我國高等級公路破壞分析

張書文

(邯鄲市交通局公路工程二處)

1 結構設計施工原因

1.1 局部沉陷變形和縱向裂縫

由于路基填土壓實度不夠或對原路基(介于軟土地基和堅硬地基之間的地基)未作適當處理,使鋪筑的瀝青路面在通車一段時間后出現明顯的局部沉陷;或由于地基和填土橫向壓實不均勻性,特別是有表面水滲入時,瀝青路面容易產生一些細而短的縱向裂縫。實踐證明:地基處理得好,路基分層填筑,壓實充分,壓實度高,路基均勻,預先采取措施防止表面水滲入路基,可以避免產生局部沉陷,減少縱向裂縫的數量,延緩縱向裂縫出現的時間。

1.2 網裂、塊裂和唧泥

我國高等級瀝青路面產生局部小塊(盆狀或槽狀)網裂變形,這與基層質量不好、集料離析和不均勻性(含級配、結合料劑量、含水量和密實度等)等因素有關。基層的施工工藝水平關系其質量好壞,基層鋪筑質量不好,厚度不足,載重車通過時產生“彈簧”現象,使路面出現輪跡帶網裂、下沉變形和塊狀裂縫。在冰凍地區,特別是重冰凍區,由于低溫作用出現凍融循環,產生大塊網狀裂縫、唧泥、坑洞和滑移裂縫。調查表明,導致基層質量不高的原因有:(1)基層材料的強度(抗拉強度和抗壓強度)和剛度(回彈模量)達不到要求;(2)基層材料的水穩性和冰凍穩定性不夠;(3)基層材料不足以抵抗動水的沖刷作用;(4)基層材料的收縮性小;(5)基層沒有足夠的平整度;(6)與面層結合不好。

1.3 松散

松散是瀝青混凝土面層集料脫落向下發展的漸進過程,集料顆粒與裹覆瀝青之間喪失粘結力是顆粒脫落的原因。調查分析發現有多種情況可能導致發生松散:(1)集料顆粒被足夠厚的粉塵包裹,使瀝青膜粘結在粉塵上,而不是粘結在集料顆粒上,表面摩擦力會磨掉瀝青粘膜,使集料顆粒脫落;(2)表面有離析,離析處缺少細集料。離析面上粗集料與粗集料相接觸,只有少數接觸點有瀝青粘膜,隨著時間的增長,瀝青老化剝落會使瀝青與集料的粘結力減弱,孔隙水的凍結會破壞粘結力,足夠大的摩擦力也會破壞離析面上的集料顆粒;(3)瀝青混凝土面層中存在密實度低的位置,集料容易從混合料中脫落。松散嚴重的路面,如材料散失后表面留下一個洼坑,并有存水,就可能引起水漂,產生安全問題。表面顆粒集料的松散還會降低路面抗滑能力,集料被行車輪胎帶起甩到行車道上也會引起其他安全問題。

1.4 泛油

泛油是瀝青混凝土路面發生瀝青浸出的現象,主要在行車道上產生,超車道上泛油很少。行車道上的泛油主要是間隔式和條片狀,而且間隔距離大于泛油條片的長度,連續泛油和整個行車道全面泛油的現象不多。路面發生泛油會使路面原來優良的表面構造(宏觀構造)顯著減小,表面發光或發亮,路面的摩擦系數和表面構造深度表征的表面抗滑性能達不到要求,嚴重影響行車的安全性。

發生泛油主要是因溫度作用,瀝青高溫穩定性差。通過選擇不同標號的瀝青,以及適當的減少路面材料的瀝青含量將有助于降低泛油發生的可能性。還可以通過選擇合適的級配,降低瀝青混合料在使用過程中的油上浮的現象。

2 環境原因

2.1 水破壞作用

我國高等級瀝青路面的水破壞現象十分普遍,水破壞來得快性質嚴重,它是路基路面的大敵。降水進入瀝青面層后,在大量高速行駛車輛作用下,可能產生以下不同的水破壞現象:(1)表面層產生坑洞。降雨過程中,雨水會進入并滯留在表面層瀝青混凝土的空隙中,在大量快速行車的作用下,一次又一次產生的動水壓力(空隙水壓力)使瀝青從碎石表面剝落,表面局部瀝青混凝土變松散,碎石被車輪甩出,路面便出現了坑洞。對比發現,采用半開式(Ⅱ型)瀝青混凝土表面層產生的坑洞破壞更嚴重:(2)表面層和中面層同時產生坑洞,局部表面產生網裂。降水過程中,如自由水滲入并滯留在表面層和中面層中,大量的快速行車令這兩層瀝青混凝土中的部分碎石間的瀝青發生剝落,導致表面產生網裂、形變(下陷)和向外側推擠,或產生坑洞;(3)唧泥、網裂、坑洞。若水透過瀝青面層(兩層式或三層式)滯留在半剛性基層頂面,在大量快速行車作用下,自由水產生很大的壓力沖刷基層混合料表層的細料,形成灰白色泥漿,產生唧泥現象。灰漿數量大時,即產生坑洞;數量小時,可使路面發生網裂或變形。通過調查分析,上述水破壞現象都隨機地發生在行車道上,導致產生水破壞的主要內因是瀝青混凝土本身的空隙率大、壓實度不夠和不均勻。

2.2 溫度引起的橫向裂縫

橫向裂縫通常在溫度變化大的地區發生,夏季完好的路面在冬季由于路面溫度收縮產生縱向近似等間距(5～10m)的裂縫,貫穿整個路面寬度。橫向裂縫具有以下特點:(1)普遍性。橫向裂縫是高等級瀝青路面發生最多的一種破損裂縫;(2)絕大部分是溫度裂縫。由于日氣溫變化引起瀝青面層產生溫度應力,溫度應力的反復作用使瀝青面層產生溫度疲勞裂縫;或在冰凍區,由于冬季突然大幅降溫引起瀝青面層產生低溫收縮裂縫;(3)溫度裂縫起始于路表面。面層溫度變化率大,產生的溫度應力最大,溫度裂縫總是起始于表面向下延伸;(4)溫度裂縫逐年增長。由于瀝青隨時間而老化,瀝青面層的抗裂性會逐漸降低,溫度裂縫會逐年增加;(5)橫向裂縫的數量與瀝青路面面層厚度沒有直接關系,面層愈厚并不意味裂縫愈少。實踐證明:在其他條件相同的情況下,面層愈厚,表面產生的溫度應力可能愈大,裂縫愈多。

避免瀝青路面產生大量橫向裂縫的措施有:(1)采用優質瀝青(瀝青較稀、粘度較高)有利于減少溫度裂縫:(2)提高面層瀝青混凝土的強度。面層瀝青混凝土的抗拉強度愈強,愈不易開裂。影響瀝青混凝土抗拉強度大小的因素有瀝青質量、礦料級配(密實級配優于半開級配和開級配)、空隙率和壓實度;(3)提高瀝青混凝土的均勻性。瀝青混凝土的均勻性包括礦料級配的一致性、拌和均勻性、有無粗細集料離析和離析現象的輕重程度、壓實度或空隙率及層厚的一致性。瀝青混凝土的均勻性愈好,其強度愈均勻、愈高,面層的薄弱處愈少,表面產生溫度裂縫的時間就可能愈晚,數量愈少。

2.3 地質引起的沉陷

路面整體沉陷主要是由軟土地基沉降引起的,其主要表現為遇到橋梁等構造物時橋頭跳車。我國很多高等級公路都有部分路段位于軟土地基上,軟土性質差,變形復雜,容易發生沉陷。針對不同情況的軟土地基,公路設計和施工時,都采取了相應的處理措施,期望路面建成通車后,軟土地基不會產生過多的工后沉降,保持路面應有的平整度。但實踐表明,現有很多高等級公路都沒有達到預期的技術效果,軟土地段都出現了不同程度的路面沉陷或橋頭跳車現象,同時還引起涵身和通道沉陷、沉降縫拉開和透水,橫坡變緩造成路面積水等。

因此,要使軟土路基固結穩定,最重要的是要有足夠長的加載預壓時間。鋪筑路面前的加載預壓時間愈長,開放交通后路面沉降變形就愈小。高等級公路軟土路段有必要盡早采取處理措施,提前填筑路堤,使加載或超載預壓時間足夠長后,再鋪筑瀝青面層,以節約投資,減少浪費,避免出現沉陷破壞。

2.4 車輛因素引起的車轍

車轍是瀝青路面特有的破損現象,是指瀝青路面輪跡帶的凹陷深度與其兩側隆起高度之和。對于半剛性路面,瀝青面層下的柔性基層、底基層和土基都可能由于大應力(大于材料和路基土的抗剪強度)作用而發生嚴重的車轍;若半剛性基層質量不好,局部材料沒有形成完整的整體,瀝青面層也會產生車轍,有時車轍深度達 30～40mn以上。車轍達到一定深度會直接影響行車舒適性,而且降雨過程中及雨后車轍內的積水會使行車產生水漂現象,影響行車安全性。造成轍槽的因素有:(1)重載車的數量、軸重和輪胎壓力。重載卡車的數量愈多、軸重和輪胎壓力愈大,要求瀝青混凝土的抗轍槽能力愈大;(2)行車速度。承受慢速交通或有停車情況的瀝青混凝土路面與承受快速交通的比較,車速愈慢要求瀝青混凝土的抗轍槽能力愈大;(3)瀝青混凝土表面層的壓密程度、材料級配組成、高溫穩定性及抗水侵入能力也影響轍槽的產生。

3 小 結

對高速公路常見的破損現象進行分類,總結了現有的一些破損現象的成因。主要分為兩大類,一是人為的結構設計原因,另一方面就是環境因素。在兩方面的成因中,內外因是相互影響,相互作用的,通過人為的設計可以減少外因對道路的影響。通過綜合考慮兩方面的影響,可以更好的解決道路的設計問題,更好地促進道路的維修養護水平。

[1] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 沙慶林.高等級半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3] 胡群芳.公路路面結構使用性能評價與預測研究[J].鄭州:鄭州大學,2003.

[4] 謝猛.高速公路路面病害及成因預測[J].現代公路,2010:193～194.