高速公路-水泥砼路面加铺方案设计(设计二)

课程设计课程:公路养护技术与管理题目:公路水泥砼路面加铺方案设计姓名:班级:指导老师:湖南交通职业技术学院路桥学院年月日高速公路水泥砼路面加铺方案设计1项目背景

某高速公路是我省重要的交通主干道，承担着重要的客、货运任务。自1998年7月建成并正式通车至今，已经历时8年时间，随着沿线经济社会的持续、快速发展，此高速公路的交通流量不断增大，特别是超载、重载交通的增加，给此高速公路路面造成了不同程度的破坏，使得养护维修工作变得日益严峻起来。

此高速公路原路面结构：全线采用水泥砼路面，面层为25cm厚的水泥砼，基层为18cm厚的水泥稳定砂砾基层,底基层为15cm厚的水泥稳定砂砾，路面宽度为24m，共双向4车道。由于此高速公路路面设计使用年限为30年，为此，按照《公路水泥砼路面设计规范》（JTGD40-2002）的要求，在此期限内，路面应该能够满足预测标准累计轴载承载力，并允许在该期限内进行一次恢复路表功能的维修（罩面）。

对于此高速公路而言，目前已经通车7年半时间，路面出现了多种病害，该高速公路交通量逐年增大，加之超载、重载车辆增多，水泥砼路面出现了坑槽、裂缝、断板、错台、唧泥等病害，严重影响了行车的舒适性、安全性、运营经济性。因此，受此高速公路的委托，某设计院承担了此高速公路路面性能综合评价及中长期养护、改造维修方案规划设计的任务，并以此高速公路工程路面中长期养护维修为依托，开展水泥砼路面性能综合评价以及中长期养护、改造维修方案的研究。对此高速公路的路面工作性能进行综合全面的评价，以准确判断此高速公路目前的路面路况是否适应目前交通流量和轴载的需要，存在的典型病害，以及产生病害的原理与机理等。本次研究工作基于对该项目前期的调查、检测和评价基础之上，提出此高速公路路面改造加铺技术方案。2路面使用性能评价2.1路面破损状况评定指标和标准根据《公路水泥砼路面养护技术规范》（JTJ073.1-2001）和《公路水泥砼路面设计规范》（JTGD40-2002），水泥路面破损状况采用路面状况指数（PCI）和断板率（DBL）两项指标。路面破损状况分为优、良、中、次、差五个等级。按照《公路水泥砼路面养护技术规范》（JTJ073.1—2001），高速公路及一级公路的路面破损状况评定等级为中及中以下，需对路面进行大修。2.2路面损坏状况调查《公路水泥砼路面设计规范》（JTGD40-2002）规定，旧砼路面的损坏状况采用断板率和平均错台量两项指标评定，根据现场的调查，断板率分别为左幅行车道（3.95%）,右幅行车道（3.6%）,右幅超车道（1.2%），左幅超车道（0.9%）。左幅和右幅行车道已接近于优良的下限，如不采取有效的措施，将很快达到需要维修的状态。2.3路面结构承载能力（1）弯沉参数本项目对路面结构强度的评价是通过落锤式弯沉仪（FWD）测量路表弯沉来实现的。通过采集的大量弯沉盆曲线，利用弯沉盆参数来进行评价。通过大量的计算分析可以得出如下重要结论：①从路面的弯沉盆参数D1（中央弯沉，反映路面面层结构强度）统计平均值来看，其绝对值均不大，这表明此高速公路无论是路面面层（或水泥面板）还是下部基础的承载能力总体上基本能够满足现有交通流量和轴载的需要。从车道之间的对比来看，右幅优于左幅，超车道优于行车道。②从弯沉盆参数D1的变异水平来看，各弯沉变异水平较大。从总体上来看，变异水平基本为低或中等水平，这反映了此高速公路全线路面结构强度的不均匀性。（2）水泥砼路面接缝传荷能力接缝是水泥砼路面的重要组成部分，也是整个路面结构中最薄弱的环节，实际使用中的砼路面，绝大多数的破坏都发生在接缝的附近。本项目采用《公路水泥砼路面设计规范》（JTGD40-2002）中的基于相邻板块缝边弯沉比的接缝传荷系数作为评价标准。分析表明：此高速公路水泥砼路面接缝传荷能力属于“中”等级。但部分路段只达到了次等级水平。对比接缝传荷和脱空可以发现，绝大多数脱空板的接缝传荷能力较为低下，这进一步说明了传荷和脱空的相互影响，也从反面说明了传力杆钢筋对于接缝传荷能力的重要性。由于接缝传荷能力偏低，造成路面应力不能有限的扩散而过分集中，加剧了接缝破损，错台等病害的发生。（3）水泥砼路面板底脱空水泥砼路面板底脱空改变了砼板的受力状况，是造成水泥砼路面板产生早期断裂的主要原因之一。因此水泥砼路面板底脱空状况也是评定路面结构承载能力的重要指标，本调查利用路用探地雷达和FWD相结合的办法，得到此高速公路路面板底脱空状况为：左幅行车道（22.26%）,右幅行车道（14.9%）,左幅超车道（3.8%），右幅超车道（3.7%）,左幅脱空状况比右幅要严重。由数据可知，行车道的脱空率已比较严重，而且这是在近几年进行大规模压浆换板后测得的脱空率。在汽车荷载下，如此高比例的板底脱空将会对结构承载能力的和路面状况造成潜在的负面诱导效应，因此此高速公路的养护工作形势十分严峻。2.4路面行驶质量调查（1）路面平整度路面平整度是道路用户所熟悉和关心的重要路面指标。平整度不良的道路会影响乘车舒适性、降低汽车速度、加速车辆零部件损坏、提高车辆运营费用，而且不平整的道路使车辆产生的冲击荷载反过来增加路面不平整性，加剧路面破损。本次对平整度的检测采用的是LDP-20型累积颠簸仪。从检测评定结果来看：①普通水泥砼路段右侧行车道路面平整度评定等级为良，左侧行车道平整度评定为中，两超车道评定等级也为良。超车道平整度比行车道平整度略好。②此高速公路路面平整度已处于良的范围，随着交通量的迅速增加，道路的平整度将会继续下降，如不采取大规模的处理措施，此高速公路将很快降至需要大型维修的“中”等水平。（2）路面抗滑性能路面抗滑性能直接关系到行车安全。本次对此高速公路路面抗滑性能的检测是对其路面宏观摩阻力的检测。采用先进的Griptester全自动滴水型摩擦系数仪。从评定结果来看：①普通水泥砼路段两行车道、两超车道评定等级为优；②路面抗滑性能在相对较长的时间内能满足道路行驶的要求。2.5路面性能综合评价根据设计院对此高速公路路面调查与检测结果表明，此高速公路路面结构强度基本能够满足目前交通流量和轴载的需要，但情景不容乐观，路面依然已出现以下问题：①从交通量统计可以看出，重型货车已出现逐年快速递增的趋势；②道路破损状况形势较严峻，部分路段病害已很严重；③路面已出现承载力不足的情况，全线部分路段出现了强度明显偏低、水泥砼面板破损严重、水泥砼面板板底脱空率高、断板错台情况较严重，部分路段部分指标已达到需要大中修的程度，整体接缝传荷能力偏低，板底脱空率居高不下；④路面平整度已趋近于中等，行车舒适性受到了较大的影响；⑤路面抗滑性能相对较好。从以上检测结果评价来看，这说明随着交通荷载和服务年限的增加，此高速公路部分路段出现了较为突出的结构性病害，给行车舒适性和安全带来了极为不利的影响和隐患，如不积极采取及时、得力的措施，一方面则会增加今后养护工作的难度，另一方面会极大增加今后养护工作的成本。综上所述，此高速公路在服务使用设计年限内，无论是在路面结构性，还是在路面功能性都不能满足日益增加交通量和运营的需求。因此，此高速公路养护维修势在必行。问题解答：⒈按照《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）的相关规定，水泥混凝土路面使用性能评价包含（）、（）和（）三项技术内容。⒉根据《公路水泥砼路面养护技术规范》（JTJ073.1-2001），水泥路面破损状况采用（）和（）两项指标。路面破损状况分为优、良、中、次、差五个等级。按照《公路水泥砼路面养护技术规范》（JTJ073.1—2001），高速公路及一级公路的路面破损状况评定等级为中及中以下，需对路面进行大修。⒊本设计在进行路面使用性能调查与评价时对路面结构承载能力也进行了调查与评价，包括（）、（）和（）三个方面的内容。⒋按照《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）的相关规定，路面平整度用路面行驶质量（RQI）进行评价。本设计进行路面行驶质量调查包含（）和（）两方面内容。2.6试验路段的选取表12007年试验路段损坏状况预测各车道断板率（%）脱空率（%）错台量（mm）备注右幅行车道4.0146.497.34扣除路段内桥梁长度右辐超车道0.482.09/左幅行车道3.7917.377.55左辐超车道2.7718.147.45平均2.7718.147.45参见《某高速公路水泥砼路面性能综合评价》，K70+000-K76+788左右的路段在填筑路基时使用了高塑限土，其CBR值（CBR又称加州承载比，是California

Bearing

Ratio的缩写，由美国加利福尼亚州公路局首先提出来，用于评定路基土和路面材料的强度指标。）偏低，遇水膨胀变软，承载力不足。致使目前该路段错台、唧泥病害严重，进行小规模的换板、灌浆处治无法从根本上解决问题，而且按照目前的病害发展趋势预测2007年平均错台量将超过7mm，虽然平均断板率仅为2.77%，但是平均脱空率高达18.14%，特别是两幅的行车道存在着严重的隐患。因此建议选取该路段为试验路段，及早进行专项整治。3旧路处治方案设计由《某高速公路水泥砼路面性能综合评价》表明：路面已出现承载力不足的情况，全线部分路段出现了强度明显偏低、水泥砼面板破损严重、水泥砼面板板底脱空率高、断板错台情况较严重，部分路段部分指标已达到需要大中修的程度，整体接缝传荷能力偏低，板底脱空率居高不下。因此，根据此高速公路出现的病害情况，需对旧水泥砼路面进行处治，提高原路面的使用性能和利用价值，再进行罩面设计。水泥砼路面改建工程（沥青罩面）主要包括旧水泥砼路面的处理、沥青加铺层的设计和施工，施工质量是确保整个改建工程成败的关键。尤其是接缝的修补、砼路面板底脱空灌浆处治是改建工程的重点和难点。3.1接缝修补—加设传力杆1998年7月通车，从2000年起该路段水泥砼路面就逐年发生错台、断板、碎裂等病害，后果日趋严重。根据此高速公路水泥路面设计资料，全线路段没有设置缩缝传力杆，而出现上述病害的原因与此路段水泥砼路面的缩缝采用假缝构造有关。在重交通和特种交通情况下，接缝是水泥砼板块的薄弱部位，影响路面结构性能和行驶质量，一般都应该设置横向缩缝设置传力杆，在现行《公路水泥砼路面设计规范》（JTGD40-2002）也有此建议。问题解答：⒌简述水泥砼路面横向缩缝设置传力杆的作用？（1）加设传力杆的作用（2）加设传力杆经济分析根据《某高速公路路面性能预测》的结果可知，在不增设传力杆条件下，此高速公路路面宜于2023年进行路面大修。如果2007增设传力杆，假设能延长路面大修时间3年，即增设传力杆条件下2023年进行路面大修，路面大修采用推荐的方案一（即每公里预算为1049.5万元，包括桥涵、交叉工程改造费用），其它参数指标及经济比较分析的方法同《水泥混凝土路面所缝传力杆应用技术研究》经济分析部分。经计算，如果2007年在此高速公路增设缩缝传力杆，可产生的直接经济效益为：21167.73-13070.27=8097.46万元。因此，在此高速公路加铺改造工程中，从改善接缝传荷能力（加设传力杆）角度而言，无论在路面结构性能方面和路用性能方面，还是在养护方面，加设传力杆的作用非同小可，必将会产生较大的社会经济效益。并且从湖南省公路学会与某公司合作课题——《水泥砼路面缩缝传力杆应用技术研究》的鉴定报告所作的分析也得出类似的结论。至此，在此高速公路旧水泥砼路面改造加铺工程中，建议在试验路段加设传力杆。由于此高速旧水泥砼路面全线发生脱空、错台、断板、碎裂等病害日趋严重，为延长路面使用寿命，产生更大的经济效益，建议在全线改造加铺工程中也加设传力杆。3.2裂缝修补3.3错台的处理3.4板边板角修补3.5板下封堵问题解答：⒍请作图说明水泥砼路面裂缝、错台、板边板角的修补方法。⒎简述在罩面施工前进行病害维修及板下封堵的必要性？（1）板下封堵的必要性（2）设计考虑板下封堵工程的设计，包括选择一种合格的灌浆混合料，测试路面有没有脱空，预计灌浆的量和决定适宜的灌浆孔。4沥青加铺层方案设计4.1设计原则与依据路面设计主要遵循以下原则：（1）根据交通量、使用性质与任务，所在地区气候、水文、地质、材料、施工经验与养护要求以及大修工程的目的，综合考虑纵坡调整及横坡调整来进行沥青混合料加铺层的设计；（2）充分考虑采用机械化施工方法，重视新技术、新工艺、新材料的使用；（3）为保证加铺层在设计年限内的使用性能和耐久性，加铺层应满足一定的要求。问题解答：⒏为保证加铺层在设计年限内的使用性能和耐久性，加铺层应满足哪些要求？4.2加铺层结构设计4.2.1结构类型的选择

（1）面层

①改性SMA

为了减少和延缓反射裂缝的产生，要求加铺层沥青混凝土本身具有较高的低温抗变形能力和抗抗剪性能，同时又不能过分地降低沥青混合料高温稳定性，改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）是最佳选择。SMA这种以沥青、矿粉和纤维稳定剂做结合料的间断级配沥青混合料，既具备开级配混合料的嵌挤能力，提高抗车辙能力和抗滑阻力，又具备密级配混合料的优点，空隙率小、沥青用量多，可以提高路面的疲劳寿命和抗水损害能力。但是，SMA由于沥青含量高，如果施工管理不当，可能产生泛油。

如果能确保优质石料的供应以及有过SMA施工经验的施工单位施工，SMA结构能全面提高沥青混合料和沥青路面的使用性能，减少维修养护费用，延长其使用寿命。如果同时使用改性沥青，沥青玛蹄脂的性能进一步大幅度改善，再使用优质的石料玄武岩，使集料的嵌挤作用增强，结构材料多管齐下，使各种性能更加优良。

②AC型改性沥青

密实沥青砼的密水性、水稳定性好，有较大的抵抗自然因素和行车作用的能力，因此其使用寿命长，耐久性好。AC型密级配沥青混凝土具有较小的空隙率和较小的透水性，透水性小和耐久性好是I型沥青砼的优点，但其高温稳定性不好。（2）调平层①采用沥青混凝土做调平层：具有密水性和抗疲劳性能好的优点。众所周知，沥青混凝土的孔隙率的大小与沥青混凝土的抗疲劳性能有较大的关系，孔隙率小，其抗疲劳性能好，沥青混凝土的用油量较大，其抗拉强度较高，低温性能较好。特别适用于调平层厚度小于5cm的情况。②采用沥青碎石作为调平层：沥青碎石用沥青材料作为胶结料，增强了矿料间的粘接力，提高了混合料的强度和稳定性，沥青碎石比级配碎石的强度高、刚度比水泥稳定碎石小，作调平层优于级配碎石和水泥稳定碎石的结构。一般说来，沥青碎石有助于减轻基层裂缝向上反射穿透沥青面层。为了减轻面层可能形成的辙槽，防止雨水下渗，故可以采用重交沥青碎石做调平层。适用于沥青层厚度大于5cm的情况。③采用水泥稳定碎石作为调平层：水泥稳定碎石具有良好的整体性、足够的力学特性、抗水性和耐冻性。其初期强度较高，且随龄期增长而增长，应用范围很广。但由于水泥稳定碎石是一种半刚性结构层，其在强度形成过程中，不可避免的会产生收缩裂缝，裂缝在荷载与温度作用下会向上反射裂缝。在湖南高温多雨的气候条件下，会使沥青路面产生水损害，导致沥青路面结构出现早期破坏，降低路面的使用寿命。另外，由于水泥稳定碎石的刚度大，变形能力小，对于延缓旧水泥砼板的接缝反射是不利的。（3）延缓反射裂缝措施问题解答：⒐在加铺层结构设计中有哪些延缓反射裂缝的措施？（4）粘结层在旧水泥路面上加铺沥青混凝土面层时，应在沥青上、中面层及旧水泥砼面板上洒铺乳化沥青粘层，以加强路面结构各层之间的紧密结合，提高路面结构整体性，使各结构层之间不产生滑动。（5）排水设计根据《公路排水设计规范》（JTJ018-97），排水系统设计组成由路界表面（含路肩）排水、路面内部排水和地下排水组成。①路面表面排水路面表面水由路拱横坡经采用C20砼预制块进行加固处理路肩，自然漫流排出土路肩以外，进入边沟或排水沟排出。②路面结构层排水由于沥青砼面层的裂缝或孔隙，路面表面水渗入到路面结构内部，这部分水逐渐聚焦在旧砼板上部附近，由路拱横向渗流至路面边缘，通过在路面边缘土路肩下设纵向渗沟，以汇集此部分水流，将此部分排出路基范围以外。同时排出旧水泥砼板下的毛细水和中央分隔带少量渗入水。③中央分隔带排水中央分隔带采用透水性低的种植土，夯填成龟背型面，并种植龙须草草皮，以减少雨水的渗入。④桥面排水桥梁表面水通过路拱自然漫流至边缘通过泄水管排出。而渗入到桥面沥青砼铺装结构层内部的水，随横坡向边缘处渗流并通过泄水孔将水排出桥面以外。对大桥结构，在铺筑沥青砼桥面铺装层前，应在水泥砼层顶面涂设防水层，防水层材料采用SCA型水性桥面防水涂料。（6）施工组织、控制为了既能保证施工过程的正常进行又不至影响施工期间车辆的通行，建议施工期间封闭半幅车道，封闭长度为6Km为宜，考虑到试验路段总长约为6788m（其中桥梁长度共计1557m），可将试验路段全线半幅封闭（跨线桥除外）。4.2.2改造方案综上所述，根据国内外对旧水泥砼路面加铺沥青砼罩面的成功经验和总结，此高速路面养护、改造工程以此为借鉴，并结合此高速公路的交通状况、气候特征和设计标准（参照原有设计标准），拟定下面几种路面结构加铺改造方案：路面结构加铺改造方案一（推荐）路面结构层组合形式路面结构加铺层厚度（cm）说明改性SMA-16沥青上面层4-6鉴于此试验路段错台严重，要求调平层厚度不小于3cm。带病害旧砼板必须先进行处治，缩缝加设传力杆。改性AC-20沥青中面层5-8美国STRATA应力吸收层2-3AC-10沥青砼调平层3-5旧水泥砼路面25路面结构加铺改造方案二路面结构层组合形式路面结构加铺层厚度（cm）说明改性AC-16沥青上面层4-6鉴于此试验路段错台严重，要求调平层厚度不小于3cm。带病害旧砼板必须先进行处治，缩缝加设传力杆。普通AC-20沥青中面层5-8美国STRATA应力吸收层2-3AC-10沥青砼调平层3-5旧水泥砼路面25路面结构加铺改造方案三路面结构层组合形式路面结构加铺层厚度（cm）说明改性AC-16沥青上面层4-6鉴于此试验路段错台严重，要求调平层厚度不小于3cm。带病害旧砼板必须先进行处治，缩缝加设传力杆。改性AC-20沥青中面层5-8聚脂长丝烧毛土工布/AM-20沥青稳定碎石5-10旧水泥砼路面25路面结构加铺改造方案四路面结构层组合形式路面结构加铺层厚度（cm）说明改性SMA-16沥青上面层4-6鉴于此试验路段错台严重，要求调平层厚度不小于3cm。带病害旧砼板必须先进行处治，缩缝加设传力杆。普通AC-20沥青中面层5-8聚脂长丝烧毛土工布/AC-10沥青砼调平层3-5旧水泥砼路面25路面结构加铺改造方案五路面结构层组合形式路面结构加铺层厚度（cm）说明改性SMA-16沥青上面层4-6鉴于此试验路段错台严重，要求调平层厚度不小于3cm。带病害旧砼板必须先进行处治，缩缝加设传力杆。普通AC-20沥青中面层5-8美国STRATA应力吸收层2-3AC-10沥青砼调平层3-5旧水泥砼路面254.2.3加铺层厚度设计（1）旧砼板应力分析经计算，采用沥青砼加铺层厚度总计11cm，分5cm改性SMA-16和6cm中粒式改性沥青砼AC-20两层。该设计加铺厚度能够使原有旧水泥砼板承受剩余设计基准期内荷载应力和温度应力综合疲劳作用。(2)沥青砼路面结构验算当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，参照《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）要求，得到累计标准轴次：Ne＝2.39×107(次)。因此，采用沥青砼加铺层厚度总计11cm，分5cm改性SMA-16和6cm中粒式改性沥青砼AC-20两层。该设计加铺厚度能够使加铺沥青面层底部弯拉应力及弯沉满足要求。4.2.4工程造价分析试验路段起讫桩号为K70+000～K76+788，全长6788m，其中桥长共计1557m。参见上述主要工程材料单价，并参考其他改造工程总预算表，各种方案估算工程造价如表7所示。表7高速公路改造工程五种方案造价分析表造价比较方案一（推荐）方案二方案三方案四方案五总造价预算(万元/公里)1001.5811.5790.9794.5913.5注：因为试验路段内桥涵、交叉工程暂不进行改造，所以上述方案未计入桥涵、交叉工程改造费用。由表7可以看出，方案一的造价最高，其次为方案五，其余方案造价较接近。4.2.5五种方案分析比较表8某高速公路改造工程五种方案优劣性综合评定结果。方案编号结构强度抗车辙能力防反能力抗水损能力路面行驶质量施工可操作性工程造价社会经济效益综合排序方案一（推荐）优优优优优中高优1方案二良良优良良中低良3方案三良良良良良良低良4方案四良中中良优良低中5方案五良优优良优中中优2注：综合排序主要以抗车辙能力、抗水损能力、社会经济效益为参考。上表8中