（道路与铁道工程专业论文）重载交通下等级路路基工作区深度的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在平原区，由于受土地资源的严重制约，等级公路路基标高普遍偏低，路基 填高一般在l m 左右，甚至更低。近年来，随着高速公路超载、超限车辆治理力 度的不断加大，造成等级公路的重载交通问题日益严重。本文通过大量调研等级 路路面结构病害特征及进行室内三轴试验，表明等级路路面结构的破坏主要与路 基支撑强度不足及重载作用密切相关，从而引起路面结构出现严重的反射裂缝及 道路车辙。而路基强度不足主要由于两个原因造成，一是路基标高普遍偏低，地 基也处于一定的受力状态；二是路基长期处于周围水环境影响下造成强度衰减严 重。因此，研究重载交通条件下路基工作区深度及相应的工程防治措施，对提高 等级路道路结构使用寿命具有十分重要的工程和现实意义。 为了揭示低路基标高对路面结构受力特征造成的不利影响，针对传统半刚性 路面结构和现行路基压实标准进行了有限元计算分析。结果表明，在重载条件下， 路基工作区深度可达天然地基以下3 - 5 m ，这使相当大一部分地基处于较大的受 力状态。因此，在重载交通的循环往复作用下，必然会引起很大的不均匀沉降变 形，对等级路的薄路面结构形式的受力非常不利，引起路面结构的早期破损。 为了改进等级路路面结构设计方法，有必要确定合理的工作区深度，但目前 常用的工作区深度公式过于概化而难以准确确定。因此，本文基于结构安定理论， 提出将路基工作区深度划分为弹性、弹性安定及塑性安定的划分模式。基于该方 法，分析了不同交通轴载时的路基工作区深度和累积沉降变形规律，结果表明， 在重载交通条件下，路基和地基未经过特殊处治时，路基的工作区深度达4 m 以 上，同时，路基累积沉降变形达3 0 c m 以上。 为了提高路基承载力、减小路基工作区深度和累积沉降变形量，研究了不同 地基、路基处治方法对路基工作区深度及路基累积沉降变形的影响规律，结果表 明，仅提高地基压实度虽然可较好的减小路面结构层底弯拉应力，但会造成路基 的不均匀沉降变形量增大；而通过对路基进行掺灰处治，且同时在2 m 深度范围 内提高地基压实度，可同时达到减小路基不均匀沉降变形、改善路面结构层受力 特征的双重效果。 关键词：等级公路；重载交通；工作区深度；累积沉降变形；路基处治 山东大学硕士学位论文 a b s t r a ct s u b g r a d ea n df o u n d a t i o na r et h eb a s i so fp a v e m e n ts t r u c t u r e i nt h ep l a i na r e a s ， b e c a u s eo ft h es e r i o u sc o n s t r a i n t so fl a n dr e s o u r c e s ，g e n e r a l l yl o we l e v a t i o no ft h e r o a ds u b g r a d eb e c o m e sc o m m o nw i t ht h es u b g r a d ef i l lo flmo rs o ，o re v e nl o w e r r e c e n t l y , w i t hi n c r e a s i n go v e r l o a d i n go fv e h i c l e s ，h e a v yr o a dt r a f f i cl e v e lh a sb e e n b e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s i nt h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r ea n dt h ee x i s t i n gp a v e m e n ts u b g r a d ec o m p a c t i o n s t a n d a r d s ，w h e no v e r l o a d i n gt h es u b g r a d ew o r ka r e ai s3t o5m e t e r sb e l o wt h en a t u r a l f o u n d a t i o n ，w h i c hm a k e sm u c ho ff o u n d a t i o nw o r ki nt h es c o p eo fs u b g r a d ew o r k a r e a a f t e rr e p e a t e dt r a f f i cl o a d ，al a r g er u t t i n ga n dn o n u n i f o r ms e r l e m e n tw i l lo c c u r m o r e o v e r , t h ep a v e m e n tl a y e ri s t h i n n e ra n dt h ep r e m a t u r ed a m a g ed u et ot h e d e f i c i e n ts u b g r a d eb e a r i n gi sm o r es e r i o u s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n ta n dr e a l i s t i c f o rt h ep a v e m e n te n g i n e e r i n gt oi n v e s t i g a t et h es u b g r a d ew o r ka r e ad e p t ha n di t s i m p a c tf a c t o r sa n dt h ee f f e c to nt h ep a v e m e n ts t r u c t u r e b a s e do no n eg r a d eh i g h w a yr e b u i l d i n gi nt h es o u t ho fs h a n d o n gp r o v i n c e ，t h i s r e s e a r c ha n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fd a m a g ei nt h i sd i s t r i c tb yi n p l a c es u r v e ya n d i n s p e c ta n di n - l a be x p e r i m e n t s o n en e wm e t h o dt od i v i d et h es u b g r a d ew o r ka r e ai s p r o p o s e df r o mt h ev i e w p o i n to ft h a ts u b g r a d em a t e r i a li so n ee l a s t i c - p l a s t i cm a t e r i a l t h i sr e s e a r c ha n a l y z e dt h es u b g r a d ew o r ka r e ad e p t ha n da c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta t d i f f e r e n tl o a da x l ei nt h ep r e s e n ts u b g r a d ec o m p a c t i o ns t a n d a r d sa n dt r a d i t i o n a l p a v e m e n ts t r u c t u r er e s p e c t i v e l y a l s ot h i sr e s e a r c hi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n t s u b g r a d et r e a t m e n tm e t h o d so nt h es u b g r a d ew o r k a r e ad e p t ha n ds u b g r a d e a c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta n ds o m em e a s u r e sa r es u g g e s t e do nh o wt or e d u c et h e s u b g r a d ew o r ka r e ad e p t ha n da c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta n di n c r e a s et h es u b g r a d e b e a r i n go ff o u n d a t i o n t h i s r e s e a r c hs u g g e s t st h a ti nt h ec o n d i t i o no fh e a v yt r a f f i c ，b e f o r et h e s u b g r a d ea n df o u n d a t i o nw e r et r e a t e d ，t h es u b g r a d ew o r ka r e ad e p t hi so v e r4 ma n da l a r g es c o p eb e l o wt h ef o u n d a t i o ni si nt h es u b g r a d ew o r ka r e a ；w h e nt h ea c c u m u l a t i v e 山东大学硕士学位论文 s u b g r a d es e t t l e m e n ti sm o r et h a n3 0 e m ，l u r i n gw i l lo c c u r se a s i l y , r e s u l t i n gi n c r a c k i n go f t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ew h i c hs h o w st h a tt h eb e a r i n go fs u b g r a d ei sn o t e n o u g hs e r i o u s l y a f t e rc o m p a c t i o no fn a t u r a lf o u n d a t i o na n dt r e a t m e n to fs u b g r a d e b yl i m e s t o n e ，t h es u b g r a d ew o r ka r e ad e p t ha n da c c u m u l a t i v es e t t l e m e n td e c r e a s ea n d t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ei m p r o v e sg r e a t l y , w h i c hs h o wt h a tt h et r e a t m e n tm e t h o di s k e yw o r d s ：g r a d eh i g h w a y , h e a v yt r a f f i c ，w o r ka r e ad e p t h ，a c c u m u l a t i v es e t t l e m e n t , s u b g r a d et r e a t m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签醯蕴日 l 一 ， 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着我国经济建设的快速发展，我国的道路工程建设也得到了蓬勃发展， 不仅表现在高速公路通车里程的迅猛增长，等级公路网也初具规模。大量的等级 道路建成通车以后，承担着繁重的运输任务，为我国经济建设和社会发展做出了 重大贡献。 路基是路面结构的支承体，车轮荷载通过路面结构传至路基，所以路基土 的应力应变特性对路面结构的整体强度和刚度有很大影响。路面结构的损坏， 除了它自身的原因之外，路基的变形过大是重要原因之一。前期调研及有限元计 算均表明，在大量的等级路建设中，由于受成本制约，一般结构层较薄、路基标 高严重偏低，而且路基和地基的压实标准也偏低，造成整个路基和一定深度的地 基都处于路基工作区范围内，路基的支撑强度和刚度严重不足。特别在重载交通 条件下，路基的工作区深度加大，造成通车后较短时间内即出现路面开裂、唧浆 等早期病害，从而加速了路面结构病害的发生、发展，造成后期路面维修费用较 大。 同时，山东省广泛分布的黄河冲积平原区，地下水位普遍较高。在行车荷 载的振动作用下，外界水分逐渐渗入路基内部；再加上毛细水上升等因素的影响， 造成路基湿度大，一般都处于过湿状态，土体强度发生衰减，路基压实度进一步 降低。行车荷载作用下，路基变形增大，基层底部拉应力也相应增大，引起早期 反射裂缝的出现，路面结构层的疲劳寿命显著降低。 以上两方面因素表明，在重载交通条件下以及高地下水位的影响下，等级 公路路基的支撑强度严重不足，而路面支撑体系的强度和刚度是重载交通条件下 影响路面结构耐久性的关键因素。因此，有必要针对重载交通条件下等级路的影 响深度和工作区深度进行深入的研究，分析不同土质条件下、不同路基标高下、 不同路基和地基压实标准下的路面结构受力特征，提出路基和地基的处置方案及 合理压实标准，从根本上解决重载交通条件下等级公路路面结构的早期损坏。 与高速公路相比，我国低等级公路所占的比重偏高，路面等级低，通行能 山东大学硕士学位论文 力差。经过十多年的通车运营之后，特别随着重载车辆的同益增多，大量的等级 道路路面破坏已非常严重，急需改建。因此，本课题的提出和解决对于延长改建 路路面结构层疲劳寿命，减少等级路早期病害，降低道路养护费用，节约资源都 具有显著的理论和工程意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 等级路改扩建方面路面结构支撑体系的研究现状 在等级公路改、扩建方面，国内部分学者和工程技术人员从理论计算和工程 实际方面对因道路加宽导致的路面结构纵向开裂问题作了详细的研究，其中重点 研究了新旧路基间的衔接技术，并提出了许多解决措施，取得了良好的工程效果。 新老路基拼接的处理措施主要有：边坡削坡和台阶开挖、土工合成材料的应用、 强夯和冲击碾压等的运用、路堤的压实度控制、采用高强度的路基填料等等。为 了使加宽部分路堤和既有道路紧密衔接形成整体，减少新老路堤的不均匀沉降， 防止路面开裂，扩建工程中经常采用土工合成材料处理。j u h a f o r s m a n 和 v e l i m a t t iu o t i n e n ( 1 9 9 9 ) e 1 1 、杨茂等( 2 0 0 1 ) 【2 1 、李钱平等( 2 0 0 1 ) 3 】等都成功地将土工 合成材料应用于软土地基上公路的改建工程中，现场实测和有限元分析结果表明 使用土工合成材料可以有效地加强新傍填路基与既有路基的整体性、提高地基的 承载力和解决路基的不均匀沉降；可以降低由于路堤自重引起的水平应力，从而 减少水平位移，有效地防止路面开裂。山东大学结合威乳高速公路旧路改造老路 基利用问题，研究了利用旧路修建高速公路引起的不均匀沉降规律和机理，为地 基的处理、路堤的加固提供指导性建议，利用强夯对新老路基结合部进行处理， 提出一种普适的强夯夯实路堤的质量控制标准，即提出一种能适用于不同土性的 止夯标准。 1 2 2 高速公路路面结构支撑体系研究现状 国内、外学者针对高速公路的路面结构支撑体系( 路基、地基) 的压实标准、 沉降规律等作了大量的研究。吉林大学建设工程学院付魏【4 1 等对几种比较典型的 压实填土沉降特性进行研究，对每种土样分别在不同密实度、分级荷载应力作用 2 山东大学硕士学位论文 下进行压缩试验，掌握其沉降变形特性。认为高填方路堤的沉降是因压实不足所 致，而不是固结沉降结果所致。山东大学的刘卫民【5 】从理论上对现行路基压实标 准和新标准进行了对比分析研究，指出提高路基压实标准能有效降低路基的沉降 变形，可以在一定程度上降低沥青路面弯沉，改善路面结构受力状况，并在一定 程度上降低车辆超载超限的危害。对高填方路基，提高路基压实标准十分必要。 重庆交通学院的王深艳【6 】通过理论分析认为，路堤压实度越高，其后期工后沉降 量越小。因此提高路堤压实度，是减小工后沉降量的一个有效措施。西南交通大 学土木工程学院的廖军等建议采用数值模拟方法对检测路段进行分析计算，以作 为监测方法和检测仪器选择的依据。东南大学交通学院的周虎鑫【_ 7 】等从公路路面 功能性指标、结构性指标两个方面阐述了在软土路基上修筑高等级公路路面容许 不均匀沉降指标，确定出不均匀沉降指标为0 4 。当不均匀沉降控制在0 4 以 内，既不会导致路面功能性破坏，也不会使路面结构解体而破坏。山东大学还结 合青银高速公路、滨大高速的建设，研究了黄泛区高填方情况下路基和地基的压 实标准、沉降规律及施工工艺等问题。但是对于大量的填方较高的高速公路支撑 体系的研究成果并不能应用到由于受到土地资源以及投入等方面制约的填方较 低的等级公路的建设上。国内外对于低填方的等级路路面结构支撑体系的刚度和 强度的研究较少，路基和地基施工压实标准缺乏必要的研究。由于填方较低，且 超载现象十分严重，致使路基甚至地基的一部分都处于路基工作区内。对于路基 的工作区深度的研究成果，国内外可参考的资料很少，不同交通条件下路基工作 区和影响区的概念也很模糊。郭兰英等( 2 0 0 6 ) 8 】分别计算了重型车( 如黄河 j d 1 5 0 型) 、中型车( 解放c a 1 0 b 型) 、轻型车( 如跃进n j 1 3 0 型) 的路基影 响区深度，但并没有进一步研究超载情况下的路基的工作区深度。由于等级路填 方较低，有些地区地下水位较高，路基长期处于过湿状态，路基的承载力明显不 足。而地下水对道路路面结构及其支撑体系的影响方面的研究大多集中在道路冻 涨和翻浆的机理和影响因素等方面。张旭( 2 0 0 5 ) 1 9 1 等根据大量试验分析了影响 路基土的冻胀因素，根据其结果提出了公路路基土季节性冻胀分类及其分类的判 定条件。刘成芬( 2 0 0 5 ) 0 0 】等也对路基翻浆的产生机理及影响因素进行了详细的 阐述，提出了道路翻浆的预防原则和防治对策。另外，虽然林杨锴( 2 0 0 6 ) f l l j 通过分析浸水路基病害的成因，从换填填料、提高承载力与堤岸防护方面提出对 山东大学硕士学位论文 浸水路基的防治，但也未能对路基强度衰减后对等级路路面结构受力特征的影响 进行分析。 总之，近年来，国内外针对高速公路沥青类路面结构与材料进行了大量研究 和实践，而对等级公路路面结构、材料及其支撑体系的研究报道很少。仅有的研 究主要集中于道路改扩建中新旧路基不协调变形的特征规律和沉降差异导致的 路面结构开裂。对于等级公路沥青类路面结构早期病害的机理、原因，重载交通 下路面结构受力及疲劳破坏规律，路面结构组合与材料的合理性等，缺乏深入、 系统的分析研究。山东大学针对高速公路的路面结构支撑体系( 路基、地基) 的 压实标准、沉降规律、施工工艺等开展了大量研究。对于路面结构支撑体系的研 究相对较少，特别是对重载交通条件下等级公路支撑体系及其路面结构受力规 律、高地下水位对等级路面结构的支撑体系的影响规律、不同交通轴载情况下路 基的工作区深度等尚缺乏进一步的研究。 1 3 本课题的研究内容及技术路线 本课题依托山东南部某地区等级道路支撑体系对路面结构耐久性影响的研 究项目，考虑该地区的自然环境、水文、地质条件、荷载和交通状况等因素，主 要研究内容及技术路线如下： 1 、研究等级路路面病害特征及成因 对该地区等级公路进行全面调查，重点研究该地区由于路面支撑体系强度不 足等原因造成的等级公路病害，分析病害机理 2 、研究路基工作区确定方法 分析现行路基工作区划分方法存在的问题。为了更合理的反映路基变形规律 及影响因素，基于结构安定理论，提出等级路路基工作区深度的确定新方法。 3 、研究不同压实度条件下粉土路基强度 针对山东省广泛分布的粉土，进行不同压实度条件下的三轴压缩试验，确定 其弹性模量、屈服强度、破坏强度等指标，为有限元计算提供数据参考。 4 、研究粉土路基累积变形规律 针对不同轴载条件，分析路基的动应力水平，研究不同轴次下粉土路基的累 积变形规律，为路基工作区深度范围内的处治方法提供控制指标。 4 山东大学硕士学位论文 5 、研究重载条件下等级路路基及地基处治技术 基于路面结构层底弯拉应力与路基不均匀沉降两类控制指标，对比分析不同 轴载、不同路基及地基处治方式下的路面结构受力特征及路基累积变形规律，提 出合理的处治技术，为等级路的设计、施工提供参考。 1 5 课题研究的应用前景 由于受成本制约的薄的路面结构，软的路面结构支撑体系，等级路支撑体系 的刚度、水和温度稳定性等是导致等级出现早期病害、影响等级路使用耐久性的 关键因素。这些问题主要涉及路基干湿状态、交通组成特点下的路基工作区与影 响区临界高度和提高路面结构支撑刚度的经济措施。这些都涉及等级路路基与地 基设计的理论与技术创新问题，这些问题的解决，将会根本上解决重载下的等级 路路面结构疲劳耐久性问题，对于延长结构层疲劳寿命，减少等级路病害，减少 道路养护费用都具有明显的理论和实践意义。 一 5 坐查奎兰堡圭兰竺兰兰 第二章典型半刚性等级路面结构损坏分析 2 1 山东南部某地区地域环境概况 浚区地处鲁中南山地丘陵与鲁西南黄泛、f 原的交接地带，地貌以平原、洼地 为主，其他为湖泊、山地和丘陵。境内各界地层均有发育，其岩石类型：前古生 界主要为中高级变质泰l i i 群杂岩，其次为岩浆岩：古生界寒武系为中薄层扶岩、 泥扶岩和央页岩。奥陶系为白石质扶岩、泥灰岩平丌纯扶岩。石炭系则以狄色页岩 为主。二叠系为砂岩、砂质页岩、粘土质_ ! i ( 岩及泥质页岩夹数层煤：中生界为细 砂岩、砂砾岩等；新生界第三系为砂岩、砂砾岩、泥岩及顶部钙质土或结核层 第四系地层则为松散矿物颗粒所构成。 2 2 等级路路面典型结构型病害 通过调研，可以把该地区内等级公路路血破坏的主要形式归纳为以下几种： 2 2 1 网裂和坑槽 图2 - 19 2 年通车传统的嘲裂，已形成块状 裂缝。 图2 - 16 k + 1 7 州k + 1 8 0 段，局部疲劳破坏 圈2 - 3 某段9 2 年通车。 当奎奎兰鎏圭兰竺鲨兰 这种破坏主要发生在左右轮迹带上，严重的路段表现为网裂裂块小，裂缝大， 并伴有明显的坑槽。这些路段的网裂在行车和雨水的作用下，会逐渐松散并形成 大量的坑洞，严重影响行车的安全性。通过弯沉捡澳4 及地质钻探调查发现，明显 网裂及坑槽的路段大多弯沉不是很大，基层、底基层芯样完好说明这类破坏属 于疲劳破坏。 2 2 2 横缝 图2 一某段，2 0 0 0 年通车路面结构：6 t m 沥青掘凝土+ 透层+ 1 6 c m 水泥粉煤灰碎石+ 4 0 c m 石灰土。土质：高液限粘土。快车道中央，路基有沉陷。填方：l 0 9 m 表积水位：1 1 5 m 。 这些横向裂缝有的贯通路面的半幅，严重的甚至双幅路面部被贯通。横缝产 生的原因主要是干缩温缩。基层施工时，由于养生不好，会由于水分快速增发引 起基层干缩裂缝，然后反射到沥青面层。另外地表温度在短时间内骤降，会使沥 青面曾从表面开始产生温度收缩裂缝，在行车荷载的作用下，特别是重载交通的 作用，裂缝向下继续延伸并逐渐贯穿整个沥青面层。 2 2 2 结构性车辙及纵缝 图2 - 5 某线的1 2 c m 车辙沉陷及开裂 i lj 尔人学硕士学位论文 圈2 - 6 某段，南半幅( 新建) 建于2 0 0 0 年北半幅( 老路改建) 建于2 0 0 1 年，路面结 构 6 c m 沥青混凝土+ 透层+ 1 6 c m 水泥粉煤灰碎石+ 3 2 c m 石灰土填方1 5 m ，地下水位 1 _ l m 路基、路面结构均有问题。 这形路段还伴有明显的唧浆现象，通过弯沉检测及地质钻探调查发现，明显 沉陷和纵缝严重的路段太多弯沉明显偏大，基层、底基层芯样破碎，说明这类破 坏属于结构性破坏。路基承载力不足，超载超限车辆的作用和较差的路面结构施 工质量是造成纵向开裂的主要原因。 2 2 3 扩宽车道接缝破坏 据分析由于车道扩宽时接缝未得到有效处理，在新旧路基压实度不均匀的 情况下，随着行车荷载的作用，接缝很快被拉裂。从而导致雨水从缝中进入路面 结构层，甚至通过结构层进入路基。在大量行车荷载作用下，自由水产生很大压 力并冲刷基层混台料表面的细料，形成唧浆现象。随着唧浆病害的发展，缝隙周 围的基层、底基层细料逐渐被淘空，便导致了路面的沉陷。 山东大学硕士学位论文 2 3 路面破损及原因分析【1 2 l f l 3 1 2 3 1 裂缝 半刚性沥青路面的开裂是等级路最普遍的病害形式，只是不同的道路裂缝 发生的时间与形式有所区别。我国半刚性等级路路面裂缝主要有以下形式【1 4 】： 1 、横向裂缝：包括温缩裂缝及半刚性基层的反射裂缝； 2 、纵向裂缝和网裂：包括自下而上的疲劳裂缝与自上而下的表面裂缝。 一、横向裂缝 l 、温缩裂缝 一般认为，沥青路面的低温开裂有两种机理，一种是气温骤降造成面层温度 收缩，在有约束的沥青面层内产生的温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度造成开 裂。由于沥青混合料具有良好的应力松弛性能，温度产生的变形不至于产生过高 的温度应力，当气温骤降时，由于沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长， 温度应力超过混合料的极限拉伸应变，就会产生开裂。另一种机理是温度疲劳开 裂，气温的反复升降导致沥青混合料的温度应力疲劳和混合料的极限拉伸应变减 小，应力松弛性能降低，进而导致在并不太大的温度应力下即发生开裂。沥青路 面抗温度疲劳开裂性能可以通过沥青改性进行改善。 2 、反射裂缝 半刚性路面的水硬性结合料基层一方面具有较高的强度和扩散荷载的能力， 降低了路基上部的垂直压应力；另一方面，不合理的矿料级配与配合比设计导致 了过高的半刚性基层强度，进而导致基层集中承重，产生较多的干缩、温缩开裂。 开裂以后反射到面层，雨水会沿裂缝下渗，由于半刚性材料的沁水性，层间巨大 的动水压力一方面击穿面层引起面层水损害，另一方面造成层间界面的冲刷破 坏，进一步恶化了层间连接条件，导致了结构应力响应的变化。如果水下渗到路 基，会降低路基的承载能力，基层和底基层材料在荷载动水压力作用下会产生唧 浆现象，进一步降低路面的承载能力，使半刚性基层沥青路面发生各种病害。 大部分横向裂缝是由于半刚性基层的温缩干缩，或者已经开裂了的半刚性基 层在裂缝部位的应力集中与沥青面层的低温收缩、荷载作用产生的综合作用。 一 9 当銮奎兰堡圭兰堡丝耋 二、纵向裂缝和网裂 1 、自1 f 而上的疲劳裂缝( 网裂) 自下而上的疲劳裂缝与网裂是常见的开裂方式，其力学图式如图2 - 1 所示。 通常以沥青层的层底拉应变( 控制疲劳开裂) 、土基表面压应变、表面的剪应力 ( 控制车辙和) t 裂) 作为设计评价指标。当沥青层的层底拉应变大于极限拉伸应 变时，路面将发生损坏，这是典型的结构损坏，这也是目前世界各国普遍采用的 路面设计控制指标。我国半剐性等级路形成纵向裂缝及网裂的原因十分复杂。一 般而言，过强的基层、偏薄的路面结构、较软的土壤支撑与严重的超载交通等是 主导因素，其中尤以路基、地基的承载能力不足造成的后果最为严重。 2 、自上而下的表面裂缝 近年来，出现了一种新型的开裂，裂缝从路表面开始向下扩展，形成表面剪 切裂缝。这主要是因为在荷载作用下，沥青面层与半刚性基层不能良好的协 同工作，沥青层应力不能通过基层向下传递，超重的荷载、较慢的车速在路表面 形成巨大的剪应力，基层刚度越大，面层剪应力也越大，形成了疲劳剪切开裂。 在目前薄沥青层等级路上，探索应对重荷载的结构模式是遏制开裂的出路。 三、裂缝产生的原因分析 产生裂缝的原因很多，以下主要从路面结构、超载、路面结构支撑体系、 材料等方面进行分析。 1 、面层过薄 对等级路而言，过薄的路面结构层，特别是面层难以抵抗疲劳、反射和温 缩破坏。从力学结构计算的角度讲，我国半刚性基层路面的设计厚度都是满足结 生奎奎兰翌圭兰竺兰兰 构受力要求的。但是，路面力学结构计算的各种假定和前提并不完全符合路面结 构的行为过程。这导致了无法避免路面结构的早期开裂。而路面结构一旦开裂， 路面结构的受力状况将会发生巨大的改变，并随之带来严重的水损害。最终，路 面结构会加速破坏。最简单的处理方式，是将传统意义上的面层加厚，或将传统 意义上的上基层采用沥青稳定碎石，这就是国外通常采用的路面结构。当然，面 层结构的厚度并不是说越厚越好。根据永久性路面的设计理论，当面层结构的有 效厚度使得面层底部的弯拉应变小于临界弯拉应变( 6 5 7 0 微应变) 时，或路基 顶部的垂直压应变小于2 0 0 微应变时，路面的使用年限可以达到5 0 年以上，此 时再增加路面的厚度将是无效的或经济上不合算的。这一面层厚度一般大于 2 0 c m 。 对于等级路而言，问题是路面的面层厚度明显偏薄。其结果是抗疲劳性能 差，防反射能力差，抵抗温缩的能力低。所调研的几条2 0 0 0 年后修建的等级路 面层厚度一般为6 c m ，岚济线邹城东南环最厚也仅有9 c m ，但现场调研的情况显 示，其路况要明显比其他几条等级路好。 增大路面结构层厚度对于防止基层裂缝向上传递是有效的，国外通常认为 此有效厚度是1 5 c m 。 2 、超载超限 济宁地区是山东省煤炭亩产区，又是平原与山区的过渡地段大量的运煤车 辆和砂石料过境车辆构成了严重超载的交通组成。我国轴载标准为1 0 0 k n ，而 等级道路上载重1 0 0 吨的车辆己很常见，严重的超载车辆甚至达到3 0 0 吨以上。 图2 - 9 山东大学硕士学位论文 一般来讲，超载车对于路面的损坏首先体现在轴载换算次数上，在1 9 6 3 年 年的a a s h o 试验路研究成果中【1 5 】，交通荷载的换算以式( 2 1 ) 表示： n ：( 旦) ” ( 2 1 ) p 对于柔性基层，换算指数n = 4 。我国的半刚性公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) 1 6 】中，没有区别基层类型，统一规定当以设计弯沉值为指标及沥青层层 底拉应力验算时，大于2 5 k n 的荷载轴次按式( 2 2 ) 换算： n ：e c l c 2 n i ( 旦) 4 3 5 ( 2 2 ) p 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，大于5 0 k n 的荷载轴次按式( 2 3 ) 换算： n ：c 1 c 2 胛l ( 旦) 8 ( 2 3 ) p 考虑早期损坏n 值通常取4 1 0 。我国普遍认为，对于半刚性基层，随着上下层 模量比的不同，标准轴载换算指数n 变化在4 1 5 之间。一辆后轴重分别为3 0 0 k n 的超载车换算成1 0 0 k n 的标准轴重，当半刚性基层水泥剂量大、强度较高时， 其轴载可达数千甚至几十万辆；通过几辆这样的超载车就意味着路面已经达到了 设计年限。对于等级路来说，由于路面结构层偏薄，在严重超载作用下也可能发 生一次性破坏。而对于柔性基层，通过一辆相同轴重的超载车，只相当于8 1 辆 标准车通过的效果。 超载情况下车轮对路面的剪切作用是决不可忽视的。荷载与路面的接触压力 通常被假定为圆形均布，随着重型车辆的增加，均布的假设造成了较大的偏差。 同济大学的研究结果显示，在超载作用下，尽管轮胎的中心触地压力接近额定值， 但轮胎边缘的触地压力可高达额定压力的三倍以上；高的压力作用在高强的水稳 基层，剪切疲劳破坏便由此产生。 3 、路基的承载能力 路基是路面结构的基床，支撑着路面结构，承受着由路面传来的荷载，当路 基填高s 1 5 m 时，还将一部分轮载传递到地基。路基和地基的强度、变形和稳定 性，对路面结构的寿命产生重要影响。在调研的新老路段中，严重的纵缝、网裂 1 2 山东大学硕士学位论文 几乎都与路基、地基的支撑强度有关。 路基压实度要求表2 1 路床顶面以 路基压实度( ) 填挖类别 下深度( m ) 高速公路、一级公路二级公路三、四级公路 o o 3 0 9 4 零填及挖方 o o 8 0 9 6 9 5 o o 8 0 9 6 9 5 9 4 填方o 8 0 1 5 0 9 4 9 4 9 3 1 5 0 9 3 9 2 9 0 路基的压实度是决定路基强度、变形与稳定性的关键因素。无论采用柔性还 是半刚性基层，路基在不同行车荷载、不同填筑高度、不同路面结构下的应力、 应变和位移都对面层结构的受力，特别是弯拉应力产生最直接的影响，并最终影 响路面使用疲劳寿命。路基填筑时的密实度是保证路面均匀支撑、控制运营期的 变形、提高路面抗疲劳开裂的关键和最经济有效的技术措施。表2 5 是我国现行 公路工程技术标准( j t jb 0 1 2 0 0 3 ) 对路基压实度的要求【1 9 1 。 采用a a s h t 0 1 9 9 3 1 5 】年的设计指南方法对其试验路进行疲劳寿命验算显 示，无论是半刚性基层路面还是柔性路面，当路基土的模量e 由3 0 m p a 增加到 4 0 m p a 后，路面结构的疲劳寿命一般增加一倍左右，这显示了路基压实的极端 重要性。经验证明，当路基e 小于3 0 m p a 时，结构性车辙将不可避免。 等级路重车多、车速慢、路基填高低，更应该提高路基的压实度。如果路基 的压实情况不够理想，可以考虑对路基进行处理。从调研的情况来看，等级路改 造中大部分路基的压实是满足要求的，特别是有的等级路路面结构下保留了原有 的路面结构层，使得新结构层的支撑条件得到了充分的保障。如g 3 2 7 泗水段路 基的模量达到8 0 m p a ，g 1 0 5 金乡南段和枣曹线微山南段的路基模量也达到 6 0 m p a 。值得肯定的是，对部分支撑条件相对较差的路基采用灰土处理上部 8 0 c m ，这对于提高路面的疲劳寿命是极为有利的。 4 、材料及其配合比的影响 路面材料的质量湿影响路面结构质量的重要因素之一，其中涉及到沥青面层 的材料、基层材料和底基层的材料。 1 3 山东大学硕士学位论文 面层材料 沥青混合料中沥青含量试验( 离心抽提仪法)表2 4 试样编号 1 a - 1 1 1 a 1 2 1 a 1 31 a 3 17 b 3 1 7 b 3 2 沥青含量 ( ) 5 1 55 7 66 9 24 94 9 96 0 2 油石比 ( ) 5 4 36 1 17 4 4 5 1 55 2 56 4 0 窭 篓 | 蚕 兰：爱二f 嚣黧象瞧j j i 二_ 卜一7 i - 吨a 。3 - 3 2 - i - a - 3 - 耋釜纂芸黧冀 9 、 ，j 铲一_ 。j 。一j 衬碜镪蝼、一j 鸹 一e乡多7 j j ，? 痧习 ，吧 奄 j 乒 ，： 匕囊等。，。，。j 矗。i _ 一j 。勰j 杂 o1234 筛孑l 尺, - y ( m ) 图2 1 0 沥青混合料组成矿料级配曲线 道路面层铺筑的材料大部分都是沥青混合料，直接承受车辆荷载的作用， 故首先应具备一定的力学强度和车辆行驶性能。除了交通的作用外，路面还受到 各种自然因素的影响，因此还必须具备抵抗自然因素作用的耐久性。沥青混合料 在路面结构中产生的破坏主要是高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩而产 生推挤现象，以及低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝现象。面层原 材料的质量、沥青混合料的组成、矿料的级配都直接影响路面结构的开裂情况， 其中，设计和施工时沥青混合料的油石比和矿料级配都是关键因素。下表是部分 芯样抽提试验的结果。图2 1 4 显示，试件的级配曲线不符合现行公路沥青路 面施工技术规范( j t g f 4 0 - - - 2 0 0 4 ) 要求的各筛孔通过率和“s ”型级配曲线，甚 至不符合修建时执行的公路沥青路面施工技术规范( j t g 0 3 2 9 4 ) ，级配明 显偏粗。室内试验沥青含量等的平均值为5 5 一5 7 ，明显偏高，会造成空隙 率偏小，饱和度偏大，路面容易出现车辙【2 4 1 。 基层和底基层材料 1 4 言：鲫加驰加加。 山东大学硕士学位论文 曼皇量曼曼舅皇曼曼寡曼曼曼曼量皇量皇曼曼曼i i； i i i i i i f 水泥稳定碎石、二灰碎石和水泥石灰土碎石是该地区常用的路面基层材料。 半刚性基层的强度一方面来源于胶结料的胶结作用，另一方面来源于材料的级配 和骨料配比形成的嵌挤或密实作用。工程中对水泥的胶结作用往往过分依赖，而 忽视了碎石级配的作用，为了形成高强的基层，过分增加水泥剂量，而并不重视 碎石级配的调整。其后果是基层强度提高了，却出现了严重的干缩裂缝、反射裂 缝和水损害，反而降低了整体路面结构的使用寿命。 在基层材料结构方面，悬浮密实型结构的强度主要依靠水泥等无机结合料稳 定集料，其关键是水泥的质量和剂量；而嵌挤密实型的强度在相当程度上是依靠 集料之间的嵌挤，水泥稳定集料在其间首先是一种填充料，然后才是胶结作用。 灰土碎石是济宁市一种传统的路面基层材料，目前正在逐步被淘汰，但是其良好 的使用状况应该引起我们的注意，作为一种介于半刚性和柔性之间的基层材料， 其强度机理、材料配比和碎石级配也值得我们继续研究。 2 3 2 水损害 近年来，随着交通轴重和交通量的不断增加，道路水损坏也越来越受到各个 国家的重视。特别是半刚性路面水损害发生时间早、发展速度快、对路面结构危 害严重，且发生后难以修复等问题更是引起了人们的关注。 一、路面进水状况 从调研等级道路来看，近年来通车的等级路裂缝出现的较早，由裂缝引起的 水损害尤其严重。沥青层内部存在空隙，路面的水必然会渗进去，根据渗入水的 形态和去处，目前存在三种路面： 表面层 中下层 垫坠兰竖山k 基层、底基层 路基 a ) 排水式路面) 件水a 跆删 了1 f t i ；ii ii l ； ； i ； ； ! ! ! 夏 b 1 透水式路面 图2 1 1 路面分类图示 c 1 密水式路面 当奎奎耋堡圭兰竺望兰 ( i ) 排水式路面。雨水进入路面的表面层后，不能进入中、下面层，但能 从表面层横向很快排出去，其条件式表面层具有足够大的空隙，水进入路面内的 通道后不致存住，空隙率一般在1 5 以上。排水式路面要求沥青与集料有非常 好的粘结性能，且下面必须有非常致密的沥青层或者封层，水只能从表面层排走， 而不会影响下卧层和基层。 ( 2 ) 透水性路面。耐水进入路面后，不断下渗直至基层、路基中。 ( 3 ) 密水式路面。进入路面的水既不能完全排走，也不能渗入基层及路基 中，而只能存留于沥青层中。其主要特点是沥青层的空隙率必须控制在8 以下， 进入沥青层的水基本上是以毛细水的方式存在，汽车荷载产生的真空吸力一般不 产生太的动水压力，不形成沥青膜的剥离，不会发生大的水损害。 二、水损害原因 m 垃表面裂隙镕 图2 1 2 水进入路面结构图示 水损害的发生主要取决于三个因素：一是水源，二是水进入路面结构的通道 ( 如图2 - 1 2 所示) ，三是路面结构抗水损坏的能力。在半刚性等级路中，路面裂 缝会改变结构的受力状况，并不一定引起严重的早期损坏，但是如果伴随发生比 较严重的水损坏，那么接下来路面早期损坏的发生就难以避免了。各种不同的路 面结构的水损坏有明显的差别，按照水损坏首先发生的位置和顺序，可以分为两 大类：自上而下的表面层水损坏和自下而上的水损坏。 自上而下的水损坏通常发生在道路运营的初期，局限于表面层的松散和坑 槽。它是一个在水分的作用条件下，经过交通荷载和温度胀缩的反复作用，水分 逐步侵入到沥青与集料的界面上，在有水动力作用下，沥青膜逐渐地从集料表而 山东大学硕士学位论文 剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生沥青面层破坏的过程。在降雨过程中， 雨水首先渗入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中，当下层的沥青混合料密水性 好，向下渗透比较困难时，在大量高速行车的作用下，反复产生动水压力逐渐使 沥青从集料表面剥离，局部沥青混凝土松散，碎石随即被甩出，路面产生坑槽。 这种水损坏的先决条件是水的存在，同时存在外力作用的环境。汽车荷载的压应 力和高速行驶产生的真空吸力形成剪应力的反复泵吸作用，使沥青膜从剥离发展 到松散、掉粒、坑槽。损坏的进程与荷载的大小、频度有关。在初始阶段，集料 与集料之间发生剪切滑移，伴有沥青膜移动和脱离，剪切应力超过沥青与集料的 粘附力导致附着力伤失，旦有充足的水大量地从裂缝和大的孔隙中迅速渗入达 到饱和，经行车反复泵吸就很快造成沥青膜剥离的环境，成为水损坏的典型模式。 另外，沥青混合料中涂敷沥青的集料颗粒遭遇水的浸泡后，由于水具有很强的表 面张力和浸润性，可以沥青自发的乳化作用进入并穿透沥青膜侵入沥青集料界 面上，并最终将沥青膜取代。如果界面上包含有乳化剂时，集料表面的沥青膜有 可能比一般情况更容易乳化。 另一种是自下而上的水损坏。当半刚性基层沥青路面的沥青层较薄时，沥青 路面的水损坏经常是自下而上发展的。根据水进入路面结构层内渠道的不同，这 种水损害可以分为三种情况：一是由面层的空隙进入结构层，等级路的沥青层较 薄，水进入沥青路面层是不可避免的；二是面层的裂缝为水的进入提供通道，大 量的水