水电站重载交通公路半刚性基层沥青路面裂缝分析及防治措施

2011-04-14沈习文聂大丰

水电站设计 2011年2期

沈习文，聂大丰，张丹，王新

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院交通分院，四川成都 610072)

1 前言

水电站对外交通公路及场内施工道路在电站建设期运输水泥、钢材、弃渣及堆筑料等，以通行大型载重汽车为主，载重汽车单后轴轴载一般在150kN以上，大大超过现行公路沥青路面的标准设计轴载(双轮组单轴载100kN)。

水电站大多位于偏远的高山地区，气候恶劣，昼夜温差较大，中午日照及紫外线辐射强烈，冬季雨雪冰冻天气时间较长，水电站交通专用沥青路面公路在大型载重汽车等因素的作用下一般1～2年内即出现大量纵横向裂缝，且随时间不断扩展，形成了对沥青路面的一次性损害，大为降低了公路的使用寿命。

本文通过分析裂缝的类型、形成的原因及其影响因素，提出了相应的处置措施。

2 沥青路面裂缝的类型及成因

水电站重载交通公路沥青路面早期病害主要有车辙、波浪、隆起、坑槽、龟裂、沉陷变形、裂缝、松散等。裂缝是最常见的早期病害之一，不断渗入裂缝中的水分使基层甚至路基强度逐渐降低，加速路面早期破损。沥青路面裂缝形式一般表现为纵向裂缝和横向裂缝两大类，其成因各异。

2.1 纵向裂缝及网裂

纵向裂缝又称为荷载型裂缝，即因行车荷载作用引起的裂缝。纵向裂缝走向基本与行车方向平行，裂缝宽度与长度不一。裂缝宽度一般为2～5mm，严重者可达10～20mm;裂缝长度一般0.1～0.5m，轴载作用较大的公路裂缝长度最大可达1～3m。

纵向裂缝按产生部位可大致分为两类:一类发生在公路路肩附近，沿路肩边缘逐步向行车道发展，呈贝壳形，这类裂缝易引起路基失稳，具有极大危害性。另一类发生在行车道附近，呈条带状，其长度、宽度及深度尺寸大小不一，一般随行车荷载的增大而增大，其中裂缝深度在重车荷载下可达3～5m，且在空间上一般表现为曲线三维分布;其裂缝宽度根据面层、基层、底基层及路基材料性能的不同而有所变化。

在长时间行车荷载、温度变化等因素的影响下，纵向裂缝不断加宽且相互交错，将沥青路面分割成不规则的多边形小块，形似龟壳，故俗称“龟壳路”，即为网状裂缝，简称网裂。网裂纵横交错，裂缝一般宽1～5mm，缝距20～40cm。网裂导致沥青路面松散或产生坑槽，严重影响了沥青路面的使用功能。

2.2 横向裂缝

沥青路面在重复荷载作用下，受温度、基层材料及路基等因素影响产生横向裂缝，又称非荷载型裂缝。横向裂缝按其产生原因可分为低温收缩裂缝、温度疲劳裂缝以及由基层传递来的反射裂缝等。

2.2.1 低温收缩裂缝

高寒地区气候恶劣，气温变化极快，当温度骤降时，沥青材料呈脆硬性，沥青路面急剧收缩，其产生的拉应力或拉应变远大于材料的抗拉强度或极限拉应变，从而产生横向温度收缩裂缝，简称温缩裂缝。

2.2.2 温度疲劳裂缝

温度的反复升降变化导致了温度疲劳应力，使得沥青路面的极限拉应变变小，且高寒地区沥青老化严重使得沥青劲度增高，应力松弛性能降低，因此温度疲劳应力使得沥青路面从表层开始产生温度疲劳裂缝，同时裂缝的数量随着路面的使用时间增加而不断增多。

2.2.3 反射裂缝

半刚性基层强度高、整体性和稳定性较好，但对温度和湿度的变化较为敏感，在道路使用期间产生干缩裂缝和低温收缩裂缝。在重车荷载的重复作用下，这种裂缝会扩展到沥青面层而产生反射裂缝。

高山地区温差变化较快，在昼夜温度变化作用下，沥青路面表面层温度变化较大，因温度梯度效应，底面层温度变化相对较小，致使沥青路面产生翘曲变形等现象，表面层产生较大拉应力，底面层产生较大压应力，同时在荷载的反复作用下沥青面层产生力的作用方向相反的疲劳剪应力，导致基层裂开并逐渐扩展到沥青面层，称为反射裂缝。

3 沥青路面裂缝影响因素

高山地区重载交通公路沥青路面裂缝影响因素较多，主要有路基稳定性强度及压实度、面层及基层厚度、行车荷载、温度、水、冰冻、日照辐射等。

3.1 路基稳定性、强度及压实度

高山地区重载条件下路基的整体稳定性、强度及压实度对减少路面裂缝来说至关重要。高寒地区地形地貌复杂，软土、粉细沙基层等不良地质现象发育，地质灾害频繁，极易降低路基稳定性，导致路基失稳。同时高山区路基受施工条件及环境等制约，路基压实度难以全面达到设计标准，可能存在缺陷。

3.2 沥青面层与基层厚度

沥青面层与基层的厚度对路面裂缝有着重要影响。半刚性基层厚度增加时基底拉应力呈线性降低，基层承载力及疲劳寿命大幅增加。沥青面层加厚时，降低了基层的应力水平，减轻了基层的温缩开裂，减少了路面的反射裂缝，有效截断了地表水渗入路面结构层的路径，但厚度增加过大，在夏季易产生车辙等病害，也不经济。因此沥青面层厚度应本着实用的原则合理选择。

3.3 行车荷载

相关资料显示，重车荷载对路面裂缝的形成产生直接影响，随着轴载的增加，地表最大弯沉值、基层底面拉应力、基层顶面压应力呈线性增加。目前我国公路沥青路面标准轴载设计理论不能全面反映重载交通公路沥青路面荷载特性，随着水电站重载交通的迅猛发展，水电站专用公路沥青路面设计理论研究远跟不上荷载特性变化。重载车辆轮压一般为1.1～1.3MPa，轮胎与地面之间的接触压力分布并非规范中的圆形，而是呈椭圆形，接触压力的非均布效应非常显著，重载车辆产生的大轴载对路面施加动态振动、冲击及推挤作用，对路面产生极高的瞬态剪切应力，远高于静态剪应力，加速了沥青路面的早期破损。

3.4 温度

高山地区气候变化较快，昼夜温差较大，温度梯度效应明显，存在较高的温度疲劳应力，导致路面产生横向裂缝，并促进了纵向裂缝的发展。

3.5 水的影响

水对路面裂缝的影响十分明显。降雨时路表降水沿纵横向裂缝进入结构层内部及路基，降低了材料力学性能，使沥青与集料之间的粘着力降低，促进沥青的老化，并产生动水压力冲刷基层混合料，加速路面的早期破损。沥青路面的水损害不可避免，应采取综合处理措施将损害控制在最小范围内。

3.6 冻胀

冻胀对冬季冻土地区路面裂缝的影响最为显著。随着温度的不断降低，水分从深处向地表产生迁移并形成大量的冰晶体，从而产生了冻胀。在冻胀力的作用下路基发生上拱现象，沥青路面承受较大拉应力并形成裂缝。

3.7 日照辐射

高山地区夏季日照及紫外辐射强烈，地表温度高，可达40℃以上，沥青材料在紫外线、氧气等作用下加速老化，使沥青流动性减小、稠度增大，沥青粘结料失去塑性，导致路面破损严重，降低了使用寿命及耐久性。

4 沥青路面裂缝防治措施

沥青路面裂缝产生的原因较为复杂，其防治措施应遵循“因地制宜，经济实用，以防为主，防治结合”的基本原则，在造价与防治效果之间取得平衡。

总体而言，沥青路面裂缝的防治措施主要有增强路基稳定性及强度、合理设置基层厚度、设置碎石上基层、选用抗裂性能好的材料、铺设防裂层、预锯缝+贴缝处理、裂缝修补等。

4.1 增强路基强度及稳定性

路基处于受行车荷载影响较大的区域，路基自身的强度及稳定性对保证路面结构层的强度与稳定极为重要。为减小地下水及地表水对路面结构的影响，应设置良好的公路排水系统，降低地下水位，并应在路基与底基层之间设置防渗层，防止冰冻及毛细水的影响，减小不均匀沉降。

4.2 增加基层强度

半刚性基层强度增加时，承载力及疲劳寿命大幅增加，也有效改善了基层的应力状态，降低了基层拉应力，延缓了反射裂缝的产生及发展。

对于水泥稳定类材料，可通过适当增大粗集料的比例并形成较好的级配来达到堤高强度，严格控制细集料的含量，尽量采用骨架密实结构，降低收缩系数。

4.3 设置半开级配沥青碎石上基层

在基层与面层之间设置半开级配沥青碎石层，与半刚性基层形成上柔下刚的“复合基层”。半开级配沥青碎石层抗压性能较好且传递半刚性基层的拉应力及拉应变值较小，降低了半刚性基层受外界温度及湿度的影响程度，减小了半刚性基层的反射裂缝，同时也作为面层与基层之间的排水基层，有利于半刚性基层的水稳性。

4.4 选用抗裂性能好的沥青材料

高山地区重载公路应选用改性沥青等抗裂性能较好的沥青材料，并应控制针入度、延度等指标，减少和延缓温缩裂缝、温度疲劳裂缝等。对于冰冻期较长的路段，路面沥青材料还应具有较好的防滑性能。

4.5 铺设防裂层

防裂层又称应力吸收层，铺设在面层与基层之间，可有效防止或延滞沥青路面产生反射裂缝。目前国内应用较为广泛的材料主要有特雷维拉土工布防裂层和APP改性沥青油毡防裂层。上述材料可吸收和缓冲基层锯缝尖端处的应力集中，抑制基层应力传递至面层，确保沥青面层所受的拉应力、拉应力不超过材料的极限值，具有阻止裂缝的扩展并起到加筋的作用，并能防止地表水渗入基层。