舊水泥混凝土路面共振碎石化動力響應與環境影響研究

郭 秋 金

(福州市規劃設計研究院集團有限公司,福建 福州 350108)

近年來,我國早期修建的水泥混凝土路面逐漸達到設計年限,亟需對舊水泥混凝土路面進行提升改造。常見的“白改黑”道路改造,雖然在改造完成初期能大幅度提高道路使用性能,但隨著車輛荷載的持續作用,舊面板病害處應力集中,加鋪層出現反射裂縫[1]。共振碎石化技術是一種新的改造技術,主要用于結構性較差的舊水泥混凝土路面改造,防治反射裂縫效果顯著[2]。且舊路破碎之后可作為路面基層,直接加鋪瀝青混凝土面層,既能加快施工速度,又能促進資源的再生利用[3]。

共振碎石化技術最早在2001年由美國RMI公司提出,我國于2005年將該技術應用于上海3條試驗路的修建,并對力學分析模型、設計方法、施工工藝與質量控制等展開研究[4-7]。王青海[8]采用有限元方法,分析了共振破碎中水泥混凝土路面的變形、破壞特征及不同因素對破碎效果的影響。劉亞琳[9]基于層狀彈性體系理論對比分析共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩固三種情況下加鋪層受力情況,結果表明共振碎石化技術優于其余兩種技術。姜獻東[10]依托實體工程,多方面對比分析直接加鋪瀝青層、多錘頭破碎后加鋪水穩層和瀝青層、共振破碎后加鋪瀝青3種改造方案,認為共振碎石化技術從質量、費用及社會效益方面表現更優。咼潤華等[11]通過有限元方法分析共振碎石化后瀝青加鋪層裂縫尖端應力強度因子和疲勞壽命,發現共振碎石化技術顯著減小裂縫尖端應力強度因子,延長瀝青加鋪層疲勞壽命。隨著共振碎石化技術的研究與推廣,全國各地相繼在舊水泥混凝土路面應用共振碎石化技術并取得了良好的使用效果[12-14]。

上述研究主要針對共振碎石化技術的設計方法、施工質量控制及使用效果等方面,但關于共振碎石化施工對周圍環境的振動影響和所產生粉塵、噪聲污染的研究極少。尤其是城鎮舊水泥路面改造過程中,振動施工可能會影響周圍建筑物和地下設施的安全,施工時產生的粉塵和噪聲會嚴重影響周圍居民的正常生活和健康。因此,如何界定共振碎石化施工的影響范圍,減小施工對周圍環境的不利影響,也是判斷共振碎石化技術適用性的關鍵。

鑒于此,依托福州某舊水泥混凝土路面改造工程,開展現場試驗測試,研究共振碎石化施工對周圍建筑物和地下管線的振動影響程度,分析施工作業點產生的粉塵和噪聲污染隨施工距離的變化規律。研究結論可為共振碎石化技術在舊水泥混凝土路面改造工程中的安全文明施工控制提供理論依據。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

現場試驗依托于福州某舊路改造工程,原水泥路寬14 m,設計速度40 km/h,道路等級為次干路,雙向四車道,抗震設防烈度7度區,設計基本地震加速度值為0.10g。經過多年的運營,在自然和汽車荷載的作用下,該路機動車道多處路面出現多種病害,從現場調查情況分析和統計可知,露骨、破碎、裂縫等是其主要病害。研究后決定采用共振碎石化技術進行改造,碎石化后混凝土碎石層強度較高,可直接作為基層使用。

改造后路面結構為:4 cm AC-13+6 cm AC-20C+8 cm ATB-25+玻纖格柵滿鋪(或路面加筋網)+1 cm ES-3型稀漿封層+舊水泥路面碎石化。

1.2 工程難點

該工程旨在通過共振碎石化技術減少對現有交通影響的基礎上,提升路面的承載力、平整度以及耐久性,但面臨著以下難點:

(1)該路屬于市政道路,兩側既有大量住房,道路下方及兩側管線眾多,難以確定共振碎石施工對周圍建筑物和管線的影響。

(2)施工時不可避免產生揚塵和噪聲,如何界定揚塵和噪聲的影響范圍,并采取相應降塵和降噪措施。

2 動力與環境測試方案

2.1 振動速度測試

當共振破碎機的振動錘頭開始接觸水泥路面板時,錘頭發出持續激振作用,項目沿線周邊建筑物可能受到程度不同影響,造成周邊一定距離建筑物的損壞。為研究共振破碎機作業對沿線不同距離處建筑物的影響,在距振源不同位置的地面上布置傳感器,采用加速度傳感器采集地表處加速度時程曲線,得到振動加速度隨碎石機作業距離增加的衰減規律,可確定共振碎石化施工作業面距周邊建筑物的水平安全距離。

圖1為加速度傳感器測點布置示意圖,測點總長度為20 m,由于共振破碎機無法在同一點重復作業,本次測試中不同工況共振破碎機作業點距測點1距離不同,工況1—工況6共振破碎機破碎作業距測點1的距離分別為1.25 m、1.00 m、0.75 m、0.50 m、0.25 m、0.00 m。采用加速度傳感器分別測試不同振動頻率下橫向(X方向)、豎向(Z方向)加速度變化?，F場傳感器布置時,先用皮尺預先測量出傳感器點位,采用紅色噴漆標識點位,再布置加速度傳感器,傳感器底部采用橡皮泥固定并使其與底面均勻接觸?，F場試驗共進行6種不同工況下地表振動監測,測試工況如表1所示,也用于土壓力、粉塵濃度及噪聲分貝的測試。

表1 現場測試工況

圖1 加速度傳感器測點布置示意圖

2.2 土壓力測試

城鎮道路路面結構下方有較多管線。在共振碎石機的作業影響下,管涵可能因受到過大的動土壓力和動荷載多次作用而破壞。為研究共振破碎機作用下對公路下方構筑物產生的影響,采用動土壓力傳感器采集共振碎石化施工作業面下方的土壓力加速度時程曲線,得到共振破碎機作業面下方動土壓力隨結構深度增加的衰減規律,即可確定共振碎石化施工作業面與地下管線的安全距離。

圖2為土壓力盒埋設試坑,試驗前在試驗段路面邊緣開挖深度為1 m的試坑,埋設動土壓力盒后回填,每隔0.2 m埋設兩個傳感器。圖3為動土壓力測點布置示意圖,將5個0.4 MPa動態土壓力盒編號為1—5用于豎向(Z方向)動態土壓力測試,埋設朝向為受力膜板面與豎向(Z方向)軸線垂直;5個0.4 MPa動態土壓力盒編號為6—10用于橫向(X方向)動態土壓力測試,埋設朝向為受力膜板面與橫向(X方向)軸線垂直,埋設時應保證與傳感器兩面接觸的土介質顆粒細膩,不能與較大的而且有尖角的石子接觸,以免在受力時將受力膜板破壞,埋設時在土壓力盒周邊鋪設薄砂層。土壓力測試時共振碎石機工作頻率為48 Hz,進行6次試驗,共振破碎機破碎作業距土壓力盒所在平面的距離分別為2.5 m、2.0 m、1.5 m、1.0 m、0.5 m、0.0 m。

圖2 土壓力盒埋設試坑

圖3 動土壓力測點布置示意圖

2.3 粉塵濃度測試

共振碎石機在施工作業時往往伴隨著大量的粉塵,嚴重影響城鎮環境空氣質量,可吸入顆粒物濃度過高會影響人體健康。因此,測試施工現場可吸入顆粒物(PM10)濃度,得到共振碎石化施工過程中作業點粉塵濃度隨距離的衰減規律,為共振碎石化現場施工過程中揚塵控制提供參考。

采用空氣質量檢測儀對共振碎石化施工現場環境PM10濃度進行測試。共振破碎前,試驗人員手持檢測儀提前站在共振碎石化機行進方向40 m處,采集施工過程中碎石化機與測點不同距離時的粉塵濃度值,得到不同工況下碎石機從起點到40 m處這一過程中PM10濃度的變化規律。試驗工況采用表1中工況1—工況6進行試驗。

2.4 噪聲測試

共振碎石機在施工作業時錘頭與水泥混凝土的碰撞會產生較大噪聲,影響城鎮道路周圍居民的正常生活,對人的身體和心理健康產生不良影響。因此,測試共振破碎現場噪聲排放,得到共振碎石化施工過程中噪聲隨距離的衰減規律,為共振碎石化現場施工過程中噪聲控制提供參考。

采用?，擜R854聲級計對施工現場環境噪聲進行測試。共振破碎前,試驗人員手持聲級計提前站在共振碎石化機行進方向40 m處,采集施工過程中碎石化機與測點不同距離時的環境噪聲排放值,得到不同工況下噪聲隨施工作業點距離的衰減規律。試驗工況采用表1中工況1—工況6進行試驗。

3 結果分析

3.1 施工對地表振動的影響

振動作用對周圍構(建)筑物存在潛在的危害性,目前判別指標主要有兩種:以加速度為判斷指標、以地表速度為判斷指標。

3.1.1 以加速度為判斷指標

圖4為不同振動頻率下距振源不同位置不同方向的加速度變化規律,指向振源方向為X向,豎直方向為Z向。由圖可知,不同振動頻率下X、Z方向加速度變化規律不明顯且峰值基本相同,Z方向振動加速度略大于X方向,最近測點處Z方向加速度峰值約為18 m/s2,X方向約為14 m/s2。X、Z方向加速度峰值均隨著傳感器測點距離的增加而減小,在某一段距離內加速度峰值大幅度減小,超過該距離后加速度小幅度減小并逐漸趨于穩定。X方向振動加速度峰值在5 m內降幅較大,最大幅度約為6.2 m/s2每米,Z方向振動加速度峰值在3 m內降幅較大,最大幅度約為6.0 m/s2每米。

圖4 不同振動頻率時距振源不同位置的加速度

參考《建筑抗震設計規范》[15](GB 50011—2010)規定,抗震設防烈度為6度(0.05g)時,除本規范有具體規定外,對乙、丙、丁類的建筑可不進行地震作用計算。故認為當振動所產生的地震加速度值在某地的值小于0.1g時對建筑物的安全幾乎沒有危害,以振動加速度峰值0.1g作為確定碎石化振動對周圍建筑物的安全影響區域的指標。由圖可知,當測點距振源水平距離大于8 m時,加速度峰值小于0.1g,共振碎石化施工作業對周圍建筑物幾乎沒有影響。

3.1.2 以地表速度為判斷指標

現場采用加速度傳感器僅采集加速度數據,故根據現場采集的加速度峰值和振動頻率大小,采用式(1)計算得到速度峰值[16],整理得到不同振動頻率下距振源不同位置不同方向的速度變化規律,如圖5所示。

圖5 不同振動頻率時距振源不同位置的速度

v=a/2πf

(1)

式中:v為振動速度峰值,m/s;a為振動加速度峰值,m/s2;f為振動頻率,Hz。

由圖5可知,不同振動頻率時距振源不同位置不同方向的速度峰值變化規律與加速度基本一致。Z方向振動速度峰值略大于X方向,最近測點處Z方向速度峰值約為12 cm/s,X方向約為10 cm/s。X方向振動速度峰值在5 m內降幅較大,最大幅度約為4.4 cm/s每米,Z方向振動速度峰值在3 m內降幅較大,最大幅度約為4.3 cm/s每米。

參考《爆破安全規程》[17](GB 6722—2014)規定,把振動速度視為評價振動作用對周圍結構產生振動的指標,并具體指出了許多結構類型的振動速度安全限值。對于一般民用建筑物,其振動安全速度限值為2 cm/s～3 cm/s,以振動速度峰值2 cm/s作為確定碎石化振動對周圍建筑物的安全影響區域的指標。由圖可知,當測點距振源水平距離大于6 m時,速度峰值小于2 cm/s,共振碎石化施工作業對周圍建筑物的影響可以忽略。

綜上所述,選取初步安全距離為8 m,考慮安全系數1.2并取整,建議共振碎石化施工作業面距周圍建筑物水平安全距離為10 m。對于本工程中,若道路兩側10 m范圍內存在建筑物,不宜直接采用共振碎石化技術進行舊路改造,經過嚴格論證后才可使用。

3.2 施工對附加壓力的影響

圖6為距振源不同垂直和水平距離的附加壓力值變化規律。由圖6可知,X、Z向附加壓力值均隨著水平距離和垂直距離的增加而減小,且Z向附加壓力值ΔP遠大于X向,故主要討論Z向附加壓力值的變化規律。Z向附加壓力值在垂直距離0.4 m內大幅度減小,且水平距離越大減小幅度越大,超過0.4 m后附加壓力值趨于穩定。水平距離為0 m時,當垂直距離從0.2 m增加到0.4 m,ΔP由242.0 kPa減小到1.7 kPa,下降幅度為99.3%;水平距離為2.5 m時,當垂直距離從0.2 m增加到0.4 m,ΔP由45.7 kPa減小到7.1 kPa,下降幅度為84.5%。垂直距離為0.2 m時,水平距離從0 m增加到2.5 m,ΔP由242.0 kPa減小到45.7 kPa,下降幅度為81.1%。

圖6 距振源不同垂直和水平距離的附加壓力值

實際施工過程中影響管線的因素包括錘擊頻率、路面破碎程度、上覆土質、管涵材質、管徑等諸多因素,參考《爆破安全規程》[17](GB 6722—2014)中相關規定,以附加壓力ΔP/105<0.55作為確定碎石化振動對埋地管線安全影響區域的指標。無壓力管線允許施工機械從其上部通過,無水平安全距離要求,但為避免共振破壞,在垂直方向上有安全距離規定。由圖6可知,當垂直距離大于0.4 m時滿足要求,得到初步安全距離0.4 m,考慮安全系數1.2并取整,得到共振碎石化施工作業面距地下管線(無壓力)的垂直安全距離0.5 m。壓力管線不允許共振碎石機從其上部通過,若埋置深度小于0.5 m,需嚴格控制水平安全距離。由圖可知,當水平距離大于2.5 m時滿足要求,得到初步安全距離2.5 m,考慮安全系數1.2,得到共振碎石化施工作業面距地下管線(壓力)的水平安全距離為3 m。

對于本工程中,若道路下方存在壓力管線不得使用共振碎石化技術,若道路埋置深度0.5 m范圍內存在無壓力管線,道路兩側3 m范圍內存在地下管線時,不宜直接采用共振碎石化技術進行舊路改造,經過嚴格論證后才可使用。

3.3 施工對環境PM10濃度的影響

《環境空氣質量標準》[18](GB 3095—2012)中規定二類區適用二級環境可吸入顆粒物濃度(PM10)限值150 μg/m3。圖7為PM10排放濃度隨施工距離的變化規律,空氣質量檢測儀PM10濃度最大量程為999 μg/m3。由圖可知,PM10濃度隨著施工距離的增加而減小,超出一定距離之后PM10濃度趨于穩定,工況1穩定段PM10濃度約為18 μg/m3,小于其他工況,原因是工況1是第一次破碎,現場原環境PM10濃度較小。其他工況下當共振碎石化施工作業距離大于15 m時,PM10排放濃度小于規范限值。

圖7 PM10排放濃度隨施工距離的變化規律

共振碎石化施工中不可避免地會產生揚塵現象,采取先灑水再進行碎石化的辦法可有效緩解揚塵現象,當表面灑水后,施工過程中場界可吸入顆粒物(PM10)濃度仍超過150 μg/m3時,應采取圍擋噴淋或水炮等降塵措施,以保證達到施工期間的環境保護要求。

3.4 施工對環境噪聲的影響

《建筑施工場界環境噪聲排放標準》[19](GB 12523—2011)中規定建筑施工過程中場界環境噪聲排放限值:晝間不超過70 dB,夜間不超過55 dB。圖8為環境噪聲隨施工距離的變化規律,不同工況下環境噪聲均隨施工距離的增加而減小,共振碎石化施工作業點處噪聲排放超過100 dB,當施工距離超過35 m后噪聲排放基本小于70 dB。城鎮道路環境噪聲排放約為65 dB,當施工距離超過40 m時,施工噪聲與環境噪聲基本一致且小于規范限值。故建議共振碎石化技術施工的噪聲影響范圍界定為40 m。

圖8 環境噪聲隨施工距離的變化規律

共振碎石化施工會對周圍40 m范圍內居住或工作人員產生不可避免的噪聲影響,施工時宜采取降噪措施,若40 m范圍內存在噪聲敏感點應該對該處采取隔音措施,且盡可能避免夜間施工,防止噪聲擾民。

4 結 論

(1) 共振碎石化施工地面加速度和速度峰值均隨著施工距離的增加而減小,5 m內衰減速度較快,為減小共振碎石化施工對周圍建筑物的影響,提出共振碎石化施工作業面距周圍建筑物水平安全距離為10 m。

(2) 豎向附加壓力隨垂直距離和水平距離的增加而減小,垂直距離0.4 m內衰減速度較快,提出共振碎石化施工作業面距地下管線(無壓力)的垂直安全距離為0.5 m,距地下管線(壓力)的水平安全距離為3 m。

(3) 當施工作業距離大于15 m時,可吸入顆粒物(PM10)濃度小于150 μg/m3,共振碎石化施工不可避免會產生揚塵,可采取表面灑水或增加吸塵裝置等降塵措施。

(4) 當施工作業距離大于40 m時,施工噪聲與環境噪聲基本一致且小于70 dB,在噪聲敏感點40 m范圍內共振碎石化施工宜采用降噪措施,盡可能避免夜間施工,防止噪聲擾民。