浅谈级配碎石在京唐港地区公路的应用

杨大勇

(唐山远大实业集团有限公司)

1 地理位置及气候

京唐港地处河北唐山,为沿海地区,地势海拔高程 1～4m,地势较平缓,略有起伏。地质上部以淤泥土为主,下部以低液限粘土粉土为主,地下水位埋深为 0.3m,地下水质简分析结果初判为弱酸性。气候属暖湿带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热潮湿,全年温差变化很大,年平均气温 11.2℃,极端最高气温 40.4℃,极端最低气温 -22.7℃。

2 路面路基破坏机理

我国中西部地区交通运输的大通道其路面结构为:18 cm厚水泥粉煤灰稳定碎石底基层+18 cm厚水泥稳定碎石基层 +6 cm厚 AC-25下面层 +5 cm厚 AC-20中面层 +4 cm厚AC-13上面层。

半刚性基层具有强度高、稳定性好及刚度大等特点,被广泛用于修建高等级公路沥青路面的基层或底基层。然而随着这种结构的应用,发现半刚性基层存在着易产生裂缝问题,从而引起沥青路面损坏。通过对公路基层裂缝调查显示,横向裂缝居多,在局部路段出现纵向裂缝,虽数量不多,但随着路面水的浸入,在行车荷载反复作用下,会逐渐软化基层和路基,引起路面翻浆网裂破坏,这将严重影响道路的使用性能和寿命。

水泥稳定基层开裂大致可以分为 2大类:荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝主要由于行车荷载作用而产生的裂缝,在车轮荷载作用下,半刚性基层底部产生拉应力,当此拉应力超过材料的抗拉强度时,则半刚性基层底部发生开裂。非荷载型裂缝包括温度裂缝和干燥收缩裂缝,非荷载裂缝主要是温度裂缝,而温度裂缝包括低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝。低温收缩裂缝是由于冬季随着温度下降,基层材料开始收缩,而由于基层在路面结构中受到约束,当气温大幅度下降时,基层材料中的拉应力或拉应变一旦超过材料的抗拉强度或极限抗拉应变而引起基层的开裂。由于道路基层宽度都不很大,收缩所受约束小,所以温度收缩裂缝主要是横向的。温度疲劳裂缝主要发生在太阳照射强烈、日温差大的地区。这种地区,基层白天温度与夜间温度之差相当大,在基层中产生较大温度应力,这种温度应力日复一日地反复作用在基层中,使基层产生疲劳开裂。由此产生的裂缝称为温度疲劳裂缝。而干缩裂缝是由于稳定材料经拌和压实后,水分挥发和混合料内部的水化作用,混合料的水分会不断减少,由此发生的毛细管作用,吸附作用,分子间力的作用,材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等引起的稳定材料体积收缩。

3 应对策略

路基要具有足够的整体稳定性、整体强度、水稳定性和均匀性。施工中对原地面处理不当,对软土地段处理不彻底,对填挖结合处理不好,都将直接影响到路基的整体稳定性。同时,路基施工工艺控制不严,特别是路床以下 80 cm的土质差、压实度低,对路基的整体强度也有很大影响。地质水文条件复杂等原因均对路基强度产生一定影响,从而导致路基不均匀下沉,路基不均匀下沉必然导致路面开裂。

公路半刚性基层出现的横向开裂,有的是温度变化致使基层自身开裂,有的是在半刚性基层干缩引起的裂缝,更多的是以上两项产生的应力再加上交通荷载、土基的共同影响,应力之和大于基层的抗拉强度而引起的开裂。如不进行处理,将会对路面破坏产生一定影响。半刚性基层沥青路面在车辆荷载和自然因素的作用下,尽管开裂现象十分普遍,但是只要认真分析裂缝的形成机理和产生裂缝的原因,对工程设计、施工等每一个环节进行严格控制,就能避免或减少裂缝的产生,并使其具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性,从而延长路面的使用期限。在基层下加铺 40 cm级配碎石对基层裂缝的发展得到了有效控制,效果显著。

4 级配碎石防裂机理

级配碎石裂缝缓解层之所以能够有效防止和减缓路面沥青加铺层的反射裂缝,主要基于以下原因。

(1)级配碎石作为散粒结构具有不传递拉应力、拉应变的特征,水泥混凝土板接缝尖端的拉应力不会在碎石层形成应力集中,因而碎石层吸收了接缝所释放的应变能,从而达防开裂效果。此外,级配碎石散粒结构具有较大的塑性变形能力,能充分吸收接缝释放的应变能,从而减缓了由温度引起的Ⅰ型反射裂缝和由交通荷载引起的Ⅱ型反射裂缝向上延伸扩展的速度。

(2)级配碎石的隔离作用也很重要,由于级配碎石层较厚,一般为 40 cm,级配碎石层的加入使得基层遭受的温度变化、温度变化速率及温度梯度大大降低,基层的温度收缩应力及温度应力都大大减少。

(3)级配碎石收缩系数极小,加上其本身并不传递拉应力和拉应变,因此它能消散、吸收单纯由环境因素变化,尤其是温度骤降情况下裂缝尖端的应力及应变。

5 结 语

级配碎石基层作为柔性基层,在路面结构发展方面具有很强的活力,除了完善路面结构层设计、级配组成设计外,在级配碎石基层施工过程中一定要严格按照施工控制要求,做到石料精筛细选、控制碾压最佳含水量、减少破碎等现象、压实度≥100%,形成碎石嵌挤结构。级配碎石基层适用于石料质量较高、石料丰富的地区,根据路面等级要求和路基柔性基层在目前已作为解决沿海京唐港地区公路沥青路面早期损害严重的主要研究方向之一。

[1] 何兆益 .碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究[J].南京:东南大学.

[2] 邓有左.半刚性基层沥青路面开裂原因及防治措施[J].公路2001,(6).