淺談級(jí)配碎石在京唐港地區(qū)公路的應(yīng)用

楊大勇

(唐山遠(yuǎn)大實(shí)業(yè)集團(tuán)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(qū),地勢(shì)海拔高程 1～4m,地勢(shì)較平緩,略有起伏。地質(zhì)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(zhì)簡(jiǎn)分析結(jié)果初判為弱酸性。氣候?qū)倥瘽駧Т箨懶约撅L(fēng)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(jī)理

我國(guó)中西部地區(qū)交通運(yùn)輸?shù)拇笸ǖ榔渎访娼Y(jié)構(gòu)為:18 cm厚水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石底基層+18 cm厚水泥穩(wěn)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(qiáng)度高、穩(wěn)定性好及剛度大等特點(diǎn),被廣泛用于修建高等級(jí)公路瀝青路面的基層或底基層。然而隨著這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)半剛性基層存在著易產(chǎn)生裂縫問題,從而引起瀝青路面損壞。通過對(duì)公路基層裂縫調(diào)查顯示,橫向裂縫居多,在局部路段出現(xiàn)縱向裂縫,雖數(shù)量不多,但隨著路面水的浸入,在行車荷載反復(fù)作用下,會(huì)逐漸軟化基層和路基,引起路面翻漿網(wǎng)裂破壞,這將嚴(yán)重影響道路的使用性能和壽命。

水泥穩(wěn)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(chǎn)生的裂縫,在車輪荷載作用下,半剛性基層底部產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)此拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),則半剛性基層底部發(fā)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(jié)構(gòu)中受到約束,當(dāng)氣溫大幅度下降時(shí),基層材料中的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過材料的抗拉強(qiáng)度或極限抗拉應(yīng)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(fā)生在太陽照射強(qiáng)烈、日溫差大的地區(qū)。這種地區(qū),基層白天溫度與夜間溫度之差相當(dāng)大,在基層中產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力,這種溫度應(yīng)力日復(fù)一日地反復(fù)作用在基層中,使基層產(chǎn)生疲勞開裂。由此產(chǎn)生的裂縫稱為溫度疲勞裂縫。而干縮裂縫是由于穩(wěn)定材料經(jīng)拌和壓實(shí)后,水分揮發(fā)和混合料內(nèi)部的水化作用,混合料的水分會(huì)不斷減少,由此發(fā)生的毛細(xì)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(wěn)定材料體積收縮。

3 應(yīng)對(duì)策略

路基要具有足夠的整體穩(wěn)定性、整體強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和均勻性。施工中對(duì)原地面處理不當(dāng),對(duì)軟土地段處理不徹底,對(duì)填挖結(jié)合處理不好,都將直接影響到路基的整體穩(wěn)定性。同時(shí),路基施工工藝控制不嚴(yán),特別是路床以下 80 cm的土質(zhì)差、壓實(shí)度低,對(duì)路基的整體強(qiáng)度也有很大影響。地質(zhì)水文條件復(fù)雜等原因均對(duì)路基強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響,從而導(dǎo)致路基不均勻下沉,路基不均勻下沉必然導(dǎo)致路面開裂。

公路半剛性基層出現(xiàn)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(xiàng)產(chǎn)生的應(yīng)力再加上交通荷載、土基的共同影響,應(yīng)力之和大于基層的抗拉強(qiáng)度而引起的開裂。如不進(jìn)行處理,將會(huì)對(duì)路面破壞產(chǎn)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(xiàn)象十分普遍,但是只要認(rèn)真分析裂縫的形成機(jī)理和產(chǎn)生裂縫的原因,對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工等每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制,就能避免或減少裂縫的產(chǎn)生,并使其具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性,從而延長(zhǎng)路面的使用期限。在基層下加鋪 40 cm級(jí)配碎石對(duì)基層裂縫的發(fā)展得到了有效控制,效果顯著。

4 級(jí)配碎石防裂機(jī)理

級(jí)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(jí)配碎石作為散粒結(jié)構(gòu)具有不傳遞拉應(yīng)力、拉應(yīng)變的特征,水泥混凝土板接縫尖端的拉應(yīng)力不會(huì)在碎石層形成應(yīng)力集中,因而碎石層吸收了接縫所釋放的應(yīng)變能,從而達(dá)防開裂效果。此外,級(jí)配碎石散粒結(jié)構(gòu)具有較大的塑性變形能力,能充分吸收接縫釋放的應(yīng)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(kuò)展的速度。

(2)級(jí)配碎石的隔離作用也很重要,由于級(jí)配碎石層較厚,一般為 40 cm,級(jí)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(yīng)力及溫度應(yīng)力都大大減少。

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

5 結(jié) 語

級(jí)配碎石基層作為柔性基層,在路面結(jié)構(gòu)發(fā)展方面具有很強(qiáng)的活力,除了完善路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)、級(jí)配組成設(shè)計(jì)外,在級(jí)配碎石基層施工過程中一定要嚴(yán)格按照施工控制要求,做到石料精篩細(xì)選、控制碾壓最佳含水量、減少破碎等現(xiàn)象、壓實(shí)度≥100%,形成碎石嵌擠結(jié)構(gòu)。級(jí)配碎石基層適用于石料質(zhì)量較高、石料豐富的地區(qū),根據(jù)路面等級(jí)要求和路基柔性基層在目前已作為解決沿海京唐港地區(qū)公路瀝青路面早期損害嚴(yán)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(xué).

[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).