劉子明 王麗 黎卿
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國的公路里程不斷增加。同時(shí)車輛載重和交通量明顯增大,對(duì)路面的承載能力要求越來越高,由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類半剛性材料強(qiáng)度高、承載能力大,以它為基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國公路的主要結(jié)構(gòu)類型。
由于路面各層之間的材料性質(zhì)、施工的時(shí)間、施工溫度等都不同,導(dǎo)致層間接觸存在不足,很容易形成應(yīng)力集中,在車輛荷載和環(huán)境的影響下產(chǎn)生早期損壞,嚴(yán)重影響公路通行能力、行車安全和投資效益,直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大,同時(shí)也造成了不良的社會(huì)影響。
我國現(xiàn)行的JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中只考慮瀝青路面或加鋪層層間接觸為完全連續(xù)狀態(tài),實(shí)際上,在路基路面結(jié)構(gòu)體系中層間是不可能做到完全連續(xù)的,一般路面結(jié)構(gòu)的層間結(jié)合條件都處于完全連續(xù)和完全滑動(dòng)狀態(tài)之間,特別是在基層和面層之間,由于材料性質(zhì)相差很大,層間更容易出現(xiàn)剪切滑動(dòng)破壞,層間結(jié)合條件對(duì)路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力有很大影響,進(jìn)而會(huì)影響到路面結(jié)構(gòu)的使用性能。因此,良好的層間接觸條件對(duì)于延長路面的性能有著重要的意義。
1)層間接觸條件對(duì)路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的影響。層間接觸條件的不同對(duì)路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力的影響,與結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、基層類型以及荷載大小和分布形式有很大的關(guān)系。對(duì)于輕型車,無論是半剛性基層還是柔性基層,或是半剛性基層路面不同的整體強(qiáng)度,也無論層間接觸條件光滑還是連續(xù),對(duì)同一荷載分布形式,最大剪應(yīng)力峰值相差不太大,而且位置深度基本沒變化。剪應(yīng)力峰值受其影響不明顯;柔性基層比之半剛性基層受其影響更大;對(duì)半剛性基層,整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)時(shí)受其影響小。對(duì)于重型車,半剛性基層結(jié)構(gòu)層間接觸條件不同時(shí),路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力峰值的反應(yīng)值與荷載重量有較大的關(guān)系。對(duì)于柔性基層的結(jié)構(gòu),無論荷載分布形式如何,峰值變化都非常明顯,而且作用深度位置,也是由連續(xù)接觸上面層的層中位置變化到完全光滑的下面層底部,這說明柔性基層的路面結(jié)構(gòu)對(duì)層間接觸條件更敏感。總的趨勢是,隨著層間接觸強(qiáng)度的增大,最大剪應(yīng)力峰值呈現(xiàn)增大的趨勢,而且作用位置往結(jié)構(gòu)的深處發(fā)展。2)層間接觸條件對(duì)路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力的影響。層間接觸條件的不同對(duì)路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力的影響,無論是量值還是深度都比較明顯,尤其是對(duì)面層的影響更為顯著。對(duì)于輕型車,半剛性基層結(jié)構(gòu),當(dāng)面層較薄時(shí),路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力受層間接觸條件的影響不大,但半剛性基層結(jié)構(gòu)面層較厚時(shí),路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力卻有很大的變化,而柔性基層路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力受層間接觸條件影響更顯著。對(duì)于重型車,半剛性基層結(jié)構(gòu),當(dāng)面層較薄時(shí),路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力受接觸條件的影響仍不大,而半剛性基層結(jié)構(gòu)面層較厚時(shí),柔性路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力依然有很大變化,其作用的位置也有所變化。相對(duì)來講,基層最大彎應(yīng)力受接觸條件的影響并不很明顯,而且作用位置也都在基層底部。
半剛性基層與面層之間的連接是瀝青路面結(jié)構(gòu)中薄弱的環(huán)節(jié)。目前,在瀝青路面基層與面層間處理工藝方面的研究工作尚未成熟,我國瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中對(duì)透層材料應(yīng)用效果及基—面層間連接狀態(tài)評(píng)價(jià)并未形成完善體系,造成半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中基層與面層間連接薄弱,降低了路面結(jié)構(gòu)層在荷載作用下的整體性,并逐步演化成路面早期病害出現(xiàn)的主要誘因,使路面竣工后因基—面層間處治質(zhì)量問題而出現(xiàn)一系列的病害。
1)推移。推移是指瀝青混合料在承受較大水平力作用的車輛經(jīng)常啟動(dòng)和制動(dòng)的路段上,面層材料會(huì)沿行車方向發(fā)生剪切或拉裂而出現(xiàn)的推移和壅起現(xiàn)象。當(dāng)瀝青路面厚度較薄而基層剛度較大時(shí),由于面—基層間接觸條件的不良,車輛頻繁制動(dòng)時(shí),導(dǎo)致瀝青混凝土路面發(fā)生推移,影響路面的使用性能。
2)剪切。路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是材料單一結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系結(jié)構(gòu)的總和。每一個(gè)結(jié)構(gòu)中材料的性質(zhì),都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生很大的影響,所以層間的強(qiáng)度構(gòu)成是影響路面結(jié)構(gòu)的抗剪切能力的重要指標(biāo)。瀝青混合料的強(qiáng)度構(gòu)成來源于瀝青材料的粘結(jié)力和骨料的摩阻力,同時(shí)材料本身的均質(zhì)性和連續(xù)性也是強(qiáng)度構(gòu)成的根本條件。實(shí)際工程中,振實(shí)碾壓使得瀝青混合料達(dá)到了相對(duì)密實(shí)平整狀態(tài),而層間的接觸狀態(tài)特別是由于面—基層間的接觸強(qiáng)度會(huì)大大低于混合料本身。如果沒有選用合適的層間粘結(jié)劑,創(chuàng)造一個(gè)不小于混合料強(qiáng)度的層間體,層間結(jié)合面就會(huì)成為薄弱環(huán)節(jié)。這樣由于行車荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力和水平剪力的共同作用,層間就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞,影響路面的行車舒適性。
1)合理確定路面結(jié)構(gòu)形式及其各結(jié)構(gòu)層的厚度,特別是瀝青面層的厚度。路面面層往往為節(jié)省投資而設(shè)計(jì)的較薄。瀝青面層是非均勻一體,在具體的施工中很難保證其一致性,個(gè)別段落的級(jí)配不良或施工缺陷很容易在運(yùn)營中表現(xiàn)出來。在條件許可的情況下,可適當(dāng)通過增加面層厚度增大內(nèi)摩阻力保持其本身一致性的完好,增加整體剛度,使其更好地與堅(jiān)硬的基層配合。2)嚴(yán)格控制瀝青混合料的質(zhì)量。a.嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)與施工混合料配合比,瀝青混合料級(jí)配決定了混合料的高溫穩(wěn)定性和疲勞性能、低溫抗裂性和耐久性。實(shí)行優(yōu)化設(shè)計(jì),根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和交通情況做出具體分析,盡量互相兼顧。b.通過材料改善礦料級(jí)配,采用瀝青瑪脂碎石混合料(SMA)和改善瀝青結(jié)合料,采用改性瀝青等途徑提高瀝青路面使用性能。c.選擇具有良好的高低溫性能、抗老化性能、含蠟量低、高粘度的優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)或進(jìn)口石油瀝青。在條件許可的情況下,可在瀝青中摻加各種類型的改性劑,以提高瀝青的各項(xiàng)性能和指標(biāo)。d.選用表面粗糙、石質(zhì)堅(jiān)硬(壓碎值小于28%~30%)、耐磨性強(qiáng)、嵌擠作用好、與瀝青粘附性能好的集料。銀北地區(qū)集料大多呈酸性,采取外購或在施工中應(yīng)添加一定劑量的抗剝落劑或石灰粉,確?;旌狭系目箘兟湫阅?,同時(shí)應(yīng)盡量降低骨料的含水量和沙塵及其他雜質(zhì)含量。3)保證基層頂面粗糙度。改善基層材料級(jí)配,增加粗骨料,基層材料進(jìn)行篩分試驗(yàn)后根據(jù)級(jí)配范圍控制材料的粒徑和含量;控制混合料配合比和最佳含水量,進(jìn)行合理的壓實(shí)機(jī)械組合,避免過振過濕,以防止基層頂面形成灰漿硬殼,壓實(shí)后不能用細(xì)料進(jìn)行找平。對(duì)細(xì)粒土類的半剛性基層,必要時(shí)可以采用頂面栽釘?shù)绒k法加強(qiáng)基層頂面粗糙度;或路面基層養(yǎng)生期過后,開放交通讓車輛限速通行,磨去表面的灰漿薄層,以確保基層表面的粗糙度。
1)不同層間接觸條件對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響與結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、基層類型以及荷載重量、胎壓有很大的關(guān)系。
2)層間滑動(dòng)產(chǎn)生的過大拉應(yīng)力將使得瀝青路面出現(xiàn)開裂,當(dāng)路面裂縫產(chǎn)生以后,因水的侵入將出現(xiàn)各種水損壞現(xiàn)象,加劇了瀝青路面的破壞;層間滑移增大了瀝青面層的最大剪應(yīng)力及土基頂面壓應(yīng)變,容易使路面發(fā)生車轍。
3)完全連續(xù)和完全光滑是兩種極端狀態(tài),當(dāng)層間接觸條件為不完全連續(xù)時(shí),各種力學(xué)響應(yīng)值的變化應(yīng)該處于中間狀態(tài)。
[1] 張艷紅,王曉帆.層間接觸條件對(duì)半剛性路面力學(xué)響應(yīng)的影響分析[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2009(2):23-25.
[2] 紀(jì)小平,李 兵,王 宇.不同層間接觸條件對(duì)瀝青路面力學(xué)特性的影響分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2007(6):11-12.
[3] 沈金安.國外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯[M].北京:人民交通出版社,2004.
[4] 胡小弟,孫立軍,劉兆金.瀝青路面非均布荷載下層間接觸條件不同時(shí)力學(xué)響應(yīng)的三維有限元分析[J].公路交通科技,2003(3):1-4.
[5] 薛 亮.考慮層間不同狀態(tài)的瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2006(4):575-578.