水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫的原因及防治措施分析

水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫的原因及防治措施分析

　　摘要：水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫形成機(jī)理、裂縫狀況、開(kāi)裂原因進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面開(kāi)裂的因素主要有材料特性、車(chē)輛荷載和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、路基強(qiáng)度及其均勻性、底基層強(qiáng)度及其均勻性、地形、地質(zhì)土質(zhì)、水文、氣象等自然因素等，采用提高路基穩(wěn)定性及其強(qiáng)度、合理確定路面強(qiáng)度及厚度、嚴(yán)格控制施工工藝、合理安排施工時(shí)間等措施，可減少裂縫，延長(zhǎng)公路使用壽命，提高投資收益。

　　關(guān)鍵詞：瀝青路面；水穩(wěn)基層；開(kāi)裂原因；防治措施

　　水泥穩(wěn)定碎石屬于半剛性基層，半剛性基層是采用無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定的各種集料和土類(lèi)，并具有一定強(qiáng)度和厚度的路面基層結(jié)構(gòu)。半剛性基層瀝青路面具有強(qiáng)度和剛度較高、路面平整度好、噪音低、行車(chē)舒適、易于就地取材、施工工藝簡(jiǎn)單、使用周期長(zhǎng)、工程投資較低、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)外公路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。

　　1裂縫形成機(jī)理

　　由于半剛性基層瀝青路面其組成材料自身固有的特性，開(kāi)裂幾乎是不可避免的，分析裂縫形成過(guò)程，大致分為初期收縮裂縫，中期內(nèi)應(yīng)力裂縫，后期荷載外力裂縫3個(gè)階段。

　　1.1初期收縮裂縫

　　水泥穩(wěn)定基層完工后30d局部路段產(chǎn)生橫向裂紋，縫寬1-3mm，橫向貫通或半貫通，垂向深度為水泥穩(wěn)定基層厚度的0.3-0.5倍。初期收縮裂縫主要是由于壓實(shí)后的水泥穩(wěn)定基層中的水不斷蒸發(fā)和水泥水化作用使水份不斷減少，產(chǎn)生毛細(xì)管作用、吸附作用、分子間力作用以及材料礦物晶體、凝膠體層間水的作用、碳化收縮作用等，使水泥穩(wěn)定基層壓實(shí)體發(fā)生體積收縮，形成收縮裂縫。

　　1.2中期內(nèi)應(yīng)力裂縫

　　瀝青碎石下面層鋪筑后90d即有少量反射裂縫產(chǎn)生，水泥穩(wěn)定基層鋪筑后6個(gè)月大部分裂縫基本形成，90％的裂縫橫向和垂向均已貫通水泥穩(wěn)定基層和瀝青碎石面層，水泥穩(wěn)定基層形成了長(zhǎng)度不等的相對(duì)獨(dú)立的受力板塊。一般開(kāi)裂地段裂縫間距在50-l00m之間，嚴(yán)重開(kāi)裂地段裂縫問(wèn)距在6-30m之間，裂縫寬度為1-5mm。一年后裂縫有少量增加和擴(kuò)展，裂縫數(shù)量在上年基礎(chǔ)增加5％-8％，縫寬普遍增大，一般為5mm，局部地段增加到l0mm。

　　由上可見(jiàn)，水泥穩(wěn)定基層完工后一年經(jīng)過(guò)一個(gè)夏秋雨季和冬春旱季。中期內(nèi)應(yīng)力裂縫基本形成，水泥穩(wěn)定基層內(nèi)90％-95％的內(nèi)應(yīng)力得到釋放和消減，原有內(nèi)應(yīng)力體系被打破而重新形成新的受力體系。

　　中期內(nèi)應(yīng)力裂縫產(chǎn)生的主要原因是：由于水泥穩(wěn)定碎石基層自身材料干縮和溫差應(yīng)變脹縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)水泥穩(wěn)定基層自身的極限抗拉強(qiáng)度，使其從強(qiáng)度薄弱斷面處產(chǎn)生斷裂。 中期內(nèi)應(yīng)力裂縫的特點(diǎn)是：橫裂多，縱裂少，裂縫規(guī)則順直，上下貫通但無(wú)垂向錯(cuò)位。

　　1.3后期荷載外力裂縫

　　隨著路面使用時(shí)間的延長(zhǎng)，橫向裂縫在不斷增加，縫寬在不斷增大，橫向裂縫在不斷附生縱向裂縫．最終形成網(wǎng)裂片區(qū)，最終半剛性基層瀝青路面發(fā)生早期結(jié)構(gòu)性破壞。中期內(nèi)應(yīng)力裂縫基本形成以后，水泥穩(wěn)定基層形成相對(duì)無(wú)限連續(xù)的簡(jiǎn)支板受力體系，即：長(zhǎng)度不同且相對(duì)獨(dú)立的水泥穩(wěn)定基層板塊，受底基層的支承，支承面強(qiáng)度高的部位形成相對(duì)支點(diǎn)，強(qiáng)度低的部位形成相對(duì)懸空。用相對(duì)懸空系數(shù)來(lái)反映板的懸空程度，當(dāng)系數(shù)為零時(shí)層間完全接觸，符合多層彈性體系理論；當(dāng)系數(shù)逐步增大時(shí)層問(wèn)接觸力逐步減弱，板處于相對(duì)連續(xù)的簡(jiǎn)支板受力體系；當(dāng)系數(shù)增至1時(shí)層間接觸力完全消失．板底完全懸空，水泥穩(wěn)定基層板塊處于絕對(duì)連續(xù)簡(jiǎn)支板受力體系。相對(duì)懸空跨度和相對(duì)懸空系數(shù)的大小與支承面彎沉值的變異系數(shù)有關(guān)，變異系數(shù)越大懸空程度越大，反之越小。當(dāng)產(chǎn)生中期應(yīng)裂縫后，裂縫處的路床強(qiáng)度在路面滲水的作用下逐步降低，裂縫兩邊的水泥穩(wěn)定基層逐步懸空形成相對(duì)懸臂板。

　　由于上述原因，在車(chē)輛荷載的作用下，水泥穩(wěn)定基層板塊不斷產(chǎn)生斷裂，發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞．并反射到面層。后期荷載外力裂縫的特點(diǎn)是：裂縫發(fā)展速度快，裂縫寬度大，裂縫呈不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥穩(wěn)定基層形成大小不等的獨(dú)立板塊，在車(chē)輛作用下旱季翹曲晃動(dòng)，雨季沉陷唧漿。

　　導(dǎo)致半剛性基層瀝青路面開(kāi)裂的因素很多。通過(guò)對(duì)基層瀝青路面的分析研究認(rèn)為，導(dǎo)致開(kāi)裂的因素主要有材料特性、車(chē)輛荷載與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、路基強(qiáng)度及其均勻性、底基層強(qiáng)度及其均勻性、自然環(huán)境等。水泥穩(wěn)定基層礦料的級(jí)配、細(xì)粉料含量、塑性指數(shù)，路面結(jié)構(gòu)組成及其厚度，車(chē)輛荷載的大小，路基和底基層的強(qiáng)度及其均勻性，地質(zhì)土質(zhì)，水文氣象等各方面的因素與半剛性基層瀝青路面的開(kāi)裂都有直接關(guān)系。

　　2裂縫防治措施

　　2.1提高路基穩(wěn)定性及其強(qiáng)度

　　路基要具有足夠的整體穩(wěn)定性、強(qiáng)度，否則將產(chǎn)生不均勻沉降，使路面發(fā)生開(kāi)裂。

　　2.1.1選線與設(shè)計(jì)

　　公路選線應(yīng)充分考慮地形地貌、地質(zhì)土質(zhì)的特殊情況，軟基不良地質(zhì)土質(zhì)地段。路基設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮影響影響路基穩(wěn)定性的各種因素。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)處理好投資與質(zhì)量的關(guān)系，節(jié)約投資是設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，但是不能因?yàn)闇p少投資而降低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。只要準(zhǔn)確掌握沿線地形地貌、地質(zhì)土質(zhì)、水文氣象資料，合理選線，設(shè)計(jì)到位，就能防止各種不利的自然因素對(duì)路基造成的危害，保證路基具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

　　2.1.2原地基處理

　　草皮樹(shù)根、地表松散的腐殖土要全部清理干凈；地面橫坡大于1：5的地段不論縱向還是橫向都要使用機(jī)械從上到下推成寬度不低于3m的土質(zhì)臺(tái)階。

　　遇到軟土地段首先要分析周?chē)�的地形地貌、地質(zhì)水文情況，采用探挖、鉆探等方法探準(zhǔn)軟土層的厚度和性質(zhì)，再確定處治方案。

　　2.1.3路基填筑

　　路基強(qiáng)度主要是在填筑過(guò)程中形成的，必須嚴(yán)格控制路基的填筑工藝，確保路基強(qiáng)度。填筑材料首選使用石、礫、砂類(lèi)土，其次選用含礫、砂低液限粘土．再次選用低液限粘土。粉制土和有機(jī)質(zhì)土不能用于填筑路基。

　　壓實(shí)度是反映路基強(qiáng)度的重要指標(biāo)，施工中必須嚴(yán)格檢測(cè)控制，使其達(dá)到規(guī)定值。

　　2.1.4路床以下80cm的強(qiáng)度

　　路床以下80的cm路基的關(guān)鍵部位，它直接承受和吸收路面的下傳力，要具有足夠的強(qiáng)度和均勻性。填方地段要采用較好的材料填筑，土質(zhì)差的挖方地段要進(jìn)行換填處理，確保其強(qiáng)度和均勻性。

　　2.2合理確保路面結(jié)構(gòu)及其厚度

　　合理的路面結(jié)構(gòu)組成以及合理的路面結(jié)構(gòu)厚度，要通過(guò)對(duì)路基彎沉值、回彈模量等強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)判，結(jié)合土質(zhì)類(lèi)型、潮濕程度、地下水位、車(chē)輛荷載等因素進(jìn)行綜合分析。

　　2.2.1路面結(jié)構(gòu)組成

　　從確保質(zhì)量、方便施工、節(jié)約投資的原則出發(fā)，一般采用3層結(jié)構(gòu)，即：底基層、基層、面層。

　　2.2.2路面結(jié)構(gòu)厚度

　　在確定路面結(jié)構(gòu)厚度時(shí)要以車(chē)輛荷載和路基強(qiáng)度為主要依據(jù)。

　　2.2.2.1車(chē)輛荷載

　　研究表明，半剛性材料在小于某一臨界荷載以下受力時(shí)，其應(yīng)力和變形足線性的，在臨界荷載以上受力時(shí)其應(yīng)力和變形是非線性的，并開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生永久變形。試驗(yàn)路段檢測(cè)表明：25cm厚的水泥穩(wěn)定基層，后軸重100kN時(shí)彎沉值為21(0.01mm)，160kN時(shí)彎沉值為37(0.01mm)(200m計(jì)算代表值）。重車(chē)的軸載數(shù)值和作用次數(shù)是導(dǎo)致路面發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞的主要因素。因此，路面設(shè)計(jì)應(yīng)考慮車(chē)輛超軸載數(shù)值、車(chē)輛沖擊力、車(chē)輛制動(dòng)力，確保路面具有足夠的承載力，避免水泥穩(wěn)定基層在車(chē)輛荷載作用下產(chǎn)生早期結(jié)構(gòu)性破壞。

　　2.2.2.2結(jié)構(gòu)厚度

　　路面厚度增加時(shí)，承載力迅速提高。在其它條件相同的情況下，水泥穩(wěn)定基層厚度從10cm增加到15cm，板底拉應(yīng)力減小一半；從15cm增加到20cm，板底拉應(yīng)力減小30％。由此看出，增加結(jié)構(gòu)層厚度是提高路面承載力的主要措施。

　　一般情況下，路基完工后實(shí)測(cè)彎沉值和回彈模量值與設(shè)計(jì)值差異很大。因此，必須根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)合實(shí)際水文地質(zhì)情況重新計(jì)算和確定路面結(jié)構(gòu)層厚度，即實(shí)施性路面設(shè)計(jì)。

　　2.3嚴(yán)格控制施工工藝

　　半剛性瀝青路面的裂縫有一部分是由于施工工藝控制不嚴(yán)造成的，因此在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制各分項(xiàng)工程的施工工藝，特別是關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工工藝。通過(guò)嚴(yán)格控制施工工藝，可以避免或減少裂縫的發(fā)生。

　　2.3.1底基層

　　從彎學(xué)值檢測(cè)結(jié)果可以表明一個(gè)結(jié)論：變異系數(shù)越小，強(qiáng)度越均勻；變異系統(tǒng)越大，強(qiáng)度差異越大。因此，采用彎沉值的變異系數(shù)來(lái)評(píng)判和控制強(qiáng)度的均勻性是合理的。變異系數(shù)的控制值應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)和車(chē)輛荷載而定。要使底基層的彎沉值變異系數(shù)減小，一是路床彎沉值的變異系數(shù)首先要��；二是碎石的級(jí)配要好，級(jí)配曲線要盡量集中；三是攤鋪時(shí)要避免偶然的粗集料集中或細(xì)集料集中；四是碾壓密實(shí)平整。使用未篩分級(jí)配碎石和河灘砂礫作為底基層時(shí)，由于其級(jí)配的不穩(wěn)定性，厚度不應(yīng)低于20cm，施工時(shí)必須嚴(yán)格控制以下各道工序：(1)選料、(2)裝運(yùn)、(3)鋪筑、(4)碾壓、(5)檢測(cè)、(6)通車(chē)。

　　2.3.2水泥穩(wěn)定碎石基層

　　為確保水泥穩(wěn)定基層的質(zhì)量，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到要求后再正式進(jìn)行鋪筑。作為半剛性路在膠凝材料的水泥，應(yīng)使用早期強(qiáng)度較低，初、終凝時(shí)間較長(zhǎng)的水泥。施工中的每一道工序?qū)λ�泥穩(wěn)定基層的質(zhì)量都有直接的影響，必須嚴(yán)格控制以下工序：(1)選料、(2)拌和、(3)攤鋪碾壓、(4)養(yǎng)生、(5)檢測(cè)、(6)通車(chē)。

　　2.4切縫加鋪土工布處理裂縫

　　在水泥穩(wěn)定碎石鋪筑7天后，沿公路縱向每20米切一道伸縮縫用截割機(jī)將水穩(wěn)碎石基層切深5—8厘米寬0．3—0．5厘米的縫．并對(duì)廢料全部清除干凈，用加熱好的瀝青灌入裂縫至滿為止，鋪筑土工布，澆灑透層油，半剛性基層斷裂后在溫差作用下發(fā)生重復(fù)伸縮應(yīng)力應(yīng)變，裂縫寬度不斷變化，其應(yīng)變值以斷口處為最大且向后逐步減小，切縫鋪土工布處理可以吸收消化大部分伸縮應(yīng)力和應(yīng)力，避免或延緩裂縫輻射到上面層。

　　2.5合理安排施工時(shí)間

　　水泥穩(wěn)定基層鋪筑后30d產(chǎn)生初期收縮裂縫，6個(gè)月基本完成中期應(yīng)力裂縫，根據(jù)這一特點(diǎn)，施工過(guò)程中應(yīng)預(yù)留兩階段裂縫時(shí)間：鋪筑水泥穩(wěn)定基層后預(yù)留30d初期收縮裂縫期，鋪筑上面層前預(yù)留180d中期內(nèi)應(yīng)力裂縫期。在鋪筑上面層之前對(duì)裂縫進(jìn)行一次全面處治，只要處理方法得當(dāng)，95％以上的裂縫可避免反射到上面層上，從而減少因路面水下滲影響中期強(qiáng)度導(dǎo)致的裂縫加速擴(kuò)展和發(fā)生早期結(jié)構(gòu)性破壞，延長(zhǎng)路面的使用期限。因此，合理安排工期是很必要的。

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