淺談級配碎石在京唐港地區公路的應用

楊大勇

(唐山遠大實業集團有限公司)

1 地理位置及氣候

京唐港地處河北唐山,為沿海地區,地勢海拔高程 1～4m,地勢較平緩,略有起伏。地質上部以淤泥土為主,下部以低液限粘土粉土為主,地下水位埋深為 0.3m,地下水質簡分析結果初判為弱酸性。氣候屬暖濕帶大陸性季風氣候,冬季寒冷干燥,夏季炎熱潮濕,全年溫差變化很大,年平均氣溫 11.2℃,極端最高氣溫 40.4℃,極端最低氣溫 -22.7℃。

2 路面路基破壞機理

我國中西部地區交通運輸的大通道其路面結構為:18 cm厚水泥粉煤灰穩定碎石底基層+18 cm厚水泥穩定碎石基層 +6 cm厚 AC-25下面層 +5 cm厚 AC-20中面層 +4 cm厚AC-13上面層。

半剛性基層具有強度高、穩定性好及剛度大等特點,被廣泛用于修建高等級公路瀝青路面的基層或底基層。然而隨著這種結構的應用,發現半剛性基層存在著易產生裂縫問題,從而引起瀝青路面損壞。通過對公路基層裂縫調查顯示,橫向裂縫居多,在局部路段出現縱向裂縫,雖數量不多,但隨著路面水的浸入,在行車荷載反復作用下,會逐漸軟化基層和路基,引起路面翻漿網裂破壞,這將嚴重影響道路的使用性能和壽命。

水泥穩定基層開裂大致可以分為 2大類:荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫主要由于行車荷載作用而產生的裂縫,在車輪荷載作用下,半剛性基層底部產生拉應力,當此拉應力超過材料的抗拉強度時,則半剛性基層底部發生開裂。非荷載型裂縫包括溫度裂縫和干燥收縮裂縫,非荷載裂縫主要是溫度裂縫,而溫度裂縫包括低溫收縮裂縫和溫度疲勞裂縫。低溫收縮裂縫是由于冬季隨著溫度下降,基層材料開始收縮,而由于基層在路面結構中受到約束,當氣溫大幅度下降時,基層材料中的拉應力或拉應變一旦超過材料的抗拉強度或極限抗拉應變而引起基層的開裂。由于道路基層寬度都不很大,收縮所受約束小,所以溫度收縮裂縫主要是橫向的。溫度疲勞裂縫主要發生在太陽照射強烈、日溫差大的地區。這種地區,基層白天溫度與夜間溫度之差相當大,在基層中產生較大溫度應力,這種溫度應力日復一日地反復作用在基層中,使基層產生疲勞開裂。由此產生的裂縫稱為溫度疲勞裂縫。而干縮裂縫是由于穩定材料經拌和壓實后,水分揮發和混合料內部的水化作用,混合料的水分會不斷減少,由此發生的毛細管作用,吸附作用,分子間力的作用,材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化收縮作用等引起的穩定材料體積收縮。

3 應對策略

路基要具有足夠的整體穩定性、整體強度、水穩定性和均勻性。施工中對原地面處理不當,對軟土地段處理不徹底,對填挖結合處理不好,都將直接影響到路基的整體穩定性。同時,路基施工工藝控制不嚴,特別是路床以下 80 cm的土質差、壓實度低,對路基的整體強度也有很大影響。地質水文條件復雜等原因均對路基強度產生一定影響,從而導致路基不均勻下沉,路基不均勻下沉必然導致路面開裂。

公路半剛性基層出現的橫向開裂,有的是溫度變化致使基層自身開裂,有的是在半剛性基層干縮引起的裂縫,更多的是以上兩項產生的應力再加上交通荷載、土基的共同影響,應力之和大于基層的抗拉強度而引起的開裂。如不進行處理,將會對路面破壞產生一定影響。半剛性基層瀝青路面在車輛荷載和自然因素的作用下,盡管開裂現象十分普遍,但是只要認真分析裂縫的形成機理和產生裂縫的原因,對工程設計、施工等每一個環節進行嚴格控制,就能避免或減少裂縫的產生,并使其具有足夠的強度、剛度、穩定性和耐久性,從而延長路面的使用期限。在基層下加鋪 40 cm級配碎石對基層裂縫的發展得到了有效控制,效果顯著。

4 級配碎石防裂機理

級配碎石裂縫緩解層之所以能夠有效防止和減緩路面瀝青加鋪層的反射裂縫,主要基于以下原因。

(1)級配碎石作為散粒結構具有不傳遞拉應力、拉應變的特征,水泥混凝土板接縫尖端的拉應力不會在碎石層形成應力集中,因而碎石層吸收了接縫所釋放的應變能,從而達防開裂效果。此外,級配碎石散粒結構具有較大的塑性變形能力,能充分吸收接縫釋放的應變能,從而減緩了由溫度引起的Ⅰ型反射裂縫和由交通荷載引起的Ⅱ型反射裂縫向上延伸擴展的速度。

(2)級配碎石的隔離作用也很重要,由于級配碎石層較厚,一般為 40 cm,級配碎石層的加入使得基層遭受的溫度變化、溫度變化速率及溫度梯度大大降低,基層的溫度收縮應力及溫度應力都大大減少。

(3)級配碎石收縮系數極小,加上其本身并不傳遞拉應力和拉應變,因此它能消散、吸收單純由環境因素變化,尤其是溫度驟降情況下裂縫尖端的應力及應變。

5 結 語

級配碎石基層作為柔性基層,在路面結構發展方面具有很強的活力,除了完善路面結構層設計、級配組成設計外,在級配碎石基層施工過程中一定要嚴格按照施工控制要求,做到石料精篩細選、控制碾壓最佳含水量、減少破碎等現象、壓實度≥100%,形成碎石嵌擠結構。級配碎石基層適用于石料質量較高、石料豐富的地區,根據路面等級要求和路基柔性基層在目前已作為解決沿海京唐港地區公路瀝青路面早期損害嚴重的主要研究方向之一。

[1] 何兆益 .碎石基層防止半剛性路面裂縫及其路用性能研究[J].南京:東南大學.

[2] 鄧有左.半剛性基層瀝青路面開裂原因及防治措施[J].公路2001,(6).