基于落锤式弯沉仪的路面冷再生设计与施工

吴 韩，曾志刚，柳 刚

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 436000)

0 引 言

现场冷再生技术是采用特定的机械设备，对现有沥青面层和部分基层进行铣刨、打碎，按需要掺配新集料，添加水泥或泡沫沥青等黏合剂，加水调整到最优含水量后压实，在原位形成新的结构层的一种路面修复方法[1]。国外从1940年开始再生路面研究；美国在20世纪80年代出版了《沥青路面冷拌再生技术手册》，对材料组成设计、路面结构设计、施工工艺等做出了详细规定，随后在1993年出版的道路设计指导手册中给出了路面修复设计半经验公式[2]。中国则是从20世纪90年代开始摸索，引进相关技术和设备，研究再生材料。黄晓明等[3]通过大量试验，证明了再生混合料的性能与旧料的掺配率和再生剂的用量有很大关系；张竹平[4]介绍了沥青混凝土路面就地热再生工艺、设备的主要组成和结构特点,阐述了设备引进应注意的几个问题；吕伟民[5]从沥青老化的原理出发，提出了再生剂的技术参数建议值；曾梦澜等[6]提出冷再生沥青路面结构设计应当遵循的原则，并给出了常用的冷再生沥青路面材料厚度设计图；李国伟等[7]研究了水泥冷再生混合料的回弹模量特性，结果表明混合料的7 d模量为极限模量的40%，28 d后达到80%，添加新集料明显提高模量；另外还有学者对泡沫沥青、乳化沥青等应用于再生混合料进行了探讨[8-9]。总结分析可以发现，国内对于冷再生技术的研究集中在材料性能和混合料设计，部分探讨了设备选型，对实际的工程设计流程、工艺参数选择与施工质量控制的研究相对较少，尤其是随着“一带一路”倡议的推进，对国际基建市场中的路面冷再生设计与施工缺乏总结[10]。

本文是截至目前中资企业首次参与南美洲玻利维亚道路修复项目的设计经验总结，以玻利维亚N9公路为例，分析了基于美国AASHTO规范的路面结构强度检测、冷再生深度和罩面厚度设计流程，并对维特根2000型冷再生设备在施工过程的质量控制要点进行总结。

1 项目介绍

玻利维亚N9国家公路圣克鲁斯至特立尼达段修复项目全长547.7 km，为双向两车道国家干线公路。路基标准宽度为9.0 m，行车道宽度为3.5 m，设计速度为100 km·h-1；穿越城镇段采用12.0 m路基方案，设计速度为40 km·h-1。2018年开始以DB模式进行全球招标，笔者所在公司中标其中2个标段共计193 km的主线路面修复设计。其中第2标段主线长62 km，第5标段主线长131 km。本项目招标技术规范指定采用美国AASHTO规范系列，路面设计来自AASHTO GDPS—1993规范手册。

2 冷再生强度原理及设计理论

冷再生施工采用特殊的设备将现有路面和部分基层打碎，原地拌合，并在搅拌的过程中添加集料(非必须)和固化剂(水泥或乳化沥青等)，适当添加水分后压实，使混合料达到最佳压实状态，养生后形成类似水泥稳定碎石基层的半刚性状态。喷洒透层后加铺沥青混凝土面层，形成最终的路面结构。按照水泥或沥青掺量的不同，混合料无侧限抗压强度通常在0.8～2.4 MPa范围内。

在AASHTO GDPS—1993规范中，对路面结构强度采用了一个概念性指标：结构数(Structure Number)。对不同路面结构层位，根据回弹模量或CBR值、排水情况等物理条件赋予一组权重系数，然后乘以该层的厚度，对各层的结果求和，得到整个路面的结构数。按照AASHTO大规模路面行车试验，结构数与道路能承载的交通荷载轴次之间存在经验关系。

路面结构设计采用设计年限内的等效80 kN单轴荷载次数、路面服务指标的衰减值、路面强度结构数和路基回弹模量之间的数学关系进行设计，此方法是基于美国联邦公路局在20世纪进行的大规模环形试验路的实测成果总结而来，属于半经验设计法，目前在南美洲、东南亚、中东地区广泛采用。核心公式为

log10W18=ZrSo+9.36log10(SN+1)-0.20+

2.32log10MR-8.07

(1)

式中：W18为标准80 kN轴载，由交通量调研预测；Zr和So为可靠度和标准误差系数，按AASHTO路面设计手册查表取值；SN为结构数；MR为路基回弹模量(单位为psi，1 psi≈6.895 kPa)，在修复工程中通常采用落锤式弯沉试验仪(简称FWD)测定；ΔPSI为道路服务指标损失，由初始指标减去末期指标得到，通常初始指标选4.2～4.5，末期指标选2.2～2.0；SNf为路面结构数的需求值(单位为inch，1 inch≈2.54 cm)，为式(1)待求解的未知量。

在FWD的瞬态荷载作用下，利用距离加载中心L处的弯沉值推算对应的回弹模量，公式为

(2)

式中：P为加载大小(lb，1 lb≈0.453 6 kg)；dl为距离加载中心l处的挠度(inch)；L为弯沉传感器与加载中心的距离(inch)。

已知中心传感器位移d0，加载板半径a，以及路面结构总厚度D，根据AASHTO路面设计手册第1卷附录，按照式(3)计算路面等效弹性模量Ep。

(3)

由于各个传感器所测的弯沉包含路面变形与路基变形的叠加，为了计算路基的回弹模量MR，需要提取路基变形的部分。因此应筛选出一个距离加载中心足够远的传感器，使得该处的路面变形可以忽略不计，所测弯沉值主要为路基变形，利用该处的应力应变计算回弹模量。

AASHTO经过试验和论证，在路面设计手册第1卷附录中建议采用以下规则：按照式(4)选取首个满足“L>0.7ae”的传感器，用于计算路基回弹模量，其中ae为应力球半径。

(4)

3 基于落锤式弯沉仪的罩面设计流程

由于整个路面结构的强度指标结构数等于面层、基层和底基层的结构数之和，各层的结构数则等于对应的层系数与厚度、排水系数的乘积，因此可以按照冷再生的物理过程求解结构数的变化。

按照冷再生混合料材料的无侧限抗压强度，可以确定对应的层系数，通过路面探坑和AASHTO设计手册确定基层系数和排水系数，用于计算面层和基层的结构数分量。按照式(5)验算施工后的最终结构数是否满足设计需求值SNf。

SN=SNeff-SNm+SNrec+SNac

(5)

式中：SNeff为根据FWD测试结果计算得到的当前路面有效结构数；SNm为旧路面冷再生铣刨损失的结构数；SNrec为压实后的再生混合料层结构数；SNac为新摊铺的沥青罩面层结构数。

从FWD获取逐桩弯沉测试数据，按照图1的流程处理，即可得到有效结构数SNeff和设计需求结构数SNf，通过补强措施，使式(5)计算得到修复后的结构数不小于SNf，即完成路面强度设计。

图1 基于FWD的路面强度设计计算流程

4 设计实例

针对玻利维亚N9公路修复项目路面现状调研和测试阶段，采用落锤弯沉仪在193 km主线左右幅每隔250 m测试一处，共收集了超过1 500组数据。基于AASHTO路面结构计算公式，笔者编制了美标沥青路面设计软件(图2)，批量计算落锤弯沉仪采集的弯沉序列数据，得到路面强度指标结构数。部分段落的曲线如图3所示。为便于读者理解，后续计算结果中路面结构数和各层厚度的单位均换算为cm。

当原始数据波动较大时，需要进行同质化分段，将结果相近的段落化为一个设计分段求均值。以第2标段为例，将62 km划分为22段，分段后的有效结构数和设计结构数分布曲线如图4所示。

在分段平均后，得到各段路面有效结构数SNeff和未来需求的强度结构数SNf，即可对补强路段进行再生厚度设计。以图4的第8分段为例，平均路面有效结构数SNeff≈8.28 cm，未来需求结构数SNf≈11.21 cm。在对应段落内做路面探坑，得到路面结构，见图5。

图2 落锤弯沉试验数据处理

图3 现有沥青路面强度指标(FWD测试计算值)

图4 路面的设计结构数与现有结构数分布曲线

图5 典型路面探坑剖面

现场调查发现路面主要病害为严重的龟裂和坑槽，部分沥青面层缺失，基层外露，推荐采用路面冷再生重建基层。按照南美地区惯用的冷再生水泥掺配比例3.0%对应的冷再生混合料28 d强度无侧限抗压强度2.5 MPa计算，根据AASHTO 路面设计手册第2章第3节，其他计算参数取值见表1。

(1)冷再生铣刨20 cm(面层4.5 cm +基层15.5 cm)后：SNeff1=SNeff-0.130×1.00×4.5-0.100×0.90×15.5=6.826 cm。

(2)掺水泥拌合压实20 cm，形成再生基层时：SNeff2=6.826+0.145×0.95×20=9.581 cm。

(3)在新基层上加铺7 cm罩面后，SN=9.581+0.420×1.00×7=12.520 cm>SNf。

复核结果表明，在该段落内采用20 cm冷再生后，添加3%水泥混拌压实，加铺7 cm改性沥青混凝土罩面，此方案的路面结构强度满足设计交通量要求。

5 施工过程与质量控制要点

目前该项目正在采用德国维特根2000型冷再生一体机施工，平均每日进度为单幅800 m。采用一体化设备全机械作业，施工质量较稳定。具体施工工序如图6所示。

6 结 语

本文结合玻利维亚N9公路修复项目，基于落锤式弯沉仪的沥青路面检测结果，根据AASHTO GDPS—1993规范，对沥青路面冷再生的基本原理、路面结构计算、典型段落的修复方案设计和施工质量控制等方面进行了讨论，同时总结采用维特根2000型冷再生设备掺拌水泥法对现有开裂严重的沥青路面进行修复的施工流程和工艺特点。

目前，沥青路面冷再生修复工艺在南美洲广泛应用，采用一体化再生机组施工速度快，既经济又环保。有多个中资企业正在南美地区开拓相关基建市场，本文对计划实施类似工程的企业和国内相关公路修复项目的设计施工具有参考意义。

图6 沥青路面就地冷再生施工步骤与现场