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，實現了我國內地高速公路零的突破，在十余年的時間里高速公路建設得到了突飛猛進的發展，其中半剛性基層瀝青混凝土路面已經超過了總里程的70％。但由于我國高速公路、尤其是半剛性基層瀝青混凝土路面的應用歷史較短，在高速公路運營條件下，路面病害產生的機理和發展規律的經驗積累不多，以及對路面病害防治認識不深，造成我國高速公路很多路段在交通開放一、兩年內便出現了坑槽、開裂、車轍、抗滑性能不足等早期破壞情況，為我國公路建設資金的回收和公路養護部門的養護工作帶來了很大困難，同時也增加了國家對道路養護費用的支出。在歐、美等一些發達國家其道路的建設已進入發展后期，道路建設資金70％用于對橋梁、公路的養護，30％的資金用于新建道路。而我國正處于公路大發展時期，提高對公路病害的早期防治，減少病害的發生率，延長公路的使用壽命，可為我國公路建設節約很大的資金。本文將著重對瀝青路面眾多病害中較普遍的路面開裂現象的成因和防治措施，進行詳細闡述。

2、裂縫現狀

    保(定)(天)津高速公路河北段全長l05km，是東北與華北、華中的連線，也是內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的水泥穩定級配碎石；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，經過3年多的運營，路面整體狀況良好，但在K43～K67段約24公里范圍內出現較嚴重縱向裂縫，并且路面出現了變形、沉陷、錯臺等病害，且縱向裂縫除橋面外幾乎全段分布，南北半幅的數量基本相當，縱向裂縫一般位于行車道右輪跡帶部位。形成初期為細微裂縫，路面無變形；繼續發展則裂縫寬度加大，出現沉陷或錯臺等情況，并產生支縫，有時沿輪跡帶出現兩條或多條平行的縱縫，并在縱縫間出現橫向和斜向連接縫，形成縫網，且伴有明顯的沉陷，在輪跡帶處形成條帶狀的龜裂現象，南半幅的裂縫沉陷、錯臺現象較為突出。

    通過對路面鉆芯及挖驗表明：裂縫及錯臺現象在路面各個結構層都存在，裂縫寬度和錯臺高度在各層沒有明顯的變化，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臺。從物探結果分析發現，縱向裂縫深度最大為lm左右，近似垂向發展。而且通過現場勘察和實驗結果可知，近年來，地下水位受氣象及其它因素的影響，比公路初建時下降了約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、基層材料的性質、路堤的填高和土質(即填土的液塑限)、氣候條件(即季節性溫差)、交通量的大小和通行車輛的類型以及施工的質量。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、縱向裂縫和網狀裂縫。

    3.1荷載型裂縫

    我國高速公路半剛性基層瀝青混凝土路面的典型結構為二層式和三層式兩種，半剛性基層多為水泥穩定碎石和二灰碎石兩種，厚度一般在50~60cm，少數為40~46cm。由于其受力特點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層對基層形成保護，避免輪載對基層形成直接損害，防止水往下滲致使基層產生破壞。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生拉應力，當此拉應力大于半剛性基層材料的抗拉強度時，則會在半剛基層底部先產生裂縫，半剛性基層整體結構被打破，隨著行車荷載的反復作用，底部的裂縫會逐漸擴展到上部，并反射到瀝青面層，致使瀝青面層出現裂縫產生開裂破壞。其表現的形式多為縱向裂縫和網狀裂縫，在輪跡處并排的縱向裂縫和網裂尤為明顯。

    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。其裂縫主要是由瀝青面層材料自身產生的溫縮裂縫和由半剛性基層材料產生的收縮裂縫。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，具有良好的應力松弛性能，溫度升降產生的變形不至于產生過高的溫度應力。但在冬季，隨著溫度下降，瀝青混合料的應力松弛趕不上溫度應力的增長，面層材料中產生的收縮拉應力或拉應變一旦超過瀝青混合料的抗拉強度或限拉應變，瀝青面層就會開裂。

    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升降導致溫度應力疲勞，使混合料的極限拉伸應變變小，又加上瀝青的老化使瀝青勁度增高，應力松弛性能降低致使瀝青面層產生疲勞開裂，由于此種裂縫開裂包含了溫度應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、粉煤灰等無機結合料穩定土或處治碎(礫)石，以及用各種水硬性材料結合料的工業廢渣修筑而成的基層。我國公路半剛性基層材料，多以水泥穩定級配集料和石灰粉煤灰穩定級配集料兩種類型為主，這兩類半剛性材料所固有的溫縮(即無機結合料穩定材料形成結構體隨著季節的變化產生溫差，隨著路面結構深度的增加，結構內部的溫差逐漸減小，在其結構內部存在一定的溫度梯度)和干縮(即無機結合料穩定材料因內部含水量變化而引起體積的收縮，半剛性基層在強度形成過程由于外界蒸發而失水時，表層失水量大，深層失水量小，在其結構層內部產生失水梯度)特性易使半剛性基層產生收縮裂縫，并導致瀝青混凝土面層反射裂縫或對應裂縫的產生。其裂縫產生的主要形式為橫向裂縫。

4、裂縫對瀝青路面的危害

    4.1縮短路面的使用壽命。裂縫的初期(1—2年內)對路面的使用性能無明顯影響，但隨著裂縫增大，雨水或雪水的逐漸入侵，導致裂縫兩側的路面結構或土基含水量增加，甚至達到飽和狀態。其結果是承載力明顯下降，在大量行車荷載作用下，產生沖刷唧漿現象，加速路面破壞。

    4.2縱向裂縫的發生容易形成沿行車方向形成錯臺，對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象的發展，同時對路基造成沖刷。

    4.4塊狀的路面縱向裂縫如不能及時修補，將很快發展成為網裂、松散甚至坑槽，導致路面病害的發生，嚴重影響瀝青路面的綜合服務水平。

5、路面裂縫防治措施

    目前，交通管理部門正在嚴格治理車輛超限運輸，從減輕荷載的角度上采取了有力的措施。我們的公路施工、設計質量也要提高到一個新的高度，從而達到預防路面裂縫，改善行車環境，并延長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量。

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

    5.2從半剛性基層本身考慮，應提高半剛性基層強度。

    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，可根據試驗段情況及時調整材料級配，并選擇優質的水泥、石灰等材料。選擇氣溫較穩定的季節鋪筑半剛性路面基層，減少溫差對基層產生的影響，以提高半剛性基層的強度。

    5.3從路面面層結構角度考慮，應適當增加面層厚度，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(如經過高溫處理的廢舊輪胎橡膠顆粒)，或在底面層加人防裂網紗，以增加抗拉強度。瀝青混合料應采用先進的路面材料，如瀝青瑪王帝脂(SMA)、改性瀝青SMA、乳化改性 SMA等。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)