剛性路面

在道路工程中, 彎沉(deflection)是指路面結構在荷載作用下的沉降位移。因此它是路面各結構層強度和剛度的綜合體現。所以人們常常通過測量彎沉來了解道路的性能, 如路基的回彈模量、路面的彈性模量以及路面脫空的判斷等。從本質上而言, 這些都屬於反問題，因此又發展了圖表法和回歸公式法、迭代法、資料庫搜索法、遺傳演演算法和人工神經網路法等, 但是都不可避免地面臨解的收斂性反算結果的合理性等問題，為此進行了很好的綜述。常用的道路彎沉測量方法主要有：貝克曼梁法和落錘彎沉儀(FWD).貝克曼梁法是一種道路彎沉的靜態自動測量方法，由於簡便易於實施，得到廣泛的應用。落錘彎沉儀主要用於測試動態彎沉峰值和彎沉盆數據。在彎沉計算分析中, 常常將路面結構看成由路面層、基層、土基等組成的無限寬薄板(面層、基層)和半無限空間體(土基)進行分析。其中, 對於瀝青等半剛性道路，可細分為更多的結構層；而對於水泥混凝土類的剛性路面, 則將它簡化為面層和土基層, 其基層的影響通過一個基層模量修正係數來修正從已有的分析來看, 路面脫空時彎沉與脫空量(脫空孔徑、深度等)的定量關係尚未見報道，僅能根據有限的經驗，利用彎沉來判斷路面是否脫空。因此本文將從簡單的雙層彈性體模型出發，以貝克曼梁法為載入形式, 利用有限元方法，在對照理論解的基礎上，分析彎沉與脫空量的關係，在理論上探討利用道路彎沉識別脫空的可行性和方法.

1 無脫空路面的彎沉分析

為了研究彎沉與脫空量的關係，本文採用有限元分析法。但是在進行有限元模擬時結構尺寸是有限的, 因此需要選擇合理的計算尺寸保證結果的有效性，避免過大的計算量。先通過對無脫空的彎沉進行數值模擬，並與解析解進行對比, 確定合理的計算尺寸.

1.1 理論解

水平方向的條件有兩種極端形式：一是完全固接的，即二者在水平方向的位移完全連續；二是完全光滑的, 即二者在水平方向的無剪應力。而實際的情況是常常介於二者之間。對於兩種極端形式，它們若受到軸對稱的垂直荷載作用, 表層的垂直位移的解 .對於車輪中間A 的位移，可以通過疊加法求解。材料參數和車載，可以得到固結和光滑兩種連續條件下的位移w1和w2的值分別為25.56 和26.71 (彎沉的單位為0.01 mm).鑒於二者在理論上的解差別不大, 本文將僅討論前一種路面和基層固結的情形.

1.2有限元分析

由於理論模型的解是針對半無限空間的, 因此需知用多大尺度才能使有限元的解有效地反映理論解。以ANSYS 軟體模擬上例路基路面受兩側雙輪荷載的情況 , 由對稱性, 僅分析 1/4 的對稱模型。用SOLID92 三維高階單元劃分路基和路面。通過變化模型中基層的高度和直徑，考察 A 點彎沉值並和理論解對照

2 脫空路面的彎沉分析

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實際上路面的脫空是很複雜的 , 脫空的位置常常在兩路面板接觸的地方。本文為了和理想模型相對比 ,在分析中 ,將路面的脫空簡化為一個空圓柱體(直徑為 D2)並且位於車載的正下方 .將通過改變脫空的幾何尺寸 , 考察路面彎沉隨脫空量的變化.

3 結論

本文通過三維有限元分析，考察了剛性路面脫空的影響因素，重點考察脫空的幾何尺寸對彎沉值的影響, 並結合一個工程實例的彎沉測量結果進行分析, 得出如下結論.

(1)在有限元分析中，採用較大的幾何尺寸，計算的彎沉值與理論解之間才有足夠的精度.

(2)脫空深度對實測彎沉值的影響很小，相對而言，脫空寬度對實測彎沉值的影響較大.

(3)通過分析表明，由於存在脫空情況下的彎沉值與無脫空時的理論值差別較小, 有時甚至可與測量誤差相比擬。因此，雖然可以利用彎沉測量判斷路面是否存在脫空，但不全面，特別是在脫空板的臨界彎沉值的確定方面，需要依賴於經驗和其它測量手段.

隨著我國國民經濟的高速發展，城市化進程不斷加速，城市規模相應擴大，人民的生活水平顯著提高，城市居民汽車擁有量也有了較大的上升, 從而導致了城市交通量的不斷加大，汽車的承載也相應有較大增長。這就使得城市道路的剛性路面(本文主要指普通水泥混凝土路面)過早地出現了不同程度的損壞，從而影響了行車質量和通行能力。為了恢復城市道路的使用功能，美化城市, 對城市道路原有的剛性路面進行改造，已非常必要。而現今對城市道路老路面改造還沒有一套完善成熟的方法，大都是結合各條道路的交通流量、路面結構及承載力，採用“白”加“黑”的改造方法(即在水泥砼面層上加鋪瀝青砼面層)。本文主要結合合肥市黃山路(玉蘭大道-徽州大道段)改造工程的實例，重點論述剛性路面損壞緣由以及根據實際情況採用不同的改造方法，並結合設計、施工及材料的使用, 分析在舊剛性路面改造時如何進行質量控制。

現有的合肥市黃山路為水泥混凝土路面結構，寬度為55-65米不等，斷面形式為四板塊。主要路面經過十幾年的使用后, 原有的路面功能及使用品質在不斷下降，已不能滿足現有的交通需要。經現場勘察，原有的路面45%以上出現了不同程度的板塊破損、開裂、錯台、沉陷、脫空等諸多病害。主要損壞有以下幾種：一是表面破損及結構損壞。黃山路是一條東西走向的城市主幹道，過往車輛較多，經過行車荷載的作用以及自然的侵蝕，已有大面積出現了破損及結構性破壞。道路表面破損主要指剛性路面在行車作用下出現起皮、網狀裂縫、淺表坑洞、露骨等。這類病害主要影響行車質量和通行能力。道路結構性損壞主要有斷板、錯台沉陷及角隅斷裂等。這些病害的引起原因很複雜, 主要是基層方面質量、板塊質量、接縫鋼筋配置以及板塊自身質量等引起的。

二是板塊開裂及接縫損壞。水泥混凝土板的開裂可分為多種開裂方式。有橫向、縱向、網狀裂縫等。黃山路接縫處的損壞主要是縱縫和縮縫的破壞，脹縫設量較少, 在施工過程中脹縫的施工質量相對要求較嚴，所以本路段脹縫損壞也較少。接縫損壞及板塊開裂的原因有很多，經過筆者對該道路的現場勘測，主要是基層強度不足、砼板施工質量及養護不及時等原因造成的。

三是其他的損害形式。

1.工程概況

黃山路位於合肥市核心區南部，西起玉蘭大道，東至徽州大道路段, 是連接老城區和大蜀山風景區的重要通道。現有的黃山路為水泥混凝土路面結構，由於路況很差，嚴重影響了行車質量和車輛的運行, 且隨著交通量的日益增大，該路已不能滿足現代交通的需求。該道路又是合肥市東西向的重要交通要道，對它進行改造也十分迫切。2007年合肥市對黃山路進行了全面改造。改造工程由合肥市重點工程局負責。

2.改造工程設計情況

根據規劃部門對黃山路總體規劃方案和合肥設計研究院提供的地質報告，結合安徽省恆達交通建設質量檢測有限公司提供的檢測數據, 邀請天津城建設計院有限公司對黃山路改造工程進行了總體設計。根據黃山路的現狀, 提出三種改造模式, 即老路利用、破除新建和完全新建。其中，老路利用段總長3 691 .355 米，破除新建段總長為3 951 .755 米，完全新建段長為1 298 .299 米。

3.改造工程“剛”改“柔”的施工質量控制

對黃山路進行改造, 充分考慮到該道路的使用狀況，在不同的路段採用了不同的改造方式, 有的採用了半剛性補強層, 有的設置了土工格柵和土工布的應力消散層, 並且重點對原有砼板進行了全面處理。半剛性補強層及應力消散層的施工和質量控制可以參照其他文獻，本文不再贅述。在加鋪瀝青砼面層前，必須根據老路面混凝土檢測情況對舊水泥混凝土面板進行修補處理，這也是改造工程質量控制的關鍵工序，具體施工處理方法及質量控制如下:

(1)表面破損及板塊開裂處理方法及質量控制在工程改造前，對整個路面進行了仔細勘查, 對未損壞的舊水泥混凝土表面鑿毛並仔細清洗，提高磨阻力及整體性。對錶面出現中等破損、輕微縱橫向裂縫，且未出現嚴重錯台或嚴重剝落的面板，根據裂縫的大小採用了不同的處治方法：一是對於表面小於3 m m 的縱、橫向輕微裂縫，採用了擴縫灌漿方式。首先順著裂縫擴寬成1 .5-2 .0 cm 的溝槽，槽深可根據裂縫深度確定, 最大深度不得超過2/3板厚。然後清除混凝土碎屑, 吹凈灰塵后，填入粒徑0.3-0 .6 cm 的清潔石屑。最後在溝槽內灌入填縫料，並保持與板塊齊平。二是對於表面為大於3 mm 小於15 mm 的中等裂縫進行了重點處理：在裂縫兩側切縫時，應平行於縮縫，且距裂縫距離不小於15 cm 。清除兩橫縫內混凝土的深度在7 cm 以內。每間隔50 cm 打一對鈀釘孔，鈀釘孔的大小應略大於鈀釘直徑2 -4 m m ,並在兩個鈀釘孔之間打一對與鈀釘直徑相一致的鈀釘槽。鈀釘宜採用除銹后的Ф16 螺紋鋼筋。鈀釘長度為22 cm ,彎鉤長度為7 cm 。鈀釘孔必須填滿砂漿，方可把鈀釘插入孔內安裝。切割的縫內壁應鑿毛, 並清除鬆動的混凝土碎塊及表面塵土、祼石。澆築混凝土應及時振搗密實、抹平，並噴灑養護劑。修補塊面板兩側，應加深縮縫，並灌注填縫料。三是對嚴重的縱橫向裂縫、破碎板和角隅斷裂板的主要是進行換板處理，在處理過程中應注意幾點：第一, 在破碎清除面板過程中不得傷及相鄰面板及拉杆，重新鋪設的面板應與老面板等厚；第二, 當相鄰拉杆在破碎面板過程中損壞或少設, 應補設拉杆；第三, 在更換面板時橫向位置應增設傳力桿。

(2)脫空板與斷板的處理方法及質量控制對脫空板與斷板的處理要謹慎, 首先進行路面板塊的彎沉測量；凡彎沉超過0.2 mm的面板均確定為面板脫空。對於脫空板, 為了保證工程質量, 整塊面板須翻修，翻修局部板塊時, 舊混凝土鑿除必須採用液壓鎬, 以免影響相鄰板塊, 並儘可能保留原有拉杆。基層損壞部分應予清除，並將基層整平壓實。由於局部修補面積較小，基層難以碾壓, 個別板塊基層採用30 cm 厚的C15 混凝土進行補強，基層標高應與原基層頂面標高相同，並在混凝土路面板接縫處的基層上塗刷一道寬為20 cm 的瀝青帶。由於局部修補面積較小，翻修板塊混凝土配合比及選用的材料，要選用快速修補材料。修補板塊應採用養護劑進行養護，相鄰板塊的接縫宜用切縫機切至1/4板塊深度，並清除縫內的雜質，灌接縫材料。斷板的處理過程和方法與脫空板的處理過程和方法基本上一致。

(3)對原接縫的處理方法及質量控制 舊剛性路面接縫的處理也是改造工程質量控制的關鍵工序之一，首先應清除接縫中舊填縫料和雜物(包括縱縫),並重新用普通瀝青灌縫, 所使用的瀝青標號同面層瀝青混合料標號。對於原有的脹縫及施工縫, 清除脹縫中舊填縫料和雜物后, 應先在傳力杠下填入粒徑0.3-0 .6 cm 清潔石屑，並灌入填縫料，然後將楔塊打入縫內，使混凝土板不能活動, 楔塊頂面要低於舊路面, 再用瀝青灌縫，瀝青標號同面層瀝青混合料標號。

4.改造工程中對材料使用的要求

改造工程中材料的使用是影響工程質量的關鍵之一，這裡主要談談對細粒式AC-13和SBS瀝青材料，以及土工格柵和土工布的使用要求。

(1)細粒式瀝青混凝土AC-13和SBS瀝青城市道路中瀝青路面所使用的瀝青大多經過改性,SBS改性瀝青是比較重要的一種。SBS改性瀝青是在原有基質瀝青(A H-70)的基礎上，摻加約3 .0%的SBS 改性劑，改性后的瀝青與原瀝青相比，瀝青路面的耐久性和高溫穩定性明顯提高。

(2)土工合成材料工程中對防反射開裂土工布作以下技術要求：一是良好的耐溫性。要求土工布材料在瀝青鋪設溫度一不僅不能熔化或軟化, 且能保持正常工作。二是良好的瀝青膠油吸附性。三是耐酸鹼。四是抗老化性較強。土工布在路面使用年限內應保持正常的工作狀態, 鋪設可採用人工及機械鋪設, 介面處應相互搭接15 cm。土工布性能參數如下：單位面積質量(g/m)為150,厚度(mm)為1.6 ,斷裂強力(KN/m))為≥8.0 ,斷裂伸長率為50 %。

通過合肥市黃山路改造工程的實例，分析探討了城市道路舊剛性路面的改造方法，結合設計、施工及材料使用方面的嚴格質量控制, 在工程竣工通車之後，從檢測結果來看, 行車質量及路容、路貌都有了較大的改變。這也給以後的城市道路中剛性路面的改造提供了一些值得借鑒的經驗。當然這種方法也有很多不夠完善的地方, 值得今後進一步分析和探討。