共振碎石化瀝青路面加鋪設(shè)計示例

共振碎石化瀝青路面加鋪設(shè)計示例1項目概況與交通荷載參數(shù)1.1項目概況浙江省某一級公路，為水泥路面結(jié)構(gòu)，橫斷面為雙向四車道布置，交通等級為重交通。該路已經(jīng)使用了15年。為配合城鎮(zhèn)化建設(shè)進行水泥路面“白改黑”。工程范圍：K0+000~K2+000。舊路結(jié)構(gòu)層如表1所列：表1舊水泥路面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層編號層位材料類型厚度mm1面層水泥混凝土板220.02基層二灰穩(wěn)定碎石300.03墊層粒料材料150.04—土基—1.2共振碎石化加鋪方案適宜性評價表2水泥混凝土板技術(shù)狀況評價指標板塊厚度mm混凝土彎拉強度MPa板底脫空狀況%斷板率實測值DBL%破碎板數(shù)量塊破碎板率%數(shù)值2205.8636.127.2625.8a）該路斷板率為27.2%，小于80%的標準；破碎板率為8.7%，小于30%的標準。根據(jù)斷板率不得超過對舊路共振碎石化的適宜性做出評價，認為適于共振碎石化改造。b）地勘資料顯示，地下常水位在地面以下1.8m，豐水期地下水位在地面以下1.4m，路基處于干燥和中濕狀態(tài)，路基以下不存在淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱下臥層。認為適于共振碎石化改造。1.3交通荷載參數(shù)改建后路面設(shè)計使用年限為10.0年。根據(jù)交通量OD調(diào)查分析，斷面大型客車和貨車交通量為12845輛/日，方向系數(shù)取50.0%，車道系數(shù)取50.0%。根據(jù)交通歷史數(shù)據(jù)，交通量年增長率按2.8%估算。按JTGD50-2017中表A.2.6-1確定該路設(shè)計為TTC3類，根據(jù)JTGD50-2017中表A.2.6-2得到車輛類型分布系數(shù)如表3所示。

表3車輛類型分布系數(shù)車輛類型2類3類4類5類6類7類8類9類10類11類車型分布系數(shù)(%)17.833.13.40.012.54.49.110.68.50.7根據(jù)路網(wǎng)相鄰公路的車輛滿載情況及歷史數(shù)據(jù)的調(diào)查分析，得到各類車型非滿載與滿載比例，如表4所示。表4非滿載車與滿載車所占比例(%)車輛類型2類3類4類5類6類7類8類9類10類11類非滿載車比例85.090.065.075.055.070.045.060.055.065.0滿載車比例15.010.035.025.045.030.055.040.045.035.01.4設(shè)計要求對于改建路面結(jié)構(gòu)，主要針對加鋪層的路面性能進行驗算，因此路面設(shè)計指標主要為瀝青層永久變形和疲勞開裂。根據(jù)JTGD50-2017中表A.3.1-3，設(shè)計指標為瀝青層永久變形、疲勞開裂時，各車型對應(yīng)的非滿載車和滿載車當量設(shè)計軸載換算系數(shù)，如表5所示。表5非滿載車與滿載車當量設(shè)計軸載換算系數(shù)設(shè)計指標瀝青層永久變形、疲勞開裂車輛類型非滿載車滿載車2類0.82.83類0.44.14類0.74.25類0.66.36類1.37.97類1.46.08類1.46.79類1.55.110類2.47.011類1.512.1根據(jù)JTGD50-2017中式（A.4.2）計算得到對應(yīng)于瀝青混合料層永久變形和疲勞開裂的當量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為30527360。本公路設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道累計大型客車和貨車交通量為13313777，交通等級屬于重交通。表6加鋪層設(shè)計要求設(shè)計指標瀝青加鋪層容許永久變形量mm設(shè)計年限內(nèi)車道的當量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)瀝青面層低溫開裂指數(shù)要求不大于10mm不小于30527360不大于3.02預(yù)估設(shè)計2.1確定材料設(shè)計參數(shù)預(yù)估值根據(jù)碎石層材料典型回彈模量分布在400MPa~800MPa，這里取范圍值的中值。舊路基層及以下各層材料參數(shù)取值，沒有實測數(shù)據(jù)和可參考的經(jīng)驗值，按照水平三要求取值。首先確定各層材料的模量預(yù)估初值：a）舊路基層為二灰穩(wěn)定粒料基層，依據(jù)JTGD50-2017中表5.4.5，材料模量預(yù)估初值取14000MPa；b）舊路結(jié)構(gòu)中墊層為級配礫石墊層，依據(jù)JTGD50-2017中表5.3.8，材料模量預(yù)估初值取250MPa；c）舊路結(jié)構(gòu)中路基，依據(jù)JTGD50-2017中表5.2.2，材料模量預(yù)估初值取50MPa。根據(jù)表3的要求，一級公路設(shè)計目標可靠度不小于90%。鑒于該路使用年限達15年，材料和結(jié)構(gòu)變異水平取高級，可靠度系數(shù)Rr查表4取1.33。代入式1計算，求得舊路基層及以下結(jié)構(gòu)層材料模量的預(yù)估值，整理于表7。式中：0E'——材料模量預(yù)估值；0E0——按照JTGD50-2017中水平三確定材料典型模量數(shù)值；Rr——可靠度系數(shù)，取1.33。表7舊路基層及以下各層材料參數(shù)取值層位材料類型厚度mmE0MPaE'0MPa泊松比中基層二灰穩(wěn)定碎石300.014000105000.25下基層粒料材料150.02501900.35路基路基土/50380.352.2初擬路面結(jié)構(gòu)方案根據(jù)公路等級和交通等級，初擬加鋪層如表8所示。表8初擬加鋪結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層編號層位材料類型厚度mm1表面層AC-13C（SBS改性）40.02中面層AC-20C60.03下面層AC-25100.0該路為一級公路，表、中、下面層材料模量的代表值，根據(jù)JTGD50-2017水平二，參照表5.5.11確定。將加鋪層材料、碎石層材料、舊路基層及以下各層材料參數(shù)取值整理于表9。表9初擬加鋪結(jié)構(gòu)及參數(shù)分層編號層位材料類型厚度mm模量MPa泊松比1表面層AC-13C（SBS改性）40.0110000.252中面層AC-20C60.0125000.253下面層AC-25100.0130000.254上基層碎石層220.06000.355中基層二灰穩(wěn)定碎石300.0105000.256下基層粒料材料150.01900.357/土基/380.352.3路面結(jié)構(gòu)驗算2.3.1瀝青加鋪層永久變形驗算根據(jù)JTGD50-2017中表G.1.2，基準等效溫度Tξ為22.8℃，由式（G.2.1）計算得到瀝青混合料層永久變形等效溫度為26.0℃?？煽慷认禂?shù)為1.28。根據(jù)JTGD50-2017中B.3.1條規(guī)定的分層方法，將瀝青混合料層分為7個分層。利用彈性層狀體系理論，分別計算設(shè)計荷載作用下各分層頂部的豎向壓應(yīng)力（Pi）。根據(jù)JTGD50-2017中式（B.3.2-3）和式（B.3.2-4），計算得到d1=-3.54，d2=0.64。把d1和d2的計算結(jié)果帶入JTGD50-2017中式（B.3.2-2），得到各分層的永久變形修正系數(shù)（kRi），利用JTGD50-2017中式（B.3.2-1）計算各分層永久變形量（Rai）和總永久變形量（Ra），各計算結(jié)果匯總于表10。表10瀝青層永久變形計算結(jié)果分層編號分層厚度hi（mm）豎向壓力PiMPa修正系數(shù)kRi永久變形mm110.00.703.980.8215.00.704.701.4315.00.697.052.0420.00.667.221.9520.00.596.071.3620.00.504.610.77100.00.401.541.4瀝青加鋪層總永久變形量Ra9.5瀝青加鋪層總永久變形量Ra=9.5（mm），對照表6加鋪層設(shè)計要求，瀝青層累積變形不應(yīng)超過10.0（mm），擬定加鋪結(jié)構(gòu)滿足要求。2.3.2瀝青加鋪層疲勞開裂驗算根據(jù)彈性層狀體系理論，計算得到瀝青層層底水平拉應(yīng)變?yōu)?8.7με。根據(jù)氣象資料，工程所在地區(qū)凍結(jié)指數(shù)F為200.0℃?日，按照JTGD50-2017中表B.1.1，季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)ka取0.96。根據(jù)工程所在地區(qū)，查JTGD50-2017中表G.1.2得到基準路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為1.42，根據(jù)初擬路面結(jié)構(gòu)和路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)，按JTGD50-2017中式（G.1.3）計算得到溫度調(diào)整系數(shù)kT1為1.13。瀝青層飽和度為75.0%。根據(jù)以上參數(shù)，按JTGD50-2017中式（B.1.1）計算得到瀝青層疲勞開裂壽命為202,353,718。對照表6加鋪層設(shè)計要求，設(shè)計使用年限內(nèi)瀝青層疲勞開裂對應(yīng)的累計當量軸次不應(yīng)小于30,527,360，擬定的路面結(jié)構(gòu)滿足疲勞開裂要求。2.3.3瀝青加鋪層低溫開裂指數(shù)驗算根據(jù)氣候條件，所在地區(qū)低溫設(shè)計溫度T為-5.5℃。路基類型參數(shù)b=3，表面層瀝青在-10℃條件下彎曲梁流變試驗的勁度模量St為300MPa，由JTGD50-2017中式（B.5.1），計算得到低溫開裂指數(shù)CI=-1.2，對照表6加鋪層設(shè)計要求，低溫開裂指數(shù)不超過3.0，所選路面結(jié)構(gòu)及材料滿足低溫抗裂的要求。2.3.4驗算結(jié)論各項驗算結(jié)果匯總?cè)缦卤硭荆罕?1分析結(jié)果匯總驗算內(nèi)容單位計算值對比值是否滿足瀝青加鋪層永久變形mm9.510.0是瀝青加鋪層疲勞開裂對應(yīng)的累積當量軸次次20235371830527360是瀝青加鋪層低溫開裂指數(shù)--1.23.0是初擬加鋪結(jié)構(gòu)和材料滿足所有驗算內(nèi)容要求，方案可行。2.4其他設(shè)計2.4.1板塊修復(fù)方案針對路段內(nèi)出現(xiàn)的62塊破碎板，鑿除重鋪，舊路路基和基層存在的病害一并修復(fù)：a）采用C40抗折水泥混凝土等厚鋪筑水泥混凝土板。常溫保濕養(yǎng)生不低于2周，且混凝土強度不低于設(shè)計強度的75%后，方可進行共振破碎施工。b）存在病害的舊路基層采用C20素混凝土修復(fù)，鋪筑厚度不小于15cm，養(yǎng)生周期不低于2周。c）存在病害的路基，采用20cm級配碎石填筑夯實，并滿足JTG/F20的技術(shù)要求。2.4.2透層碎石層碾壓完畢后噴灑乳化瀝青透層油。透層油為PA-2型，用量為2.0kg/m2。透層油滲透深度不小于8mm，且技術(shù)指標滿足JTGF40的相應(yīng)要求。2.4.3排水設(shè)計為增大結(jié)構(gòu)層的排水能力，在路面板邊緣設(shè)計縱向盲溝；盲溝底設(shè)置在舊水泥板底以下15cm處，盲溝截面尺寸為20cm寬×30cm高，盲溝縱坡為0.3%。每隔20m在路肩上設(shè)置一處橫向盲溝，以排出縱向盲溝匯集的水分。盲溝設(shè)置如圖1所示，盲溝中央采用管徑為10cm的多孔PVC花管排水，采用無紡?fù)凉げ及ü苡糜诜礊V，花管周圍采用粒徑19mm~26.5mm的單級配碎石填筑。盲溝頂面滿鋪一層無紡?fù)凉げ甲鳛榉礊V層。盲溝，以及所用的碎石、無紡?fù)凉げ?、多孔PVC花管應(yīng)滿足JTGF40、JTG/TD33、JTG/TF31，以及JTG/TD32中的相關(guān)要求。2.4.4防裂設(shè)計共振碎石化路段與其他路段銜接處，采取騎縫鋪設(shè)1m寬聚脂玻纖無紡?fù)凉げ歼M行防裂處理。聚脂玻纖無紡?fù)凉げ技夹g(shù)要求滿足JTG/TD32中相應(yīng)要求。3優(yōu)化設(shè)計以試驗段碎石層頂面實測彎沉值為依據(jù)，按照改建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計重新驗算加鋪層路面性能要求。3.1當量回彈模量的復(fù)勘復(fù)測彎沉檢測采用落錘式彎沉儀（FWD）。根據(jù)落錘彎沉儀實測的彎沉數(shù)據(jù)，按照下式計算碎石層頂面各測點當量回彈模量。式中：Edki——各測點當量回彈模量（MPa）；p——落錘式彎沉儀承載板施加荷載（MPa），取0.7MPa；r——落錘式彎沉儀承載板半徑（mm），取150mm；l0i——落錘式彎沉儀承載板中心點實測彎沉值（0.01mm）。然后根據(jù)式2~式6計算路段碎石層頂面當量回彈模量代表值。結(jié)果整理與表12。式中：Ed——經(jīng)修正后的路段當量回彈模量代表值（MPa）；a——模量修正系數(shù)，這里取1.1；Edk——碎石層頂面當量回彈模量代表值（MPa）；Edk——路段當量回彈模量平均值（MPa）；Z——保證率系數(shù)，該路等級為公路一級，1.645；S——標準差（MPa）；Edki——各測點當量回彈模量（MPa）；n——路段內(nèi)測點數(shù)，取10。表12碎石層頂面當量回彈模量測點nl0i0.01mmEdkiMPa147393.2256330.0345410.7443429.8555336.0652355.4760308.0850369.6942440.01039473.8Edk384.6S51.1Edk300.6Ed330.6碎石層頂面路段當量模量修正值為330.6MPa。加鋪層材料參數(shù)取值不變，重新整理加鋪結(jié)構(gòu)參數(shù)于表13。表13加鋪結(jié)構(gòu)參數(shù)取值分層編號層位材料類型厚度mm模量MPa泊松比1表面層AC-13C（SBS改性）40.0110000.252中面層AC-20C60.0125000.253下面層AC-25100.0130000.254/碎石化后的路面結(jié)構(gòu)/330.6a0.35a為碎石層頂面路面結(jié)構(gòu)的當量回彈模量。3.2路面結(jié)構(gòu)驗算3.2.1瀝青加鋪層永久變形驗算根據(jù)JTGD50-2017中表G.1.2，基準等效溫度Tξ為22.8℃，由式（G.2.1）計算得到瀝青混合料層永久變形等效溫度為26.0℃?？煽慷认禂?shù)為1.28。根據(jù)JTGD50-2017中B.3.1條規(guī)定的分層方法，將瀝青混合料層分為7個分層。利用彈性層狀體系理論，分別計算設(shè)計荷載作用下各分層頂部的豎向壓應(yīng)力（Pi）。根據(jù)JTGD50-2017中式（B.3.2-3）和式（B.3.2-4），計算得到d1=-3.54，d2=0.64。把d1和d2的計算結(jié)果帶入式（B.3.2-2），可得到各分層的永久變形修正系數(shù)（kRi），利用式（B.3.2-1）計算各分層永久變形量（Rai）和總永久變形量（Ra）。各計算結(jié)果匯總于表14中。表14瀝青層永久變形計算結(jié)果分層編號分層厚度hi（mm）豎向壓力PiMPa修正系數(shù)kRi永久變形mm110.00.703.980.8215.00.704.701.4315.00.687.052.0420.00.657.221.9520.00.586.071.3620.00.494.610.77100.00.391.541.3瀝青加鋪層總永久變形量Ra9.3瀝青加鋪層總永久變形量Ra=9.3（mm），對照表6加鋪層設(shè)計要求，瀝青層累積變形不應(yīng)超過10.0（mm），擬定的路面結(jié)構(gòu)滿足要求。3.2.2瀝青加鋪層疲勞開裂驗算根據(jù)彈性層狀體系理論，計算得到瀝青層層底水平拉應(yīng)變?yōu)?4.0με。根據(jù)氣象資料，工程所在地區(qū)凍結(jié)指數(shù)F為200.0℃?日，按照JTGD50-2017中表B.1.1，季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)ka取0.96。根據(jù)工程所在地區(qū)，查表G.1.2得到基準路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為1.42，根據(jù)初擬路面結(jié)構(gòu)和路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)，按JTGD50-2017中式（G.1.3）計算得到溫度調(diào)整系數(shù)kT1為1.82。瀝青層飽和度為75.0%。根據(jù)以上參數(shù)，按JTGD50-2017中式（B.1.1）計算得到瀝青層疲勞開裂壽命為33,278,281。對照表6加鋪層設(shè)計要求，設(shè)計使用年限內(nèi)對應(yīng)瀝青層疲勞的當量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)不應(yīng)小于30,527,360，擬定的路面結(jié)構(gòu)滿足疲勞開裂要求。3.2.3瀝青加鋪層低溫開裂指數(shù)驗算根據(jù)氣候條件，所在地區(qū)低溫設(shè)計溫度T為-5.5℃。路基類型參數(shù)b=3，表面層瀝青在-10℃條件下彎曲梁流變試驗的勁度模量St為300MPa，由JTGD50-2017中式（B.5.1），計算得到低溫開裂指數(shù)CI=-1.2，對照表6加鋪層設(shè)計要求，低溫開裂指數(shù)不超過3.0，所選路面結(jié)構(gòu)及材料滿足低溫抗裂的要求。3.2.4驗算結(jié)論各項驗算結(jié)