關于碎石化路面結構設計的探討

1、南華大學 衡陽市公路管理局；2、南華大學

摘要：筆者闡述了碎石化技術的國內外現狀及本區域碎石化技術的推廣情況，并通過具體項目實踐對碎石化路面結構設計進行了探討，明確了本區域碎石化路面結構的合理性。

關鍵詞：碎石化；路面結構設計

1、碎石化技術的國內外現狀

碎石化技術起源于美國，美國最早應用碎石化工藝是在 1986 年，此后在公路改建工程中它被成功地應用，該技術在美國從開始使用以來，已在美國35個州進行施工，效果理想，已被列入美國瀝青協會的技術規范。

我國的舊水泥混凝土路面破碎技術起步較晚，直到2002年由山東省公路養護工程有限公司從美國引進Badger州立公路設備公司生產的多錘頭破碎設備。該設備對水泥混凝土路面的破碎則屬于典型的碎石化工藝。

雖然起步晚，但是國內道路工作者很快發現了碎石化技術能徹底解決水泥路面反射裂縫的優點，并迅速展開了研究和實踐，通過一些項目的實施，取得了相關研究成果。

2、本區域碎石化技術推廣情況

筆者所屬城市的區域首次采用碎石化工藝是2007年，省道S315線的一段路面大修改造項目，在公路主管部門和設計單位的推薦下，路面大修結構采用了對原水泥路面碎石化并加鋪基層及面層的結構。通過本次路面改造，徹底解決了該路段數年來難以根治的水泥路面病害，但同時暴露出了碎石化結構的路面結構設計強度不足的問題，近年來該公路部分路段路面出現了明顯的車轍、坑洞等瀝青路面的病害。

隨后省交通廳及省公路局等行業主管部門對水泥路面碎石化技術逐步進行了推廣和規范，特別是“十二·五”以來，《湖南省普通干線公路路面設計指導意見》2011年9月18日正式發布，《公路水泥混凝土路面設計規范》JTG D40-2011版于2011 年12月01日實施，其中關于舊水泥混凝土路面的加鋪方案選擇也給出了較為合理的方式，并同時明確了碎石化的技術參數，這是對碎石化技術在行業標準的層面給予了肯定和明確。我省公路水泥路面大修項目也積極推行了碎石化工藝，本區域從2010年之后的的國省干線公路水泥路面大修項目，基本采用了碎石化工藝，通過觀察近幾年的項目實施效果，基本上達到了預期效果，完全解決了原水泥路面反射裂縫問題，完成了“白改黑”目標，成功的由剛性路面改造成了柔性路面。

3、碎石化路面結構設計

筆者作為一名公路設計行業的從業者，有幸參與了本區域碎石化工藝的推廣和實施過程，同時對該工藝推廣過程的復雜性深有感觸。尤其在初期，由于是一個新興工藝，沒有較為成熟的工藝結構，也沒有成熟的施工經驗，導致項目實施效果還沒達到期望值，項目實施者在思想上都經歷了矛盾和掙扎。不過在上層決策者的精明領導和集體智慧支持下，碎石化技術的推廣已走上了正軌，到達了理想的社會效果。

目前本區域的碎石化項目，較為成熟的是針對國省干線的路面大修改造，對于省公路局下達的干線公路的路面大修工程，路面結構設計為：對原水泥路面碎石化后，加鋪大于30cm厚水泥穩定類基層+8cm厚瀝青面層。

2012年《“十二五”發展規劃》中的國道G107、G322路面改造項目啟動，該項目設計方案經過專家評審和論證，最終路面結構實施方案為：對原水泥路面碎石化后，加鋪45cm厚水泥穩定類基層+9cm厚瀝青面層。目前該項目已經基本實施完成。

對于以上項目，已完成實施的項目最長時間已有4年，最短時間不到1年，截止目前為止，項目均未出現明顯病害和問題。但是對于公路行業設計從業者，該碎石化結構設計的合理性一直有待明確。以下針對本區域G107改造項目的路面設計情況進行分析。

3.1累計軸載計算

針對路面結構設計的先決條件是確定項目的交通等級，調查明確設計車道標準軸載累計軸次次數。根據《公路水泥混凝土路面設計規范》JTG D40-2011版的規定，交通等級劃分標準已由原4級調整為5級。新規增加了極重等級，使得道路設計基準更貼切現實路況。

當以設計彎沉值和瀝青層層底拉應力為指標時，軸載計算公式為：

當以半剛性材料結構層層底拉應力為設計指標時，軸載計算公式為：

根據設計人員的實地軸載調查，通過軸載計算，本區域G107改造項目當以設計彎沉值和瀝青層層底拉應力為指標時：設計年限內一個車道上的累計當量軸次：1.52×108，當以半剛性材料結構層層底拉應力為設計指標時，設計年限內一個車道上的累計當量軸次：1.09×109，屬特重交通等級。

3.2結構層劃分及材料參數取值

方式一：通常設計人員對于改建路面的路面結構設計，對于原路面提取當量回彈模量作為設計結構的基礎層，該模量通常按檢測實測值確定。碎石化處理后的舊路面頂面的回彈模量一般不小于200MPa。按這種思路，對碎石化處理后的舊路面是作為一個結構層（老路面）來考慮的。

方式二：實際上我們的碎石化處理后的舊路面情況比較復雜，基本上分為兩層，碎石化上層和下層，碎石化層上層類似于瀝青穩定粒料，據國內外相關研究資料取其模量為不小于200MPa；碎石化層下層由未完全斷開的水泥混凝土塊組成，根據國外相關研究資料，其模量取3450MPa；原路面基層頂面回彈模量取不小于150MPa。

其它瀝青面層結構層取值均采用常規設計模量。

3.3路面結構計算

根據瀝青路面設計規范，路面結構設計一般以路表回彈彎沉值、瀝青層層底拉應力及半剛性材料層的層底拉應力做為設計指標。結合碎石化路面結構的特點及利用原路面改造的路面結構設計的實際應用經驗，碎石化加鋪路面結構層的設計控制性指標實際為路表的設計彎沉值。根據路表設計彎沉值設計確定和驗算結構層厚度。

根據設計指標采用多層彈性體系理論設計計算路面厚度。設計特對碎石化結構層采取2種結構建模計算。

序號結構層厚度備注

結構一

1細粒式瀝青混凝土4cm

2中粒式瀝青混凝土5cm

3水泥穩定碎石20cm

4水泥穩定碎石？cm計算層

5原路面（碎石化后原路面）

結構二

1細粒式瀝青混凝土4cm

2中粒式瀝青混凝土5cm

3水泥穩定碎石20cm

4水泥穩定碎石？cm計算層

5碎石化上層12cm

6碎石化上層12cm

7原路面（原路面基層）

根據計算結果顯示：結構一計算水泥穩定層厚度為18cm，結構二計算水泥穩定層厚度為11cm。結構二的路面基層厚度計算結果為31cm，基本吻合省公路局大修技術指標。

4、對碎石化結構路面的展望

通過筆者對本區域的一個實施項目的碎石化路面結構計算案例分析，認為結構二的計算模型，較為真實的反應了碎石化處理后的原路面情況，結構層次貼切實際，計算結果也較準確。同時也論證了我省公路系統在國省干線的路面大修項目中對碎石化結構推廣的掌控是非常準確、有效的。

我國是一個水泥路面保有率高的國家，隨著水泥路面的使用年限逐漸到期，水泥路面改造將在相當長的一段時間里成為道路路面建設的重點和難點。碎石化技術在我國起步較晚，雖然推廣程度不高，但是其具有較好的力學性能以及經濟、環保、節能等特點已成為不爭的事實。該技術需要得到廣大從業人員的認可，更需要上層建筑的認同，筆者相信該技術在今后的水泥路面改造中一定能成為重點推廣工藝，為道路建設提供技術支持。