新型半剛性基層路面結構研究

路建印

(河北省石黃高速公路管理處)

0 引 言

在高等級公路的運營養護中,因水產生的唧漿、坑槽等病害正嚴重威脅著公路的正常使用,給養護工作帶來了極大的壓力,如何根治這一通病,石黃高速公路的“包砂土”路基給了我們一個很好的啟示。“包砂土”技術即采用粘土包邊,砂土填芯的辦法填筑路基。該路段通車六年來,沒有發生一處水損害,這在高等級公路飽受水害之苦的今天,無疑是一個值得研究的。

1 路段概況

石黃高速公路藁城段(K277+670～K291+865),于1998年 12月建成通車,該段路基采用了兩種填料,K280+ 015～K291+215由“包砂土”填筑,K277+670～K280+015路基由素土填筑,路面結構技術資料見表 1。

2 公路中水的由來

圖1用箭頭標出了水在路基、路面中的走向。

表1 路面結構技術資料表

圖1 水的走向圖

由圖 1可以看出面層中的水主要來自路面滲水、橫向裂縫側向來水、毛細水和凍脹水;路基水主要來自各方的滲水和毛細水等。

3 路段對比

藁城段(K277+670～K291+865)面層結構自上而下分別為SAC16(4cm)、SAC25(5cm)、SAC25(6cm)、二灰碎(19cm)、水泥碎(18cm)、三灰砂(20cm),其中K280+015～K291+215為“包砂土”路基段,K277+670～K280+015為素土路基段,自 2002年以來,素土路基段發生了多處水損害,在挖補過程中發現各結構層積水較多,且出現水沿裂縫上泛的現象,而“包砂土”段則無一處水損害,對比 K280+ 015～K291+215和K277+700～K279+200兩段的技術參數,所不同的只有路基填料。

4 水損害分析

4.1 夏季

我國高等級公路多采用半剛性基層瀝青路面,路面裂縫較多,雨季易于透水,在車輛荷載作用下,由于車輪的沖壓和泵浦效應,水反復在面層中高速沖擊和抽吸,致使油面層油膜剝落,引起泛油、沉陷等病害;半剛性基層和底基層則持續處于飽水狀態,致使其變軟,路面強度降低,在壓力水反復的沖擊下,形成浮漿,造成基層和油面層脫離,進而發展成唧漿、坑槽等病害,最后導致基層強度的喪失,引起整個路面發生結構性破壞。

4.2 冬季

我國華北地區凍深一般在 50cm左右,高等級公路面層的大部分恰處在凍深范圍內,當面層區冰凍后,如果路基中含水量豐富,即會形成對冰凍區的水源補給,形成更大范圍的凍脹,造成面層開裂、松散,進而破壞路面強度。

5 “包砂土”路基技術分析

“包砂土”路基由細砂填筑而成,不均勻系數Cu在 2.2～3.597之間,工程上把Cu＜5的土看作均粒土,因此該路基非常利于水的滲透,使油面層、基層和底基層的水可快速滲入路基,并有效阻斷毛細水和凍脹水上升到面層,使路面各結構層始終處于干燥狀態。

2003年檢測中心對該段基層和底基層進行了鉆芯、挖驗等檢測,佐證了上述對“包砂土”的論斷,同時也得出如下結論:即半剛性基層和底基層為較易透水的路面結構層。

6 高等級路面防水新思路

6.1 增設級配碎石排水層

根據“包砂土”路基的啟示,在綜合考慮路面透水、凍深和受力等情況,認為可在水泥穩定碎石基層和石灰粉煤灰穩定碎石基層下(約45cm)設置一層5～10cm級配碎石排水層,使其起到排出路面自由水,隔阻毛細水和凍脹水的作用,從而徹底解決路面水損害的問題。

6.2 新路面結構的力學特性

該路面結構自上而下分別為油面層、水泥穩定碎石層、級配碎石排水層、石灰粉煤灰碎石層和土基。各結構層的回彈模量值油面層可取設計值900～1200MPa,水泥穩定碎石層取設計值 900～1100MPa,級配碎石排水層取 500～700MPa,石灰粉煤灰碎石層取設計值900～1100MPa,土基回彈模量取 100MPa。可見該路面結構仍為典型的半剛性瀝青路面,具有彎沉值小、彎沉盆影響半徑大和彎沉盆形狀平坦(曲率半徑大)等特點,從而具有良好的板體作用和較柔性基層大得多的荷載分布能力。同時,該結構利用了半剛性基層瀝青路面裂縫較多的特點,使水順利滲入級配碎石排水層。

該路面結構層以石灰粉煤灰碎石層作為級配碎石的下臥層,有以下兩種考慮。一是未處置層的受力問題。勃隆(Brown)和丕爾(Pell)于1972年在設計標準中建議,當未處置層中產生拉應變時,水平拉應力應不超過垂直壓應力加上上覆層所形成壓力的 1/2。據此,通過分析奧得利用彈性層狀體系理論計算的多種不同路面結構中的應力和應變數據,得出在未處置級配碎石層下,采用剛性較大的下臥層,可使該未處置層底面不再承受拉應變,從而使未處置層在抵抗永久變形方面是安全的這一結論,故而選用剛度較大的石灰粉煤灰碎石層作為其下臥層。二是對下臥層的性能要求。級配碎石層的下臥層除應具備較大的剛度外,還需具備良好的抗水損和抗裂性能,因此選用技術性和經濟性均較好的石灰粉煤灰碎石穩定層作為級配碎石的下臥層是較為合理的。

7 結 語

通過對“包砂土”路用性能和防水機理的分析,提出了在路面結構層中增設級配碎石排水層的防水新思路,該方案利用了半剛性基層自身裂縫和路基橫向坡度等特點,從而排出了路面中的自由水,解決了半剛性基層瀝青混凝土路面的水損害問題。

[1] 沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面.北京:人民交通出版社.