公路路面和路基病害的特征及成因
2015-05-20
一、高速公路路面破壞的特征及成因
引起高速公路半剛性基層瀝青混凝土路面的早期破壞有多種原因，表現(xiàn)為多種形式。
1.1變形類
填土路堤上的路面竣工后以及開放交通后，路基會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致其上路面頂面產(chǎn)生波浪式的不平整。在未填筑路堤之前，地基處于平衡狀態(tài)。填筑路堤后，地基受到動(dòng)靜荷載的共同作用產(chǎn)生固結(jié)形變，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。地基產(chǎn)生固結(jié)形變的大小，既與填土高度有關(guān)，又與地基內(nèi)部各層土的壓縮系數(shù)有關(guān)。填土路堤地基存在橫向承載能力顯著不均勻的特性，兩側(cè)地基的承載力小，中部承載力大，路堤產(chǎn)生不均勻沉降，路堤兩側(cè)邊部產(chǎn)生外傾式沉降，將路面和路基掰開，在路面上產(chǎn)生寬度較大的縱向裂縫，其特點(diǎn)是上寬下窄。
軟土基層沉降是由于軟土地基引起路面產(chǎn)生很大的不均勻沉降，使路面縱斷面產(chǎn)生大的變形。主要原因是施工期太短，在軟基還沒有固結(jié)沉降達(dá)到基穩(wěn)定時(shí)就鋪設(shè)瀝青路面；另一重要原因是復(fù)合地基處理深度和置換率小。
1.2松散類
由路面結(jié)構(gòu)性破壞產(chǎn)生的網(wǎng)裂。所謂路面結(jié)構(gòu)性破壞，是指路面結(jié)構(gòu)的承載能力不能抵抗現(xiàn)有行車荷載的反復(fù)作用，而產(chǎn)生的路面結(jié)構(gòu)性整體破壞。其外觀特征為輪跡帶上產(chǎn)生裂縫，進(jìn)一步發(fā)展成縱向網(wǎng)裂形變帶。
由水破壞產(chǎn)生松散變形類病害尤其廣泛，主要表現(xiàn)為幾種不同情況：第一種是由于雨水較快的透入空隙率較大的瀝青混凝土表面層后，由于其下層比較密實(shí)，在進(jìn)入表面層的水還未來(lái)得及往下層滲透前，表面層就開始產(chǎn)生水破壞。表現(xiàn)為瀝青路面的表面層產(chǎn)生圓形坑洞。第二種情況是由于透入表面層的水較快滲入中面層，滯留在中面層的水因難于或來(lái)不及透過中面層進(jìn)入底面層之前，中面層瀝青混凝土強(qiáng)度變?nèi)?，瀝青剝落，甚至松散，導(dǎo)致表面層首先在行車道底輪跡帶上產(chǎn)生網(wǎng)裂形變，有的甚至產(chǎn)生明顯轍槽。第三種是由于透入表面層的水透過中面層進(jìn)入底面層，如果在底面層表面有粘結(jié)防水層，或有質(zhì)量好的下封層，同時(shí)進(jìn)入的水量不大，則滯留在底面層的水會(huì)使底面層瀝青混凝土強(qiáng)度減弱，進(jìn)而瀝青剝落，甚至瀝青混凝土松散，導(dǎo)致瀝青混凝土路面表面產(chǎn)生網(wǎng)裂形變。在基層頂面沒有粘結(jié)防水層，或雖做了下封層但質(zhì)量不好的情況下，進(jìn)入底面層的水將直接滯留在基層頂面。行車荷載生的水壓力，使滯留水首先沖刷基層表面的水泥細(xì)料或二灰細(xì)料，接著向下沖刷并形成白漿，在行車荷載的泵吸作用下，白漿被唧到面層表面層，漿被唧出的過程中，沿途的瀝青混凝土碎石上的瀝青剝落，輕者表面產(chǎn)生網(wǎng)裂變形，重者很快產(chǎn)生坑洞，碎石被甩出洞外，洞中積水。瀝青混凝土面層的表面層、中面層和底面層都不能讓水侵入和滯留，只要水能侵入任一層并滯留在該層就會(huì)產(chǎn)生水破壞。
水破壞的重要內(nèi)因是所用瀝青混凝土的空隙率較大。所用瀝青混凝土，特別是表面層瀝青混凝土的實(shí)際空隙率較大，雨水較易進(jìn)入表面層，并導(dǎo)致水破壞。水破壞的另一重要內(nèi)因是片面強(qiáng)調(diào)平整度，忽視了壓實(shí)度。水破壞的第三個(gè)重要內(nèi)因是瀝青混凝土的不均勻性大。由于礦料質(zhì)量、施工技術(shù)要求和工程管理等多方面原因，我國(guó)高速公路面層所用瀝青混凝土的離析現(xiàn)象和不均勻性較大，在面層表面隨機(jī)分布這數(shù)量不一的薄弱點(diǎn)位。在降雨過程中，雨水在一些薄弱點(diǎn)位被快速行駛車輛輪胎下產(chǎn)生的較大動(dòng)水壓力壓入表面層。水破壞的第四個(gè)內(nèi)因是瀝青混凝土面層的裂縫。由于瀝青混凝土是一種熱脹冷縮的材料，它的溫縮系數(shù)是半剛性基層材料的4倍左右。新瀝青混凝土面層剛產(chǎn)生的裂縫，往往僅深入表面層的上部。過一個(gè)冬季或一定時(shí)間后，裂縫又會(huì)深入到下層底部，甚至引發(fā)基層在相同的位置開裂。造成基層上部沖刷甚至松散的原因，是表面水的反復(fù)進(jìn)入和沖刷的結(jié)果，不是基層本身“衰老”的結(jié)果。
1.3車轍
車轍、擁包等流動(dòng)變形損壞當(dāng)高速公路車輛渠道化以后，車轍問題逐漸成為主要病害。由于我國(guó)普遍采用半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)，基層本身的變形不是主要的，多數(shù)都是瀝青混和料產(chǎn)生的流動(dòng)性車轍。其主要成因是路面在高溫情況下勁度模量大幅度降低，抗剪切變形能力不足以抵抗超載和重載車作用下的剪應(yīng)力，尤其是在長(zhǎng)大縱坡上坡路段，由于重載車車況差、爬坡車速降低，更為嚴(yán)重。嚴(yán)重車轍的內(nèi)因是由于瀝青混凝土的礦料級(jí)配不合適。我國(guó)已通車的多數(shù)高速公路都使用規(guī)范中的連續(xù)式密集配。瀝青混凝土的高溫抗形變能力較差，不能承受重載交通的反復(fù)作用，容易產(chǎn)生嚴(yán)重轍槽。有的為避免產(chǎn)生水破壞，有意在瀝青混凝土中多用細(xì)集料和瀝青。未經(jīng)認(rèn)真試驗(yàn)研究，就大量使用美國(guó)的SUP.自由水進(jìn)入并長(zhǎng)期滯留在中面層內(nèi)，使中面層瀝青混凝土強(qiáng)度顯著減弱、瀝青剝落直到松散，表面開始產(chǎn)生較嚴(yán)重轍槽、轍槽兩側(cè)鼓起。
1.4裂縫類
瀝青路面開裂是國(guó)際上最普遍的損壞現(xiàn)象之一，只不過是裂縫發(fā)生的早晚、多少及裂縫的類型有所不同。我國(guó)瀝青路面的裂縫有橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)裂、沉降裂縫等。
橫向裂縫是由于在寒冷季節(jié)氣溫驟降和反復(fù)的溫度變化后，因疲勞而產(chǎn)生的溫縮裂縫；半剛性基層的干縮和冷縮開裂造成的瀝青路面的反射性裂縫；或者兩者綜合作用產(chǎn)生的裂縫。溫縮裂縫至今國(guó)際上并沒有有效的根治措施，不屬于早期破壞。
第二種是自上而下的表面裂縫。近年來(lái)國(guó)際上對(duì)瀝青路面自上而下的表面裂縫研究甚多，發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青層較厚時(shí)，由于路表面瀝青容易老化，瀝青混和料的自愈能力逐漸喪失，極限拉伸應(yīng)變不斷減小，在車載荷載直接作用下，在輪跡部位產(chǎn)生大的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力，導(dǎo)致路面產(chǎn)生開裂。但我國(guó)瀝青路面的表面裂縫有相當(dāng)部分與由于瀝青層的層間污染沒有很好粘結(jié)成為整體，首先使表面層或上、中層壓碎有關(guān)。
第三種是自下而上的疲勞裂縫。由于我國(guó)路面的瀝青層較薄，高速公路瀝青路面的縱向裂縫和網(wǎng)裂比較普遍，其原因是路面承載能力不足，導(dǎo)致路面的結(jié)構(gòu)性損壞?；鶎咏Y(jié)構(gòu)松散，尤其在有雨水的不利季節(jié)，承載能力不足于承受超載車和繁重交通的作用，造成路面大面積損壞?；鶎铀缮⒌脑蛏贁?shù)是施工時(shí)沒有成型，大部分是由于半剛性基層在施工過程中水泥劑量過高，強(qiáng)度過高，收縮嚴(yán)重開裂，使整層的半剛性基層分裂為大塊，在使用過程中又逐漸破碎為小塊，最后成為碎塊。
二、高速公路路基病害的特征及成因
2.1基層
高速公路的半剛性基層厚度多在20cm左右，采用水泥穩(wěn)定碎石（或礫石）或石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石（或礫石）半剛性底基層厚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。半剛性材料層的總厚度通常不超過60cm，最薄為40cm.
半剛性材料路面的承載能力取決于半剛性材料層的質(zhì)量和厚度因素，如果基層或底基層質(zhì)量不好或不均勻性大，不能形成一個(gè)完整的整體，容易導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生局部破損。在路面設(shè)計(jì)和施工都符合要求的情況下，半剛性路面的結(jié)構(gòu)性破壞常發(fā)生在行車道的輪跡帶上。在輪跡帶上先產(chǎn)生縱向細(xì)小裂縫，爾后產(chǎn)生通過輪跡帶的橫向裂縫，最后發(fā)展成網(wǎng)裂和形變。
2.2巖土地基
填土路堤路基產(chǎn)生縱向不均勻沉降，使路面頂面產(chǎn)生波滾式的不平整。其產(chǎn)沉降的原因：一是原土地基產(chǎn)生固結(jié)變形，在填筑路堤之后，地基收到加載作用，產(chǎn)生壓縮變形。二是路堤本身產(chǎn)生固結(jié)變形，是與填土高度、土的性質(zhì)和壓實(shí)度密切相關(guān)。
路基壓實(shí)度不夠產(chǎn)生的縱向裂縫由于地基和填土在槽向不可避免的不均勻性，特別是在有表面水滲入地基的情況下，瀝青路面和水泥混凝土路面或早或遲都會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)而短的縱向裂縫。
橋頭跳車是由路基路面沉降引起的，是路基路面縱向變形最嚴(yán)重的一種形式。它是由于橋頭填土較厚，路基路面容易產(chǎn)生大的沉降，而橋頭的沉降量很小，從而產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)高差。這種現(xiàn)象在軟基路段、濕陷性黃土地區(qū)尤為嚴(yán)重。
2.3特種土層的路基
淤泥質(zhì)黏土、紅粘土等軟土地基往往因固結(jié)沉降穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，或是因修路微型水文地質(zhì)條件發(fā)生了改變，從而引起路面沉陷。濕陷性黃土路基：在地下水的作用下老的空穴增大，并發(fā)生新的空穴。
2.4不良地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)路基穩(wěn)定的影響
地基位于（或存在）不良地質(zhì)體，如滑坡、空穴，由于高速公路的修建改變了微地貌環(huán)境，水地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件均發(fā)生了變化，在持續(xù)動(dòng)荷載作用下，原有的不利地質(zhì)條件被進(jìn)一步激發(fā)、擴(kuò)大，從而引起路面沉陷、裂縫，甚至大范圍的路基塌滑。高速公路位于古滑坡體上，路基的一部分位于滑動(dòng)面上，在動(dòng)載荷作用下，引發(fā)路基邊坡大范圍失穩(wěn)和路基深部的空穴，在路基填土的壓力和車輛動(dòng)荷載作用下發(fā)生沉陷，引起路面沉陷。
3、結(jié)言
將路面破損和路基病害成因類型對(duì)應(yīng)分析，能夠發(fā)現(xiàn)它們相互作用、相互影響。路基病害會(huì)引起路面破損，而路面破損又加快了路基病害的產(chǎn)生和發(fā)展，表現(xiàn)為路基壓實(shí)度減小、含水量增大、裂縫松散體的產(chǎn)生。路面破損往往是路基病害的表現(xiàn)形式。這就為“三維一體化”檢測(cè)理論方法提供了客觀事實(shí)依據(jù)。
