新型半刚性基层路面结构研究

路建印

(河北省石黄高速公路管理处)

0 引 言

在高等级公路的运营养护中,因水产生的唧浆、坑槽等病害正严重威胁着公路的正常使用,给养护工作带来了极大的压力,如何根治这一通病,石黄高速公路的“包砂土”路基给了我们一个很好的启示。“包砂土”技术即采用粘土包边,砂土填芯的办法填筑路基。该路段通车六年来,没有发生一处水损害,这在高等级公路饱受水害之苦的今天,无疑是一个值得研究的。

1 路段概况

石黄高速公路藁城段(K277+670～K291+865),于1998年 12月建成通车,该段路基采用了两种填料,K280+ 015～K291+215由“包砂土”填筑,K277+670～K280+015路基由素土填筑,路面结构技术资料见表 1。

2 公路中水的由来

图1用箭头标出了水在路基、路面中的走向。

表1 路面结构技术资料表

图1 水的走向图

由图 1可以看出面层中的水主要来自路面渗水、横向裂缝侧向来水、毛细水和冻胀水;路基水主要来自各方的渗水和毛细水等。

3 路段对比

藁城段(K277+670～K291+865)面层结构自上而下分别为SAC16(4cm)、SAC25(5cm)、SAC25(6cm)、二灰碎(19cm)、水泥碎(18cm)、三灰砂(20cm),其中K280+015～K291+215为“包砂土”路基段,K277+670～K280+015为素土路基段,自 2002年以来,素土路基段发生了多处水损害,在挖补过程中发现各结构层积水较多,且出现水沿裂缝上泛的现象,而“包砂土”段则无一处水损害,对比 K280+ 015～K291+215和K277+700～K279+200两段的技术参数,所不同的只有路基填料。

4 水损害分析

4.1 夏季

我国高等级公路多采用半刚性基层沥青路面,路面裂缝较多,雨季易于透水,在车辆荷载作用下,由于车轮的冲压和泵浦效应,水反复在面层中高速冲击和抽吸,致使油面层油膜剥落,引起泛油、沉陷等病害;半刚性基层和底基层则持续处于饱水状态,致使其变软,路面强度降低,在压力水反复的冲击下,形成浮浆,造成基层和油面层脱离,进而发展成唧浆、坑槽等病害,最后导致基层强度的丧失,引起整个路面发生结构性破坏。

4.2 冬季

我国华北地区冻深一般在 50cm左右,高等级公路面层的大部分恰处在冻深范围内,当面层区冰冻后,如果路基中含水量丰富,即会形成对冰冻区的水源补给,形成更大范围的冻胀,造成面层开裂、松散,进而破坏路面强度。

5 “包砂土”路基技术分析

“包砂土”路基由细砂填筑而成,不均匀系数Cu在 2.2～3.597之间,工程上把Cu＜5的土看作均粒土,因此该路基非常利于水的渗透,使油面层、基层和底基层的水可快速渗入路基,并有效阻断毛细水和冻胀水上升到面层,使路面各结构层始终处于干燥状态。

2003年检测中心对该段基层和底基层进行了钻芯、挖验等检测,佐证了上述对“包砂土”的论断,同时也得出如下结论:即半刚性基层和底基层为较易透水的路面结构层。

6 高等级路面防水新思路

6.1 增设级配碎石排水层

根据“包砂土”路基的启示,在综合考虑路面透水、冻深和受力等情况,认为可在水泥稳定碎石基层和石灰粉煤灰稳定碎石基层下(约45cm)设置一层5～10cm级配碎石排水层,使其起到排出路面自由水,隔阻毛细水和冻胀水的作用,从而彻底解决路面水损害的问题。

6.2 新路面结构的力学特性

该路面结构自上而下分别为油面层、水泥稳定碎石层、级配碎石排水层、石灰粉煤灰碎石层和土基。各结构层的回弹模量值油面层可取设计值900～1200MPa,水泥稳定碎石层取设计值 900～1100MPa,级配碎石排水层取 500～700MPa,石灰粉煤灰碎石层取设计值900～1100MPa,土基回弹模量取 100MPa。可见该路面结构仍为典型的半刚性沥青路面,具有弯沉值小、弯沉盆影响半径大和弯沉盆形状平坦(曲率半径大)等特点,从而具有良好的板体作用和较柔性基层大得多的荷载分布能力。同时,该结构利用了半刚性基层沥青路面裂缝较多的特点,使水顺利渗入级配碎石排水层。

该路面结构层以石灰粉煤灰碎石层作为级配碎石的下卧层,有以下两种考虑。一是未处置层的受力问题。勃隆(Brown)和丕尔(Pell)于1972年在设计标准中建议,当未处置层中产生拉应变时,水平拉应力应不超过垂直压应力加上上覆层所形成压力的 1/2。据此,通过分析奥得利用弹性层状体系理论计算的多种不同路面结构中的应力和应变数据,得出在未处置级配碎石层下,采用刚性较大的下卧层,可使该未处置层底面不再承受拉应变,从而使未处置层在抵抗永久变形方面是安全的这一结论,故而选用刚度较大的石灰粉煤灰碎石层作为其下卧层。二是对下卧层的性能要求。级配碎石层的下卧层除应具备较大的刚度外,还需具备良好的抗水损和抗裂性能,因此选用技术性和经济性均较好的石灰粉煤灰碎石稳定层作为级配碎石的下卧层是较为合理的。

7 结 语

通过对“包砂土”路用性能和防水机理的分析,提出了在路面结构层中增设级配碎石排水层的防水新思路,该方案利用了半刚性基层自身裂缝和路基横向坡度等特点,从而排出了路面中的自由水,解决了半刚性基层沥青混凝土路面的水损害问题。

[1] 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面.北京:人民交通出版社.