瀝青路面高等級公路半剛性基層的病害機(jī)理與表現(xiàn)

秦鴻儒

(深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518094)

1 概 述

由于半剛性基層具有工程造價低、大規(guī)模機(jī)械施工操作方便、材料強(qiáng)度高、剛性強(qiáng)、水穩(wěn)定性好、板體質(zhì)量好，在需求增加的情況下，我國以半剛性材料為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的高等級公路越來越多。目前半剛性基層作為路面基層的主流結(jié)構(gòu)形式，以在絕大多數(shù)高等級公路瀝青路面上投入應(yīng)用，并且后續(xù)新建高等級公路中仍將大量存在。隨著運(yùn)營階段的存量道路總量不斷增加，半剛性瀝青路面的裂縫越來越大，是其結(jié)構(gòu)的主要缺陷。高等級公路的日常養(yǎng)護(hù)工作往往注重面層病害的處置而不能徹底消除基層病害隱患，因此結(jié)合基層病害的發(fā)生與發(fā)展情況，綜合判定半剛性基層瀝青路面的病害，對制定切實(shí)有效的維修方案具有重大意義。

2 半剛性基層結(jié)構(gòu)的病害機(jī)理

2.1 半剛性基層的溫縮裂縫

溫縮裂縫是半剛性基層的常見病害表現(xiàn)。半剛性基層材料的表面膨脹是不同溫度(固體、液體和氣體)收縮的綜合結(jié)果。固相主要由礦物顆粒組成，原料中砂粒的溫度收縮系數(shù)和粉末(特別是粘土礦物)下顆粒的溫度收縮系數(shù)較高；液相由半剛性基層材料內(nèi)部毛細(xì)孔、凝膠孔中的水組成，其表面張力、冰凍作用、擴(kuò)張作用對半剛性材料的溫宿產(chǎn)生影響，在一般含水量下有較大的溫度收縮，而在飽水和干燥狀態(tài)下溫度收縮較小；氣相一般與大氣貫通，對材料整體的溫縮影響可忽略不計。

考慮到上述三個階段的相互作用和影響，無論是否完成瀝青鋪設(shè)的半剛性基層材料，半剛性材料本身也會因季節(jié)溫度變化而受到一定程度的溫度降低。當(dāng)外界溫度降低幅度較大時，半剛性基層材料內(nèi)部的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變增大，超過其抗拉強(qiáng)度從而引起基層開裂。一般半剛性基層施工在高溫季節(jié)進(jìn)行，施工過程中的晝夜溫差即可在基層中產(chǎn)生較大應(yīng)力從而產(chǎn)生裂縫。

2.2 荷載形成的路面裂縫

行車荷載通過瀝青路面?zhèn)鬟f給半剛性基層，在一定強(qiáng)度的車輪載荷下，瀝青路面的回彈變形逐漸增加，導(dǎo)致半剛性基礎(chǔ)底部出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，并且大于半剛性基礎(chǔ)材料的拉伸強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)整體性即遭到破壞，發(fā)生開裂。在以重車荷載為代表的車輛荷載反復(fù)作用下，原半剛性基層裂縫部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，其裂縫位置逐步擴(kuò)展，反射至瀝青面層，表現(xiàn)為瀝青面層的開裂。由于面層開裂導(dǎo)致雨水的侵入，進(jìn)一步加重破損。雨水侵蝕、重車荷載及結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力集中，同常在路面表現(xiàn)為輪跡帶處的密集縱向裂縫或網(wǎng)狀裂縫。

2.3 瀝青面層的溫縮裂縫

溫縮裂縫及荷載形成的裂縫均為自下而上的發(fā)展，除此之外，瀝青面層的溫縮裂縫會自上而下導(dǎo)致半剛性基層的病害產(chǎn)生。瀝青混合料在夏季高溫狀態(tài)下具有良好的應(yīng)力松弛性能，易產(chǎn)生車轍而不易產(chǎn)生裂縫。當(dāng)冬季氣溫下降時，瀝青混合料變得越來越硬，并隨著路面結(jié)構(gòu)上的溫度梯度而收縮。當(dāng)外界環(huán)境溫度下降幅度較大時，瀝青混合料的應(yīng)力松弛性能趕不上應(yīng)力增長，產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著環(huán)境溫度進(jìn)一步降低，使瀝青混合料進(jìn)一步收縮，當(dāng)瀝青混合料中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時就會產(chǎn)生開裂。瀝青面層一旦開裂，裂縫處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，加之雨水侵蝕與行車荷載的綜合作用，會導(dǎo)致裂縫向下延伸并逐漸貫穿整個瀝青面層，并對半剛性基層產(chǎn)生破壞。

3 工程實(shí)例中的半剛性基層病害表現(xiàn)

在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合某公路大修場地地表開挖后半剛性基層的病害特征，可以進(jìn)一步認(rèn)識半剛性基層的病害情況和表現(xiàn)。

3.1 工程背景

案例高速公路于1997年通車，設(shè)計速度100 km/h，路面設(shè)計使用年限15年，主線為六車道，設(shè)計年限內(nèi)單車道累計當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次為812萬次，路面容許彎沉Lr=0.37 mm，路基寬度32 m，路面寬度22.5 m，路幅布置為：路基標(biāo)準(zhǔn)寬度為32 m，包括中央分隔帶3.0 m；兩側(cè)土路肩各0.75 m；兩側(cè)硬路肩各2.5 m；兩側(cè)行車道各3×3.75 m。路面橫坡度(包括行車道、硬路肩)為2%，土路肩橫坡度為3%。隨著使用年限的增長和路面性能的不斷衰減，對該高速公路開展大修工程以恢復(fù)其使用性能。

表1 路面結(jié)構(gòu)組合

3.2 半剛性基層的病害表象與處置建議

根據(jù)大修現(xiàn)場的情況，在瀝青面層開挖并清掃完畢后，半剛性基層的病害情況由輕到重表現(xiàn)單一裂縫、網(wǎng)狀/塊狀裂縫、松散破碎三種形式。

(1)單一裂縫。在靠近中央分隔帶的超車道，路面病害以間隔一定距離的橫向裂縫為主，結(jié)合開挖后的情況，可發(fā)現(xiàn)半剛性基層病害表現(xiàn)為與路面裂縫對應(yīng)的橫向裂縫。在部分路段的中間行車道，其路面為單一橫向裂縫的基層病害，以及超車道、中間行車道的部分位置有不規(guī)則的縱向單一裂縫的病害，其開挖后的半剛性基層也符合上述情況。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，超車道、中間行車道以小型車輛為主，車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響很小，橫向裂縫以及偶發(fā)的縱向裂縫主要由于半剛性基層本身的溫縮裂縫反射到面層產(chǎn)生，其基層仍具有良好的整體性與強(qiáng)度，在維修過程中可以采用灌縫、抗裂貼等方式處置后即可回填瀝青面層。

(2)網(wǎng)狀/塊狀裂縫。在路幅右側(cè)重車道的輪跡帶位置，瀝青面層有連續(xù)的網(wǎng)狀、塊狀裂縫，伴有部分坑槽與沉陷的位置，面層開挖后半剛性基層對應(yīng)位置有連續(xù)的網(wǎng)狀/塊狀裂縫。此種情況主要是由于重車荷載的反復(fù)作用使瀝青面層開裂，面層受力結(jié)構(gòu)的破壞使半剛性基層出現(xiàn)應(yīng)力集中，并隨之出現(xiàn)網(wǎng)狀/塊狀裂縫。半剛性基層的塊狀裂縫可通過玻纖格柵作為應(yīng)力吸收層，在玻纖格柵上鋪筑面層，可達(dá)到較好的修復(fù)效果。

(3)松散破碎。如果不及時對重型車道輪軌的單條裂縫或網(wǎng)狀、大塊裂縫以及一些開挖斷面排水不暢的路段采取養(yǎng)護(hù)措施，在雨水沖刷和車輛荷載的反復(fù)作用下，半剛性基層也會出現(xiàn)嚴(yán)重病害。不僅表面會出現(xiàn)凹坑和凹槽，沉陷以及大面積的裂縫，根據(jù)現(xiàn)場開挖情況，基層呈現(xiàn)出松散破碎的狀態(tài)，此種狀態(tài)的基礎(chǔ)是沒有承載能力的，因而在維修時需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行基礎(chǔ)的開挖換填，然后再進(jìn)行面層施工。

4 結(jié) 語

高速公路運(yùn)營服務(wù)水平取決于科學(xué)有效的養(yǎng)護(hù)，僅瀝青路面養(yǎng)護(hù)往往導(dǎo)致重復(fù)施工和養(yǎng)護(hù)效果差。結(jié)合半剛性基層的病害機(jī)理和相應(yīng)的路面病害表現(xiàn)，以及交通荷載和降雨排水因素的可能影響，對養(yǎng)護(hù)深度進(jìn)行綜合判斷，可以使養(yǎng)護(hù)工作更加有效，對保證高速公路的技術(shù)狀態(tài)和服務(wù)水平具有重要意義。