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高速公路路面破壞和路基病害的特征及成因分析

09-03 13:00:22  瀏覽次數:166次  欄目:交通工程
標簽:城市軌道交通工程技術,交通工程專業介紹, 高速公路路面破壞和路基病害的特征及成因分析,http://www.nvlbio.live

  摘要:我國的公路事業進入了以建設高速公路、一級公路等高等級公路為主的新時代。早期修建的一些高速公路,在沒有達到設計年限的情況下,也開始進行大修。不僅對社會、交通造成了較大的影響,也在經濟上造成了很大的損失。因此,高速公路路基路面的早期損壞問題引起了廣泛的關注。作者在文中深入分析了高速公路路面破壞和路基病害的特征及成因。

  關鍵詞:高速公路;路面破壞;路基病害

  我國高速公路路基、路面的早期損壞有多種形式,也是由多種不同原因引起的,其中對路面使用性能和使用壽命影響最大的是結構性破壞、水破壞和嚴重轍槽。

  一、高速公路路面破壞的特征及成因

  引起高速公路半剛性基層瀝青混凝土路面的早期破壞有多種原因,表現為多種形式。

  1.1變形類

  填土路堤上的路面竣工后以及開放交通后,路基會產生不均勻沉降,導致其上路面頂面產生波浪式的不平整。在未填筑路堤之前,地基處于平衡狀態。填筑路堤后,地基受到動靜荷載的共同作用產生固結形變,直到達到新的平衡狀態為止。地基產生固結形變的大小,既與填土高度有關,又與地基內部各層土的壓縮系數有關。填土路堤地基存在橫向承載能力顯著不均勻的特性,兩側地基的承載力小,中部承載力大,路堤產生不均勻沉降,路堤兩側邊部產生外傾式沉降,將路面和路基掰開,在路面上產生寬度較大的縱向裂縫,其特點是上寬下窄。

  軟土基層沉降是由于軟土地基引起路面產生很大的不均勻沉降,使路面縱斷面產生大的變形。主要原因是施工期太短,在軟基還沒有固結沉降達到基穩定時就鋪設瀝青路面;另一重要原因是復合地基處理深度和置換率小。

  1.2松散類

  由路面結構性破壞產生的網裂。所謂路面結構性破壞,是指路面結構的承載能力不能抵抗現有行車荷載的反復作用,而產生的路面結構性整體破壞。其外觀特征為輪跡帶上產生裂縫,進一步發展成縱向網裂形變帶。

  由水破壞產生松散變形類病害尤其廣泛,主要表現為幾種不同情況:第一種是由于雨水較快的透入空隙率較大的瀝青混凝土表面層后,由于其下層比較密實,在進入表面層的水還未來得及往下層滲透前,表面層就開始產生水破壞。表現為瀝青路面的表面層產生圓形坑洞。第二種情況是由于透入表面層的水較快滲入中面層,滯留在中面層的水因難于或來不及透過中面層進入底面層之前,中面層瀝青混凝土強度變弱,瀝青剝落,甚至松散,導致表面層首先在行車道底輪跡帶上產生網裂形變,有的甚至產生明顯轍槽。第三種是由于透入表面層的水透過中面層進入底面層,如果在底面層表面有粘結防水層,或有質量好的下封層,同時進入的水量不大,則滯留在底面層的水會使底面層瀝青混凝土強度減弱,進而瀝青剝落,甚至瀝青混凝土松散,導致瀝青混凝土路面表面產生網裂形變。在基層頂面沒有粘結防水層,或雖做了下封層但質量不好的情況下,進入底面層的水將直接滯留在基層頂面。行車荷載生的水壓力,使滯留水首先沖刷基層表面的水泥細料或二灰細料,接著向下沖刷并形成白漿,在行車荷載的泵吸作用下,白漿被唧到面層表面層,漿被唧出的過程中,沿途的瀝青混凝土碎石上的瀝青剝落,輕者表面產生網裂變形,重者很快產生坑洞,碎石被甩出洞外,洞中積水。瀝青混凝土面層的表面層、中面層和底面層都不能讓水侵入和滯留,只要水能侵入任一層并滯留在該層就會產生水破壞。

  水破壞的重要內因是所用瀝青混凝土的空隙率較大。所用瀝青混凝土,特別是表面層瀝青混凝土的實際空隙率較大,雨水較易進入表面層,并導致水破壞。水破壞的另一重要內因是片面強調平整度,忽視了壓實度。水破壞的第三個重要內因是瀝青混凝土的不均勻性大。由于礦料質量、施工技術要求和工程管理等多方面原因,我國高速公路面層所用瀝青混凝土的離析現象和不均勻性較大,在面層表面隨機分布這數量不一的薄弱點位。在降雨過程中,雨水在一些薄弱點位被快速行駛車輛輪胎下產生的較大動水壓力壓入表面層。水破壞的第四個內因是瀝青混凝土面層的裂縫。由于瀝青混凝土是一種熱脹冷縮的材料,它的溫縮系數是半剛性基層材料的4倍左右。新瀝青混凝土面層剛產生的裂縫,往往僅深入表面層的上部。過一個冬季或一定時間后,裂縫又會深入到下層底部,甚至引發基層在相同的位置開裂。造成基層上部沖刷甚至松散的原因,是表面水的反復進入和沖刷的結果,不是基層本身“衰老”的結果。

  1.3車轍

  車轍、擁包等流動變形損壞當高速公路車輛渠道化以后,車轍問題逐漸成為主要病害。由于我國普遍采用半剛性基層瀝青路面的結構,基層本身的變形不是主要的,多數都是瀝青混和料產生的流動性車轍。其主要成因是路面在高溫情況下勁度模量大幅度降低,抗剪切變形能力不足以抵抗超載和重載車作用下的剪應力,尤其是在長大縱坡上坡路段,由于重載車車況差、爬坡車速降低,更為嚴重。嚴重車轍的內因是由于瀝青混凝土的礦料級配不合適。我國已通車的多數高速公路都使用規范中的連續式密集配。瀝青混凝土的高溫抗形變能力較差,不能承受重載交通的反復作用,容易產生嚴重轍槽。有的為避免產生水破壞,有意在瀝青混凝土中多用細集料和瀝青。未經認真試驗研究,就大量使用美國的SUP.自由水進入并長期滯留在中面層內,使中面層瀝青混凝土強度顯著減弱、瀝青剝落直到松散,表面開始產生較嚴重轍槽、轍槽兩側鼓起。

  1.4裂縫類

  瀝青路面開裂是國際上最普遍的損壞現象之一,只不過是裂縫發生的早晚、多少及裂縫的類型有所不同。我國瀝青路面的裂縫有橫向裂縫、縱向裂縫、網裂、沉降裂縫等。

  橫向裂縫是由于在寒冷季節氣溫驟降和反復的溫度變化后,因疲勞而產生的溫縮裂縫;半剛性基層的干縮和冷縮開裂造成的瀝青路面的反射性裂縫;或者兩者綜合作用產生的裂縫。溫縮裂縫至今國際上并沒有有效的根治措施,不屬于早期破壞。

  第二種是自上而下的表面裂縫。近年來國際上對瀝青路面自上而下的表面裂縫研究甚多,發現當瀝青層較厚時,由于路表面瀝青容易老化,瀝青混和料的自愈能力逐漸喪失,極限拉伸應變不斷減小,在車載荷載直接作用下,在輪跡部位產生大的拉應力或剪應力,導致路面產生開裂。但我國瀝青路面的表面裂縫有相當部分與由于瀝青層的層間污染沒有很好粘結成為整體,首先使表面層或上、中層壓碎有關。

  第三種是自下而上的疲勞裂縫。由于我國路面的瀝青層較薄,高速公路瀝青路面的縱向裂縫和網裂比較普遍,其原因是路面承載能力不足,導致路面的結構性損壞;鶎咏Y構松散,尤其在有雨水的不利季節,承載能力不足于承受超載車和繁重交通的作用,造成路面大面積損壞;鶎铀缮⒌脑蛏贁凳鞘┕r沒有成型,大部分是由于半剛性基層在施工過程中水泥劑量過高,強度過高,收縮嚴重開裂,使整層的半剛性基層分裂為大塊,在使用過程中又逐漸破碎為小塊,最后成為碎塊。

  二、高速公路路基病害的特征及成因

  2.1基層

  高速公路的半剛性基層厚度多在20cm左右,采用水泥穩定碎石(或礫石)或石灰粉煤灰穩定碎石(或礫石)半剛性底基層厚20-40cm,采用的材料有石灰土、水泥土、二灰土、二灰砂、二灰和水泥石灰土等。半剛性材料層的總厚度通常不超過60cm,最薄為40cm.

  半剛性材料路面的承載能力取決于半剛性材料層的質量和厚度因素,如果基層或底基層質量不好或不均勻性大,不能形成一個完整的整體,容易導致瀝青路面產生局部破損。在路面設計和施工都符合要求的情況下,半剛性路面的結構性破壞常發生在行車道的輪跡帶上。在輪跡帶上先產生縱向細小裂縫,爾后產生通過輪跡帶的橫向裂縫,最后發展成網裂和形變。

  2.2巖土地基

  填土路堤路基產生縱向不均勻沉降,使路面頂面產生波滾式的不平整。其產沉降的原因:一是原土地基產生固結變形,在填筑路堤之后,地基收到加載作用,產生壓縮變形。二是路堤本身產生固結變形,是與填土高度、土的性質和壓實度密切相關。

  路基壓實度不夠產生的縱向裂縫由于地基和填土在槽向不可避免的不均勻性,特別是在有表面水滲入地基的情況下,瀝青路面和水泥混凝土路面或早或遲都會產生一些細而短的縱向裂縫。

  橋頭跳車是由路基路面沉降引起的,是路基路面縱向變形最嚴重的一種形式。它是由于橋頭填土較厚,路基路面容易產生大的沉降,而橋頭的沉降量很小,從而產生錯臺高差。這種現象在軟基路段、濕陷性黃土地區尤為嚴重。

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