半剛性基層路面裂縫成因及防治措施

席曉雷

(河北保津高速公路有限公司)

1、引言

    自1988年滬嘉高速公路建成通車，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)內(nèi)地高速公路零的突破，在十余年的時(shí)間里高速公路建設(shè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其中半剛性基層瀝青混凝土路面已經(jīng)超過(guò)了總里程的70％。但由于我國(guó)高速公路、尤其是半剛性基層瀝青混凝土路面的應(yīng)用歷史較短，在高速公路運(yùn)營(yíng)條件下，路面病害產(chǎn)生的機(jī)理和發(fā)展規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)積累不多，以及對(duì)路面病害防治認(rèn)識(shí)不深，造成我國(guó)高速公路很多路段在交通開放一、兩年內(nèi)便出現(xiàn)了坑槽、開裂、車轍、抗滑性能不足等早期破壞情況，為我國(guó)公路建設(shè)資金的回收和公路養(yǎng)護(hù)部門的養(yǎng)護(hù)工作帶來(lái)了很大困難，同時(shí)也增加了國(guó)家對(duì)道路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的支出。在歐、美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家其道路的建設(shè)已進(jìn)入發(fā)展后期，道路建設(shè)資金70％用于對(duì)橋梁、公路的養(yǎng)護(hù)，30％的資金用于新建道路。而我國(guó)正處于公路大發(fā)展時(shí)期，提高對(duì)公路病害的早期防治，減少病害的發(fā)生率，延長(zhǎng)公路的使用壽命，可為我國(guó)公路建設(shè)節(jié)約很大的資金。本文將著重對(duì)瀝青路面眾多病害中較普遍的路面開裂現(xiàn)象的成因和防治措施，進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2、裂縫現(xiàn)狀

    保(定)(天)津高速公路河北段全長(zhǎng)l05km，是東北與華北、華中的連線，也是內(nèi)陸省份通往天津港的重要通道。該路為全封閉、全立交雙向四車道，路基寬為27m，路面厚度71cm，其中：底基層為20cm的石灰土；下基層為l8cm的二灰碎石：上基層為l8cm的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石；下面層為6cm的粗粒式瀝青混凝土(AC一30)；中面層為5cm的粗粒式瀝青混凝土(AC一25)，表面層為4cm的中粒式瀝青混凝土(AC一16)。其三期工程于1999年底竣工通車，經(jīng)過(guò)3年多的運(yùn)營(yíng)，路面整體狀況良好，但在K43～K67段約24公里范圍內(nèi)出現(xiàn)較嚴(yán)重縱向裂縫，并且路面出現(xiàn)了變形、沉陷、錯(cuò)臺(tái)等病害，且縱向裂縫除橋面外幾乎全段分布，南北半幅的數(shù)量基本相當(dāng)，縱向裂縫一般位于行車道右輪跡帶部位。形成初期為細(xì)微裂縫，路面無(wú)變形；繼續(xù)發(fā)展則裂縫寬度加大，出現(xiàn)沉陷或錯(cuò)臺(tái)等情況，并產(chǎn)生支縫，有時(shí)沿輪跡帶出現(xiàn)兩條或多條平行的縱縫，并在縱縫間出現(xiàn)橫向和斜向連接縫，形成縫網(wǎng)，且伴有明顯的沉陷，在輪跡帶處形成條帶狀的龜裂現(xiàn)象，南半幅的裂縫沉陷、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象較為突出。

    通過(guò)對(duì)路面鉆芯及挖驗(yàn)表明：裂縫及錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象在路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層都存在，裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)高度在各層沒(méi)有明顯的變化，沿裂縫的骨料較松散，路基填土的頂面看不出明顯的裂縫和錯(cuò)臺(tái)。從物探結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，縱向裂縫深度最大為lm左右，近似垂向發(fā)展。而且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，近年來(lái)，地下水位受氣象及其它因素的影響，比公路初建時(shí)下降了約3m；原地面以下4~9存在軟土層，層厚不均，孔隙比0．8～1，壓縮性較高，承載力較低；路基土液塑限較高，含水量較大，部分具有膨脹性。

3、裂縫成因

    瀝青路面開裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的。影響瀝青路面裂縫的主要因素有：瀝青和瀝青混合料的性質(zhì)、基層材料的性質(zhì)、路堤的填高和土質(zhì)(即填土的液塑限)、氣候條件(即季節(jié)性溫差)、交通量的大小和通行車輛的類型以及施工的質(zhì)量。路面裂縫按其成因可分：荷載裂縫和非荷載裂縫，按其開裂形式可分為：橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫。

    3.1荷載型裂縫

    我國(guó)高速公路半剛性基層瀝青混凝土路面的典型結(jié)構(gòu)為二層式和三層式兩種，半剛性基層多為水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石兩種，厚度一般在50~60cm，少數(shù)為40~46cm。由于其受力特點(diǎn)決定半剛性基層為主要承重層，而瀝青面層僅作為輔助層即半剛性基層的保護(hù)層對(duì)基層形成保護(hù)，避免輪載對(duì)基層形成直接損害，防止水往下滲致使基層產(chǎn)生破壞。而荷載型裂縫即是在行車荷載作用下，由于半剛性基層的底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)此拉應(yīng)力大于半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)在半剛基層底部先產(chǎn)生裂縫，半剛性基層整體結(jié)構(gòu)被打破，隨著行車荷載的反復(fù)作用，底部的裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展到上部，并反射到瀝青面層，致使瀝青面層出現(xiàn)裂縫產(chǎn)生開裂破壞。其表現(xiàn)的形式多為縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫，在輪跡處并排的縱向裂縫和網(wǎng)裂尤為明顯。

    3.2非荷載型裂縫

    非荷載型裂縫，即不是由行車荷載引起的裂縫，而是與瀝青及瀝青混合料以及半剛性基層材料本身密切相關(guān)。其裂縫主要是由瀝青面層材料自身產(chǎn)生的溫縮裂縫和由半剛性基層材料產(chǎn)生的收縮裂縫。瀝青路面面層溫縮裂縫可分為兩種：一種是低溫收縮裂縫即瀝青混合料在較高溫度條件下，具有良好的應(yīng)力松弛性能，溫度升降產(chǎn)生的變形不至于產(chǎn)生過(guò)高的溫度應(yīng)力。但在冬季，隨著溫度下降，瀝青混合料的應(yīng)力松弛趕不上溫度應(yīng)力的增長(zhǎng)，面層材料中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過(guò)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度或限拉應(yīng)變，瀝青面層就會(huì)開裂。

    由于一般道路瀝青面層的厚度都不很大，收縮所受的約束力小，所以低溫裂縫主要是橫向裂縫。另一種是由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致溫度應(yīng)力疲勞，使混合料的極限拉伸應(yīng)變變小，又加上瀝青的老化使瀝青勁度增高，應(yīng)力松弛性能降低致使瀝青面層產(chǎn)生疲勞開裂，由于此種裂縫開裂包含了溫度應(yīng)力疲勞的因素而將其稱作溫度疲勞裂縫，其開裂的主要形式為橫向裂縫。半剛性基層的組成材料，是用水泥、石灰、粉煤灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土或處治碎(礫)石，以及用各種水硬性材料結(jié)合料的工業(yè)廢渣修筑而成的基層。我國(guó)公路半剛性基層材料，多以水泥穩(wěn)定級(jí)配集料和石灰粉煤灰穩(wěn)定級(jí)配集料兩種類型為主，這兩類半剛性材料所固有的溫縮(即無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料形成結(jié)構(gòu)體隨著季節(jié)的變化產(chǎn)生溫差，隨著路面結(jié)構(gòu)深度的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫差逐漸減小，在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在一定的溫度梯度)和干縮(即無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料因內(nèi)部含水量變化而引起體積的收縮，半剛性基層在強(qiáng)度形成過(guò)程由于外界蒸發(fā)而失水時(shí)，表層失水量大，深層失水量小，在其結(jié)構(gòu)層內(nèi)部產(chǎn)生失水梯度)特性易使半剛性基層產(chǎn)生收縮裂縫，并導(dǎo)致瀝青混凝土面層反射裂縫或?qū)��?yīng)裂縫的產(chǎn)生。其裂縫產(chǎn)生的主要形式為橫向裂縫。

4、裂縫對(duì)瀝青路面的危害

    4.1縮短路面的使用壽命。裂縫的初期(1—2年內(nèi))對(duì)路面的使用性能無(wú)明顯影響，但隨著裂縫增大，雨水或雪水的逐漸入侵，導(dǎo)致裂縫兩側(cè)的路面結(jié)構(gòu)或土基含水量增加，甚至達(dá)到飽和狀態(tài)。其結(jié)果是承載力明顯下降，在大量行車荷載作用下，產(chǎn)生沖刷唧漿現(xiàn)象，加速路面破壞。

    4.2縱向裂縫的發(fā)生容易形成沿行車方向形成錯(cuò)臺(tái)，對(duì)行車的安全和舒適性造成影響。

    4.3橋頭跳車處的路面橫向裂縫，在路面積水的作用下加速了跳車現(xiàn)象的發(fā)展，同時(shí)對(duì)路基造成沖刷。

    4.4塊狀的路面縱向裂縫如不能及時(shí)修補(bǔ)，將很快發(fā)展成為網(wǎng)裂、松散甚至坑槽，導(dǎo)致路面病害的發(fā)生，嚴(yán)重影響瀝青路面的綜合服務(wù)水平。

5、路面裂縫防治措施

    目前，交通管理部門正在嚴(yán)格治理車輛超限運(yùn)輸，從減輕荷載的角度上采取了有力的措施。我們的公路施工、設(shè)計(jì)質(zhì)量也要提高到一個(gè)新的高度，從而達(dá)到預(yù)防路面裂縫，改善行車環(huán)境，并延長(zhǎng)路面使用壽命的目的。綜上所述，筆者提出如下半剛性基層路面裂縫的防治措施：

    5.1從路基方面考慮，要提高路基鋪筑的施工質(zhì)量。

    路基施工過(guò)程中的關(guān)鍵在于要從始至終嚴(yán)格控制壓實(shí)度。首先，要做好填前碾壓，軟土地基應(yīng)采取填砂礫、打粉噴樁等措施。其次，路基填筑土的土質(zhì)要有保證，起碼做到同一段落用土一致，從而達(dá)到路基土的液縮限一致；與此同時(shí)，路基的設(shè)計(jì)要充分考慮降低路堤高度，以減少路基不均勻沉降對(duì)路面的不良影響。

    5.2從半剛性基層本身考慮，應(yīng)提高半剛性基層強(qiáng)度。

    考慮干縮和溫縮是半剛性基層材料的固有特性，為避免形成裂縫，可根據(jù)試驗(yàn)段情況及時(shí)調(diào)整材料級(jí)配，并選擇優(yōu)質(zhì)的水泥、石灰等材料。選擇氣溫較穩(wěn)定的季節(jié)鋪筑半剛性路面基層，減少溫差對(duì)基層產(chǎn)生的影響，以提高半剛性基層的強(qiáng)度。

    5.3從路面面層結(jié)構(gòu)角度考慮，應(yīng)適當(dāng)增加面層厚度，以提高其抗剪能力，因此建議面層厚度為(上-中-底)4cm-6cm-6cm。從路面面層的材料方面考慮，可以在瀝青混合料中加入適量橡膠制品(如經(jīng)過(guò)高溫處理的廢舊輪胎橡膠顆粒)，或在底面層加人防裂網(wǎng)紗，以增加抗拉強(qiáng)度。瀝青混合料應(yīng)采用先進(jìn)的路面材料，如瀝青瑪王帝脂(SMA)、改性瀝青SMA、乳化改性 SMA等。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)