早期高速公路损坏原因分析及对目前公路建设的作用
摘要:我国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的新时代。早期修建的一些高速公路,在没有达到设计年限的情况下,也开始进行大修。不仅对社会、交通造成了较大的影响,也在经济上造成了很大的损失。因此,高速公路路基路面的损坏问题引起了广泛的关注。分析了早期高速公路路面破坏和路基病害的特征及成因。
我国早期高速公路路基、路面的损坏有多种形式,也是由多种不同原因引起的,其中对路面使用性能和使用寿命影响最大的是结构性破坏、水破坏和严重辙槽。
一、高速公路路面破坏的特征及成因 引起早期高速公路半刚性基层沥青混凝土路面的破坏有多种原因,表现为多种形式。 1、变形类 填土路堤上的路面竣工后以及开放交通后,路基会产生不均匀沉降,导致其上路面顶面产生波浪式的不平整。在未填筑路堤之前,地基处于平衡状态。填筑路堤后,地基受到动静荷载的共同作用产生固结形变,直到达到新的平衡状态为止。地基产生固结形变的大小,既与填土高度有关,又与地基内部各层土的压缩系数有关。填土路堤地基存在横向承载能力显著不均匀的特性,两侧地基的承载力小,中部承载力大,路堤产生不均匀沉降,路堤两侧边部产生外倾式沉降,将路面和路基掰开,在路面上产生宽度较大的纵向裂缝,其特点是上宽下窄。 软土基层沉降是由于软土地基引起路面产生很大的不均匀沉降,使路面纵断面产生大的变形。主要原因是施工期太短,在软基还没有固结沉降达到基稳定时就铺设沥青路面;另一重要原因是复合地基处理深度和置换率小。 2、松散类 由水破坏产生松散变形类病害尤其广泛,主要表现为几种不同情况:第一种是由于雨水较快的透入空隙率较大的沥青混凝土表面层后,由于其下层比较密实,在进入表面层的水还未来得及往下层渗透前,表面层就开始产生水破坏。表现为沥青路面的表面层产生圆形坑洞。第二种情况是由于透入表面层的水较快渗入中面层,滞留在中面层的水因难于或来不及透过中面层进入底面层之前,中面层沥青混凝土强度变弱,沥青剥落,甚至松散,导致表面层首先在行车道底轮迹带上产生网裂形变,有的甚至产生明显辙槽。第三种是由于透入表面层的水透过中面层进入底面层,如果在底面层表面有粘结防水层,或有质量好的下封层,同时进入的水量不大,则滞留在底面层的水会使底面层沥青混凝土强度减弱,进而沥青剥落,甚至沥青混凝土松散,导致沥青混凝土路面表面产生网裂形变。在基层顶面没有粘结防水层,或虽做了下封层但质量不好的情况下,进入底面层的水将直接滞留在基层顶面。行车荷载生的水压力,使滞留水首先冲刷基层表面的水泥细料或二灰细料,接着向下冲刷并形成白浆,在行车荷载的泵吸作用下,白浆被唧到面层表面层,浆被唧出的过程中,沿途的沥青混凝土碎石上的沥青剥落,轻者表面产生网裂变形,重者很快产生坑洞,碎石被甩出洞外,洞中积水。沥青混凝土面层的表面层、中面层和底面层都不能让水侵入和滞留,只要水能侵入任一层并滞留在该层就会产生水破坏。 3、车辙 车辙、拥包等流动变形损坏当高速公路车辆渠道化以后,车辙问题逐渐成为主要病害。由于我国普遍采用半刚性基层沥青路面的结构,基层本身的变形不是主要的,多数都是沥青混和料产生的流动性车辙。其主要成因是路面在高温情况下劲度模量大幅度降低,抗剪切变形能力不足以抵抗超载和重载车作用下的剪应力,尤其是在长大纵坡上坡路段,由于重载车车况差、爬坡车速降低,更为严重。严重车辙的内因是由于沥青混凝土的矿料级配不合适。我国已通车的多数高速公路都使用规范中的连续式密集配。沥青混凝土的高温抗形变能力较差,不能承受重载交通的反复作用,容易产生严重辙槽。有的为避免产生水破坏,有意在沥青混凝土中多用细集料和沥青。自由水进入并长期滞留在中面层内,使中面层沥青混凝土强度显著减弱、沥青剥落直到松散,表面开始产生较严重辙槽、辙槽两侧鼓起。 4、裂缝类 沥青路面开裂是国际上最普遍的损坏现象之一,只不过是裂缝发生的早晚、多少及裂缝的类型有所不同。我国沥青路面的裂缝有横向裂缝、纵向裂缝、网裂、沉降裂缝等。 横向裂缝是由于在寒冷季节气温骤降和反复的温度变化后,因疲劳而产生的温缩裂缝;半刚性基层的干缩和冷缩开裂造成的沥青路面的反射性裂缝;或者两者综合作用产生的裂缝。温缩裂缝至今国际上并没有有效的根治措施,不属于早期公路破坏。 第二种是反射裂缝。近年来国际上对沥青路面自上而下的表面裂缝研究甚多,发现当沥青层较厚时,由于路表面沥青容易老化,沥青混和料的自愈能力逐渐丧失,极限拉伸应变不断减小,在车载荷载直接作用下,在轮迹部位产生大的拉应力或剪应力,导致路面产生开裂。但我国沥青路面的表面裂缝有相当部分与由于沥青层的层间污染没有很好粘结成为整体,首先使表面层或上、中层压碎有关。 第三种是自下而上的疲劳裂缝。由于我国路面的沥青层较薄,高速公路沥青路面的纵向裂缝和网裂比较普遍,其原因是路面承载能力不足,导致路面的结构性损坏。基层结构松散,尤其在有雨水的不利季节,承载能力不足于承受超载车和繁重交通的作用,造成路面大面积损坏。基层松散的原因少数是施工时没有成型,大部分是由于半刚性基层在施工过程中水泥剂量过高,强度过高,收缩严重开裂,使整层的半刚性基层分裂为大块,在使用过程中又逐渐破碎为小块,最后成为碎块。 二、高速公路路基病害的特征及成因 1、基层 高速公路的半刚性基层厚度多在20cm左右,采用水泥稳定碎石(或砾石)或石灰粉煤灰稳定碎石(或砾石)半刚性底基层厚20-40cm,采用的材料有石灰土、水泥土、二灰土、二灰砂、二灰和水泥石灰土等。半刚性材料层的总厚度通常不超过60cm,最薄为40cm。 半刚性材料路面的承载能力取决于半刚性材料层的质量和厚度因素,如果基层或底基层质量不好或不均匀性大,不能形成一个完整的整体,容易导致沥青路面产生局部破损。在路面设计和施工都符合要求的情况下,半刚性路面的结构性破坏常发生在行车道的轮迹带上。在轮迹带上先产生纵向细小裂缝,尔后产生通过轮迹带的横向裂缝,最后发展成网裂和形变。 2、岩土地基填土路堤路基产生纵向不均匀沉降,使路面顶面产生波滚式的不平整。其产沉降的原因:一是原土地基产生固结变形,在填筑路堤之后,地基收到加载作用,产生压缩变形。二是路堤本身产生固结变形,是与填土高度、土的性质和压实度密切相关。
路基压实度不够产生的纵向裂缝由于地基和填土在槽向不可避免的不均匀性,特别是在有表面水渗入地基的情况下,沥青路面和水泥混凝土路面或早或迟都会产生一些细而短的纵向裂缝。 桥头跳车是由路基路面沉降引起的,是路基路面纵向变形最严重的一种形式。它是由于桥头填土较厚,路基路面容易产生大的沉降,而桥头的沉降量很小,从而产生错台高差。这种现象在软基路段、湿陷性黄土地区尤为严重。 3、特种土层的路基 淤泥质黏土、红粘土等软土地基往往因固结沉降稳定时间长,或是因修路微型水文地质条件发生了改变,从而引起路面沉陷。湿陷性黄土路基:在地下水的作用下老的空穴增大,并发生新的空穴。 4、不良地质现象对路基稳定的影响 地基位于(或存在)不良地质体,如滑坡、空穴,由于高速公路的修建改变了微地貌环境,水地质条件、工程地质条件均发生了变化,在持续动荷载作用下,原有的不利地质条件被进一步激发、扩大,从而引起路面沉陷、裂缝,甚至大范围的路基塌滑。高速公路位于滑坡体上,路基的一部分位于滑动面上,在动载荷作用下,引发路基边坡大范围失稳和路基深部的空穴,在路基填土的压力和车辆动荷载作用下发生沉陷,引起路面沉陷。 综上所述,将路面破损和路基病害成因类型对应分析,能够发现它们相互作用、相互影响。路基病害会引起路面破损,而路面破损又加快了路基病害的产生和发展,表现为路基压实度减小、含水量增大、裂缝松散体的产生。路面破损往往是路基病害的表现形式。通过以上早期公路破损的原因分析,为目前高等级公路建设质量保障提供一个借鉴作用。