调查知，左右全幅路面6车道水泥混凝土路面出现了不同程度的病害，主要为破碎板、裂缝、板角断裂、错台、露骨等，尤其是左、右幅第三车道(重车道)破损较为严重，其裂缝、破碎板、露骨较多，裂缝和破碎板各占了总病害的28.8%，露骨占25.4%，影响了行车舒适性及安全性。原道路的接缝料目前外形保存比较良好，但由于使用多年未进行修复，目前已出现老化现象。

2.2 水泥混凝土路面结构强度状况

对全线20%的路面进行弯沉值检测，评定单元的检测结果平均值为7.1(0.01 mm)～73.4(0.01 mm)之间。对接缝传荷能力检测，于全线抽检20%，评定单元的接缝传荷系数为14.3%～94.8%之间，整体接缝传荷系数较好。在全线抽检20%，对板底脱空情况进行检测，针对重车道适度增加检测频率。评定单元板底脱空检测第三车道较第一、二车道严重，脱空率较高。根据检测期间观察及记录认为，其与重车、超重车行驶较多有关。

2.3 水泥混凝土路面结构参数

于旧混凝土路面左右幅各钻取35个芯样，分别取水泥混凝土面层进行劈裂强度试验和二灰基层无侧限抗压强度试验，对路面结构参数调查检测。水泥混凝土面层厚度标准值左、右幅分别为250 mm和249 mm，劈裂强度标准值左、右幅分别为3.2 MPa和3.38 MPa，弯拉强度标准值左右幅分别为5.15 MPa和5.39 MPa，弯拉弹性模量标准值左、右幅分别为36 200 MPa和37 300 MPa。从二灰基层无侧限抗压强度试验检测结果看，左右幅抗压强度均达到12 MPa，结构强度较高。从基层顶面当量回弹模量数据看，左右幅基层顶面当量回弹模量相差较小，数值均在400～700 MPa之间。

综合分析，交通量大且交通组成以重载交通类型为主以及工程所在地高温多雨的气候特点等因素是本工程路面病害的主要诱因。根据旧路检测情况以及计算结果，最终确定了沥青混凝土罩面方案，即在旧路水泥路面病害处治后，加铺14 cm厚沥青混凝土罩面层。

3 旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土罩面层设计方案

国内外旧水泥混凝土路面沥青罩面改造研究经验显示，对于反射裂缝防治，无论是采用加筋或者应力吸收消散的处治措施，只对防止水平方向变形有效，而对于竖向变形往往都收效甚微。[3]为了提高加铺结构的使用寿命和行车舒适性，在加铺罩面层之前必须先对原旧路面进行一定的处治，改善其作为新路面基层的可靠性和稳定性。

3.1 旧水泥混凝土路面病害处治方案

3.1.1 旧路面处治的原则

由于现状机场高速公路路基的运行性能良好，未出现路基稳定性、沉陷等重大病害，故未涉及到路基的改造内容。且本路段目前尚未有大面积破损，路面剩余利用价值很大，所以在方案比选中，不考虑采用冲击破碎旧路面板后按新建路面形式进行处治的方案。本次提出以板块接缝两侧的弯沉差以及板块单点弯沉控制水泥板块的修复。

当纵横缝传荷能力为中等或以下等级，或当弯沉差>0.06 mm时，应进行灌浆处理。同时结合对板块进行逐板单点弯沉测量，以确定对板块质量控制和修补方案，具体做法如下：实测单点弯沉值<14(0.01 mm下同)时不处理；位于14和40之间，灌浆处理；>40，则按脱空板处理，需破除旧板重新浇筑混凝土板块。

3.1.2 旧路面病害处治方案

对局部破损旧水泥混凝土路面，若有贯穿裂缝的断板、碎板或板内有多条裂缝或两个以上板角破损，同时出现错台或沉陷的面板应换板，并根据面板基层的破损程度对基层进行处理；若板块一个角破损，且破损板角的面积小于1/4板时，只进行板块的局部更换。如果基层出现局部结构损坏、基础变形，则应处理相应的基层；对板块脱空处，如由于水泥混凝土路面板和基层之间出现空隙导致的路面沉陷，可采用水泥灌浆等方法进行板下封堵；对唧泥处采取压浆处理；对错台高差≤10 mm的，采用磨平机磨平，或人工凿平，错台>10 mm的，用沥青砂或水泥砼填补；对沉陷、拱起、坑洞、构造缝按规范[4][5]处理。

3.2 加铺沥青混合料结构设计

依据交通量、超载的实际情况和公路等级对路面强度的要求，及有关的公路设计规范，并结合沿线气候、筑路材料的分布情况等，以安全舒适、经济耐久、环保美观等原则，进行结构组合设计及厚度计算。

旧水泥混凝土面层厚0.249 m。纵缝采用设拉杆平缝，横缝采用不设传力杆假缝。经计算设计车道使用初期的标准轴载作用次数为32 435次/日，已建成通车13年。由规范[7]的表A.2.2，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22。按规范的式(A.2.2)计算得到剩余设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为：7.68×107次。故本路段的交通等级属特重交通。

经调查评定，路面损坏状况的分级标准为中，接缝传荷能力的分级标准为中；旧混凝土面板弯拉强度实测标准值为5.15 MPa，弯拉弹性模量标准值为36 GPa。旧混凝土路面的施工变异水平为低。

旧混凝土路面的相对刚度半径计算为：0.937(m)。荷载疲劳应力计算为：2.97(MPa)。温度疲劳应力计算为0.07(MPa)。

本路段的变异水平为低，目标可靠度为95%，可靠度系数为1.330。按规范公式(3.0.3)，路面的极限状态：

γr(σpr+σtra)=4.05(MPa)≤fr=5.15(MPa)

因而，所选沥青混凝土加铺层厚度为0.14m，能满足旧水泥混凝土路面承受剩余设计寿命期内荷载和温度应力的综合疲劳作用，达到改善路面使用性能的目的。结合项目特点及旧路状况调查结果，路面加铺采用以下方案：

采用BISAR3.0分析程序，荷载采用100kN标准轴载，双圆均布荷载形式，当量圆半径为0.106 5m，轮隙间距为1.25r，罩面采用两层结构，假设层间状态为完全连续，路面结构物理参数参照规范和实际值：SMA-13和SMA-10的模量为1 400MPa，泊松比为0.25；AC-20C的模量为1 200MPa，泊松比为0.25；其他参数在路面评定中已说明。

表1 路面加铺结构表

由于考虑以往力学计算分析中数据的分布状态[7]，选取了中心轴沿轮迹带上的10点(1～10点)，作为力学分析的基本作用点进行计算分析。当不设应力吸收层时，x、y、z方向的正应力σ′表示用计算结果见表2：

表2 不同计算点位最大正应力σmax表

注：d为双圆荷载的当量圆直径。

通过表2可以看出，结构在一定程度具有扩散、吸收加铺层应力的效果，应力集中现象和裂缝的发展得到了抑制。因反射裂缝主要由接缝区加铺层中两侧板块垂直与水平的相对位移而产生的应力造成，分析数据反映出应力吸收层的存在，反射裂缝的产生与发展被延缓，沥青加铺层的应力集中现象在很大程度上被削弱。

面层采用橡胶沥青SMA-13，在避免废旧橡胶污染环境的同时改善了普通沥青混凝土模量高、脆性大的缺点，大大提高了其高温性能，与当地气候环境和交通量相适应。考虑到下面层在路面结构中所发挥的功能，采用AC-20C改性沥青混凝土较为经济。综合考虑旧水泥路面已出现的病害，以SMA-10改性沥青混凝土作为应力吸收层，充分发挥了材料高强度、防止反射裂缝向上发展的同时减少了整个结构的厚度。

4 结论

南宁机场高速公路旧水泥路面沥青混凝土罩面工程已竣工运营一年多，后期回访全线未发现新病害，沥青罩面层使用状况良好。本文依托南宁机场高速公路旧水泥路面沥青混凝土罩面工程实例，在旧路使用状况调查及检测的基础上，总结国内外类似工程设计实践经验、理论分析结果，提出了采用橡胶沥青混凝土表面层及改性沥青应力吸收层的沥青混凝土罩面设计方案。橡胶沥青的应用不但避免了废旧橡胶污染环境，同时改善了普通沥青混凝土模量高、脆性大的缺点，提高其高温性能和抗裂性，可极大改善路用性能；分析数据显示改性沥青应力吸收层的应用延缓了反射裂缝的产生与发展，沥青加铺层的应力集中现象在很大程度上得到抑制；应对旧水泥路面病害提出针对性处治措施，是沥青罩面改造工程的基础，应重视。此沥青罩面层设计方案的成功实施对以后类似水泥混凝土路面“白改黑”工程设计有一定的借鉴意义。

[1]杜延昭.水泥路面加铺沥青面层的关键技术[J].黑龙江交通科技，2009，32(6)：91-93.

[2]JTG H20-2007，公路技术状况评定标准[S].

[3]李廷刚，刘甲荣，陈丕东.冲压破裂稳固技术在水泥路面白改黑工程中的应用研究[J].公路交通科技，2010，27(7)：36-40.

[4]JTG H10-2009，公路养护技术规范[S].

[5]JTJ 073.1-2001，公路水泥混凝土路面养护技术规范[S].

[6]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[7]柳 浩，谭忆秋，宋宪辉，赵立冬.沥青路面基-面层间结合状态对路面应力响应的影响分析[J].公路交通科技，2009.3：1-6.

Discussions on Disease and Reconstruction Plan of Nanning-Wuxu Airport Expressway

XU Jian-wu，WEI Ji-ning

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Combined with old cement concrete pavement reconstruction project of Guangxi Nanning-Wuxu Airport Expressway，and by analyzing the disease situation and structural condition of this old cement con-crete road subgrade pavement，this article proposed the old cement concrete pavement disease treatment program，as well as the asphalt concrete overlay design plan by using the rubber asphalt concrete surface layer and modified asphalt stress-absorbing layer，thereby providing the reference for similar projects.

Expressway；Old cement concrete pavement；Asphalt concrete overlay；“White to Black”；Disease；Reconstruction plan

许建武，工程师，硕士研究生，研究方向：公路与城市道路工程。

U418.6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.007

1673-4874(2015)04-0025-03

2015-03-02