一种适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，特别是涉及一种适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构。

背景技术

随着经济迅速发展，高速公路交通量超过原预测交通量，在不能满足交通需求时需对原有的高速公路进行升级改造，一般在既有高速公路基础上进行拼接扩宽。在南方高温多雨气候环境和重交通荷载条件下，新旧路拼接处易出现不均匀沉降、排水不畅、开裂等病害。原路面建设时间较为久远，运营时间长，开挖后发现，旧路基层和垫层边部较为松散，若按开挖台阶的方式进行新旧路拼接，难以保证台阶开挖质量，拼接处的缺陷将导致路面出现病害。旧路路面结构与新拼宽路面结构厚度不一致，碎石垫层拼接处有高差，层间排水不畅，导致路面结构内部积水出现路面水损坏等病害。现行路面结构层一般采用柔性沥青面层加半刚性水稳基层，而旧路为白加黑路面结构，新旧路面基层结构变形模量差异较大，拼接后新旧路内部结构易出现变形导致路面开裂等病害。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构，以解决上述现有技术存在的问题，采用碾压混凝土板与旧水泥板拼接，在新旧路拼接结构下设置平衡梁加高透水混凝土带，发挥承载、抗裂、抗变形、连通排水系统等多项功能，解决新旧路面拼接处开裂、变形、内部水损坏等质量缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构，包括旧路路面结构、扩建路面结构、拉杆、平衡梁、高透水混凝土带，所述旧路路面结构包括自上而下设置的沥青加铺层、旧水泥板、旧路水稳基层和旧路级配碎石垫层，所述扩建路面结构包括自上而下设置的扩建沥青面层、碾压混凝土板、水稳下基层、水稳底基层和扩建路级配碎石垫层，所述沥青加铺层与所述扩建沥青面层连接，所述旧水泥板与所述碾压混凝土板连接，所述拉杆的一端位于所述旧水泥板中，所述拉杆的另一端位于所述碾压混凝土板中，所述平衡梁位于所述旧水泥板和所述碾压混凝土板接缝的底部，且所述平衡梁位于所述旧路水稳基层、所述旧路级配碎石垫层、所述水稳下基层和所述水稳底基层之间，所述高透水混凝土带设置在所述平衡梁的底部，所述高透水混凝土带位于所述旧路级配碎石垫层、所述水稳底基层和所述扩建路级配碎石垫层之间。

优选地，所述沥青加铺层和所述扩建沥青面层的厚度相同，且所述沥青加铺层和所述扩建沥青面层的上表面平齐设置；所述旧水泥板与所述碾压混凝土板的厚度相同，且所述旧水泥板与所述碾压混凝土板的上表面平齐设置；所述沥青加铺层和所述扩建沥青面层之间的接缝与所述旧水泥板和所述碾压混凝土板之间的接缝错位设置。

优选地，所述旧水泥板和所述碾压混凝土板之间的接缝的顶面设置有聚酯玻纤布，所述聚酯玻纤布位于所述旧水泥板的宽度与所述聚酯玻纤布位于所述碾压混凝土板的宽度相同。

优选地，所述平衡梁的一侧与所述旧路水稳基层和所述旧路级配碎石垫层连接，所述平衡梁的另一侧与所述水稳下基层和所述水稳底基层连接，所述平衡梁、所述旧路水稳基层和所述水稳下基层的上表面平齐设置。

优选地，所述平衡梁为混凝土结构，所述平衡梁的厚度为所述旧路水稳基层的厚度以及三位之一的所述旧路级配碎石垫层的厚度之和。

优选地，所述高透水混凝土带的厚度为三分之二的所述旧路级配碎石垫层的厚度、所述旧路级配碎石垫层的下表面与所述扩建路级配碎石垫层上表面之间的距离以及三分之二的所述扩建路级配碎石垫层的厚度之和；所述高透水混凝土带的抗压强度不小于10MPa；所述高透水混凝土带的孔隙率不小于20％。

优选地，所述旧水泥板中沿所述旧水泥板的纵向等间距设置有若干拉杆孔，所述拉杆孔内设置有植筋胶，各所述拉杆的一端分别伸入一所述拉杆孔内。

优选地，所述拉杆伸入所述旧水泥板的深度为20cm，所述拉杆距离所述旧水泥板的底部的高度为10-12cm，所述拉杆在所述碾压混凝土板中的长度为50-60cm。

优选地，还包括旧路路基和扩建路基，所述旧路路基位于所述的旧路级配碎石垫层的下方，所述扩建路基位于所述扩建路级配碎石垫层的下方，所述旧路路基和所述扩建路基连接，所述高透水混凝土带与所述旧路路基连接，且所述高透水混凝土带位于所述旧路路基与所述扩建路基的接缝的顶面。

优选地，以质量份数计，所述平衡梁的混凝土组成包括360-400份硅酸盐水泥、737-757份砂、1101-1141份石，132-172份水和3.5-4.1份减水剂；所述高透水混凝土带的混凝土组成包括381-401份硅酸盐水泥、1530-1590份石和119-139份水。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明用于白加黑路面扩建高速公路施工，通过在旧水泥板和扩建路面碾压混凝土板纵向接缝底部设置平衡梁、旧水泥板和碾压混凝土板拼接处设置拉杆，保证旧路路面结构和扩建路面结构的拼接质量，避免新旧路面在不均匀沉降时产生纵向开裂。通过设置高透水混凝土带，使厚度不一致的新旧路面结构内部排水系统相连通，排出新旧路面层间内部水，避免产生水损坏，提高路面使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构示意图；

图2为本发明的拉杆植筋深度h、拉杆的植筋埋高H和拉杆的预留长度)L示意图；

图3为本发明的拉杆植筋深度与旧水泥板和碾压混凝土板接缝位置沥青加铺层底面的拉应力关系曲线图；

图4为本发明的拉杆埋高与因植筋设置拉杆引起的拉杆顶部碾压混凝土结构层开裂力值关系曲线图；

图5为本发明的拉杆埋高与旧水泥板和碾压混凝土板接缝位置沥青加铺层底面的拉应力关系曲线图；

图6为本发明的拉杆预留长度与碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板内通过植筋方式设置的拉杆向外被拉出的力值关系曲线图；

图7为本发明的拉杆植筋深度为20cm、拉杆埋高为10cm，预留长度为35cm的碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板内通过植筋方式设置的拉杆向外被拉出的力值模拟示意图；

图8为本发明的拉杆植筋深度为20cm、拉杆埋高为10cm，预留长度为55cm的碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板内通过植筋方式设置的拉杆向外被拉出的力值模拟示意图；

图9为本发明的拉杆植筋深度为20cm、拉杆埋高为10cm，预留长度为85cm的碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板内通过植筋方式设置的拉杆向外被拉出的力值模拟示意图；

图10为本发明的拉杆预留长度与旧水泥板和碾压混凝土板接缝位置沥青加铺层底面的拉应力关系曲线示意图；

其中：100-适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构，1-平衡梁，2-高透水混凝土带，3-沥青加铺层，4-旧水泥板，5-旧路水稳基层，6-旧路级配碎石垫层，7-旧路路基，8-扩建沥青面层，9-碾压混凝土板，10-水稳下基层，11-水稳底基层，12-扩建路级配碎石垫层，13-扩建路基，14-拉杆，15-聚酯玻纤布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构，以解决上述现有技术存在的问题，采用碾压混凝土板与旧水泥板拼接，在新旧路拼接结构下设置平衡梁加高透水混凝土带，发挥承载、抗裂、抗变形、连通排水系统等多项功能，解决新旧路面拼接处开裂、变形、内部水损坏等质量缺陷。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图10所示：本实施例提供了一种适用于白加黑路面改扩建的多功能拼接结构100，用于白加黑路面扩建高速公路施工，包括旧路路面结构、扩建路面结构、拉杆14、平衡梁1、高透水混凝土带2，旧路路面结构包括自上而下设置的沥青加铺层3、旧水泥板4、旧路水稳基层5和旧路级配碎石垫层6，扩建路面结构包括自上而下设置的扩建沥青面层8、碾压混凝土板9、水稳下基层10、水稳底基层11和扩建路级配碎石垫层12，沥青加铺层3与扩建沥青面层8连接，旧水泥板4与碾压混凝土板9连接，拉杆14的一端位于旧水泥板4中，拉杆14的另一端位于碾压混凝土板9中，平衡梁1位于旧水泥板4和碾压混凝土板9的接缝的底部，且平衡梁1位于旧路水稳基层5、旧路级配碎石垫层6、水稳下基层10和水稳底基层11之间，高透水混凝土带2设置在平衡梁1的底部，高透水混凝土带2位于旧路级配碎石垫层6、水稳底基层11和扩建路级配碎石垫层12之间，高透水混凝土带2使得旧路级配碎石垫层6和扩建路级配碎石垫层12相连通，平衡梁1和高透水混凝土带2可充当扩建路面结构水稳下基层10和水稳底基层11施工的边部模板。本实施例通过在旧水泥板4和扩建路面碾压混凝土板9纵向接缝底部设置平衡梁1、旧水泥板4和碾压混凝土板9拼接处设置拉杆14，保证旧路路面结构和扩建路面结构的拼接质量，避免新旧路面在不均匀沉降时产生纵向开裂。通过设置高透水混凝土带2，使厚度不一致的新旧路面结构内部排水系统相连通，排出新旧路面层间内部水，避免产生水损坏，提高路面使用寿命。

具体地，本实施例中，通过采用改装的矿山铣挖机进行开槽，铣挖的水平深度和垂直高度根据平衡梁1加高透水混凝土带2嵌入旧水泥板4的尺寸自由调整，解决了施工进度慢，施工成本高等问题。开挖旧路水稳基层5和旧路级配碎石垫层6形成凹陷空间，平衡梁1和高透水混凝土带2的一侧设置在凹陷空间。

本实施例中，沥青加铺层3和扩建沥青面层8的厚度相同，且沥青加铺层3和扩建沥青面层8的上表面平齐设置；旧水泥板4与碾压混凝土板9的厚度相同，且旧水泥板4与碾压混凝土板9的上表面平齐设置，碾压混凝土板9的弯拉强度不小于3.5MPa，且碾压混凝土板9的7天浸水无侧限抗压强度不小于10MPa；沥青加铺层3和扩建沥青面层8之间的接缝与旧水泥板4和碾压混凝土板9之间的接缝错位设置。

本实施例中，在扩建沥青面层8施工前，沿旧水泥板4和碾压混凝土板9之间的接缝的顶面粘贴自粘式的聚酯玻纤布15，聚酯玻纤布15位于旧水泥板4的宽度与聚酯玻纤布15位于碾压混凝土板9的宽度相同。

本实施例中，平衡梁1的一侧与旧路水稳基层5和旧路级配碎石垫层6连接，平衡梁1的另一侧与水稳下基层10和水稳底基层11连接，平衡梁1、旧路水稳基层5和水稳下基层10的上表面平齐设置。

本实施例中，平衡梁1的厚度为旧路水稳基层5的厚度以及三位之一的旧路级配碎石垫层6的厚度之和；平衡梁1为混凝土结构，以质量份数计，平衡梁1的混凝土组成优选包括360～400份硅酸盐水泥、737～757份砂、1101～1141份石，132～172份水和3.5～4.1份减水剂。所述硅酸盐水泥优选为PO42.5普通硅酸盐水泥；所述砂优选为天然河砂，所述砂的细度模数2.5～2.9；所述石优选为5～20mm粒径石，更优选为5～10mm粒径石和10～20mm粒径石的混合石，所述混合石中5～10mm粒径石和10～20mm粒径石的质量比优选为3:7。所述减水剂优选为HJ-HPC聚羧酸高性能减水剂。所述平衡梁1的实测坍落度优选为175～180mm，实测容重优选为2400，7d抗压强度和28d抗压强度分别优选为48.9MPa～52.8MPa和60.3MPa～61.7MPa。

本实施例中，高透水混凝土带2的厚度为三分之二的旧路级配碎石垫层6的厚度、旧路级配碎石垫层6的下表面与扩建路级配碎石垫层12上表面之间的距离以及三分之二的扩建路级配碎石垫层12的厚度之和；高透水混凝土带2的抗压强度不小于10MPa；高透水混凝土带2的孔隙率不小于20％；高透水混凝土带2的混凝土组成优选包括381-401份硅酸盐水泥、1530-1590份石和119-139份水。所述硅酸盐水泥优选为PO42.5普通硅酸盐水泥；所述石的粒径优选为5～10mm；所述高透水混凝土带2的实测容重优选为2080，7d抗压强度和28d抗压强度优选为13.2MPa～14.2MPa和17.3MPa～25.2MPa。

本实施例中，旧水泥板4中沿旧水泥板4的纵向等间距设置有若干拉杆14孔，拉杆14孔内注射植筋胶，各拉杆14的一端分别伸入一拉杆14孔内，各拉杆14的另一端在扩建路面碾压混凝土板9施工时固定在碾压混凝土板9中。

与以往技术不同在于：以往路面结构施工中设置拉杆，拉杆植入旧水泥路面，拉杆预留端采用新拌水泥混凝土浇筑，以形成拉杆水平布设于新旧水泥混凝土路面结构中的状态；本实施例的特点在于，拉杆14预留端的路面结构为碾压混凝土路面结构，采用摊铺设备将具有不同粒径0～30mm的松散粒状碎石铺设到拉杆14上，并采用压路机碾压密实，因此本实施例面临的技术难题还在于碾压过程中存在将拉杆14水平拉出旧水泥板4的风险。因此，拉杆14的植筋胶强度、植筋后抗拉强度控制标准需要精确确定。采用有限元分析方法模拟实际施工状况来确定。

有限元分析中，路面结构、拉杆14、荷载等参数如下：

旧路路面结构和扩建路面结构的厚度参数采用钻芯确定，旧路路面结构和扩建路面结构的模量参数采用钻芯室内动态模量试验确定(板体性材料)或根据路面现场模量反算得到(松散粒状材料)；碾压混凝土松散状态的模量按500-1000MPa预计。

双圆均布荷载，荷载大小为0.7MPa；荷载仅作用在碾压混凝土上面，荷载边缘靠近碾压混凝土板9和旧水泥板4接缝。

通过改变拉杆14的植筋深度(拉杆14伸入旧水泥板4的深度)h、拉杆14的植筋埋高(拉杆14距离旧水泥板4的底部的高度)H和拉杆14的预留长度(植筋后，拉杆14裸漏在外面的长度，即拉杆14在碾压混凝土板9中的长度)L：

①计算碾压施工时，碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板4内通过植筋方式设置的拉杆14向外被拉出的力值；

②计算碾压混凝土结构中因设置了拉杆14，而在与拉杆14接触的部位出现应力集中引起的碾压混凝土板9发生劈裂破坏的力值；

③计算旧水泥板4和碾压混凝土板9的接缝位置对应的沥青加铺层底面的拉应力值。

计算过程：

采用开放获取的商业型ABAQUS有限元分析软件进行计算，基本步骤包括：

1)建模(根据旧路路面结构和扩建路面结构的结构层、每层厚度，绘制平面应变模型)；

2)材料参数设置(具体参数见上表)；

3)荷载和边界条件设置(荷载参数见上表，边界条件，底部采用限制全部自由度、左右限制横向自由度和转动自由度)；

4)网格划分(网格划分采用结构划分、网格密度设置为28)；

5)软件自动计算；

6)提取关键位置①②③的计算结果数值。

计算结果与分析如下：

(1)拉杆14植筋深度h：(单因素分析，假设条件：拉杆14设置在旧水泥板4厚度的1/2处，拉杆14预留长度等于植筋深度)。

由此可知，拉杆14植筋的能够有效降低旧水泥板4和碾压混凝土板9接缝位置沥青加铺层底面的拉应力。但随着拉杆14植筋深度的增加，降低效果逐渐趋于平缓。20cm时，性价比最高(植筋深度越大，钢筋用量、植筋胶用量越多，植筋工艺成本更高)。

(2)拉杆14埋高H：(单因素分析，假设条件：拉杆14预留长度等于植筋深度等于(1)中确定的20cm)。

由此可知，拉杆14埋高的增加将增加因设置拉杆14而引起的碾压混凝土板9应力集中和拉杆14顶部碾压混凝土板9开裂的力值。拉杆14埋高低于12cm时，这个开裂的力值较低水平，埋高超过13cm时，力值迅速增加。因此，拉杆14埋高设置为12cm以下较为合理。

拉杆14埋高的增加将有效降低旧水泥板4和碾压混凝土板9接缝位置沥青加铺层底面的拉应力，在拉杆14埋高大于10cm时，旧水泥板4和碾压混凝土板9接缝位置沥青加铺层底面的拉应力趋于水平，随着埋高接近旧水泥板4厚度，旧水泥板4和碾压混凝土板9接缝位置沥青加铺层底面的拉应力趋于水平略微上升，但不明显。

为了确保旧水泥板4和碾压混凝土板9接缝位置沥青加铺层底面的拉应力水平处于较低状态，拉杆14埋高应大于10cm。

综上，拉杆14埋高为10-12cm。

(3)预留长度L：(单因素分析，假设条件：拉杆14植筋深度等于(1)中确定的20cm，拉杆14埋高等于(2)中确定的10cm)

如图7-图9所示，A点的力值为4.103MPa，B点的力值为4.856MPa，C点的力值为5.375MPa。

分析可知，随着预留长度的增加，碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板4内通过植筋方式设置的拉杆14向外被拉出的力值会越来越大，在达到60cm时，会进入一个增速平缓期，超过80cm时又会进入快速增长的阶段。

分析可知，预留长度增长，旧水泥板4和碾压混凝土板9接缝位置沥青加铺层底面的拉应力降低，预留长度超过20cm时，降低速度减缓，但沥青加铺层仍然处于受拉状态，有开裂风险，预留长度达到50cm时，旧水泥板4和碾压混凝土板9接缝位置沥青加铺层底面的拉应力为0，沥青加铺层仍然处于受压状态，无开裂风险，因此预留长度需要控制在50cm以上，结合碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板4内通过植筋方式设置的拉杆14向外被拉出的力值的变化规律，预留长度范围为50-60cm。

预留长度50-60cm时，碾压设备振动和自重荷载使旧水泥板4内通过植筋方式设置的拉杆14向外被拉出的力值应控制在4.7-5.1MPa(1MPa＝10

拉杆14的直径D为16mm，植筋深度20cm，则拉杆14的受拉面积为：

S＝π×D×h＝π×(16/1000)×(20/100)＝0.01m

则植筋拉杆14在碾压施工时可能受到的拉力：

F

F

在植筋胶的质量指标方面，应控制植筋胶的破坏剪力不低于51kN。

综上，本实施例中，拉杆14伸入旧水泥板4的深度为20cm，拉杆14距离旧水泥板4的底部的高度为10-12cm，拉杆14预留在碾压混凝土板9中的长度为50-60cm。

本实施例采用碾压混凝土与旧水泥板4拼接，减少新旧路面基层结构变形模量的差异，避免拼接后新旧路内部结构出现变形导致路面开裂。

本实施例中，还包括旧路路基7和扩建路基13，旧路路基7位于的旧路级配碎石垫层6的下方，扩建路基13位于扩建路级配碎石垫层12的下方，旧路路基7和扩建路基13连接，高透水混凝土带2与旧路路基7连接，且高透水混凝土带2位于旧路路基7与扩建路基13的接缝的顶面。

本实施例中，扩建路面结构的碾压混凝土板9以下的路面结构形式与旧路路面结构不一致，其组合和厚度可按照现行路面结构标准设置。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。