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既有公路改造过程中产生路面纵向裂缝的原因

作者:双核期刊发表网; 更新时间:2018-04-18
摘  要:随着我国公路事业的发展,既有公路逐渐不能满足交通需求,需要进行拓宽改造,但在改造过程中容易产生纵向裂缝。结合笔者参与的公路改造施工经验,分析了路基的受力变化对路面结构纵向开裂的影响,并提出相应的防治措施。
关键词:公路改造;纵向裂缝;防治
1 引 言
近年来随着我国公路事业的发展和国民经济水平的快速增长,既有公路逐渐不能满足交通要求,需要对旧路进行拓宽改造,扩大通行能力。旧路加宽改造后,由于新旧路基问存在着沉降和变形差异,可能造成路面结构层的层底脱空,从而使路面结构开裂[1]。为改变路面结构的这种不利受力状态,通常可从以下两方面进行考虑:一是采取可靠而有效的地基和路基处治措施,以减小新旧路基间的沉降和变形差异;二是加强路面结构层的设计,以改善路面结构的不利受力状态。本文结合笔者参与的公路改造施工经验,分析了路基的受力变化对路面结构纵向开裂的影响,并提出相应的防治措施。
2 产生纵向裂缝的原因
导致旧路拓宽改建工程路面出现纵向开裂的原因很多,其中原路基底部地基土的沉降固结状态、拓宽处土基的水文物理力学性能、路基拓宽后土基新增的作用力对沉降变形的影响等为主要因素。这些因素间的作用也比较复杂。通过定性分析可知,原公路因增设补强层和铺筑新面层,增加了下部土基的压力,拓宽部分地基相应外加的压力分别使地基沿路基横断面发生不均匀沉降,其中拓宽部分的沉降量大于下部土基,当路基压力大于地基极限承载力时还会使路基坡脚附近(可能在坡脚内,也可能在坡脚外)发生沉降,若路基压力大于土基极限承载力,还会引起路基坡脚附近区外的拓宽区地基隆起,这时路堤将因沉降变形过大使公路发生严重的损坏。笔者通过对纵向裂缝的调查观察和定性分析,可知新老路基出现差异沉降是最终使路面产生纵向裂缝的根本原因,具体而言,产生纵向裂缝的可能因素包括以下几个方面:
(1) 由于土基地质差,导致新老路基底部土基因荷载的增加发生沉降。但原路基下的地基因在改造时已基本固结沉降到位并且所增加的荷载远小于新拓宽部分,其沉降量大大小于新拓宽部分地基。
(2) 新路基本身所用的填筑材料、压实度等设计施工中存在一定问题,造成新路堤本身出现沉降。
(3) 因施工工期短,土基及新路基的固结下沉未到位,工后沉降大。
(4) 施工后新老路基出现差异沉降,路基失去稳定,表现为路堤内的破裂面(顶部破裂面在老路范围内)外的土体下沉侧移,将路面拉裂造成纵向开裂。
(5) 新老路基结合部结合强度不足。
3 纵向裂缝的防治措施
纵向裂缝作为公路拓宽改造的质量通病,防治应遵循“预防为主,及时处治”的原则,在设计和施工过程中通过合理设计,提高施工工艺和施工质量等方法进行有效预防,努力减少路基的差异沉降,最大限度地减少和延缓裂缝产生的概率和程度,对已发生的裂缝及时采取有效措施进行处治、控制裂缝的发展、恢复路面功能、延长路面的使用寿命。
3.1 公路拓宽改造路基是关键
路基是路面的基础,并承受由路面传递下来的各种荷载,因此,路基的坚实和稳定是保证路面强度与稳定性的重要条件之一。充分认识路基的重要作用,是公路建设的治本之道。旧路改建工程对路基施工的技术要求高,是因为旧路改建都必须进行加宽和加高及旧路原排水系统的处理。任何施工不当的措施和土方工程的弊病都难以在今后的养护中改正,因此在改建工程中,处理好旧排水沟和旧砌体、新老路路基结合部的界面的处理、路基加宽及加高是整个改建工程质量好坏的关键。
(1) 旧路排水沟和旧砌体的处理
① 旧水沟:在路基加宽的过程中,原旧路排水沟将被挖掉或覆盖,对于填方路段的水沟,首先要将旧排水沟上的砌体及杂物挖除掉,然后用与其相同的土壤或砂性土填平,再用机械夯实,其压实度不能低于老路基土壤的压实度,新填土壤的压实系数应力求达到98%以上,只有具备这个条件才可能在路基加宽和边沟回填的地方防止形成沉陷。
② 拆除旧砌体:改建工程中填土高度一般都不大,旧砌体应该拆除,因为旧砌体和新填筑的路基材料的各项性能指标相差很大,特别是对水的浸润和吸收量不同,而土的含水量又是影响路基压实度的重要因素,因此施工过程中,先拆除旧路缘石,然后把旧路挖成宽度不小于1m的台阶;同理,也必须拆除旧路肩和路堤上的挡土墙,避免引起不均匀的沉降。
(2) 路基加宽施工工艺
路网改建工程中,要求尽量使用合格的老路基,这就存在不同程度的加宽。路基加宽的方式有单侧加宽和双侧加宽两种形式。在不受地形地物限制的情况下,选择单侧加宽,这种加宽方式的路基只需一侧加宽,便于施工,加宽较双侧的大,压实度也容易保证,且基底处理一系列施工工序都在一侧进行,施工进度也快。但这种方案也有缺点,当路面加宽较大时,路面结构的一部分位于旧路基上,而另一部分则可能在新建的路基上。由于新旧路基的强度和密实程度不同,新旧路基会产生不同的沉降,因而会引起路面沿接缝出现纵向裂缝,针对这一缺点,我们对新旧路的衔接采取如下措施:
① 拓宽路堤地基的处理:拓宽路堤地基情况良好时,清除表土碾压密实后,进行路堤的填筑。当地基为不良的地基时,出现厚度小于3m的不良土,挖除采用换填处理,分层碾压密实,分层厚度为0.2~0.3m,出现淤泥或软弱土层厚度小于3m时,采用抛石挤淤方法处理,石料采用没有风化的开山片石,片石不小于30cm。出现厚度大于3m时不良土、淤泥或软弱土层时,根据不同的情况,可采用排水固结法、粒料桩、粉喷桩、加筋土法处理。
② 路堑的拓宽:首先在上边坡设计排水沟的位置做好临时排水沟,然后自上而下挖土运走,最后修整边坡,按前面已述方式处理旧水沟,并对已拓宽的土基路肩进行干燥处理。
③ 纵向搭接:旧路改建纵向出现搭接时,沿路线方向将旧路挖成宽度不少于1m的纵向台阶。
④ 路基填料的选择:路基加宽的填土部分应当与老路基完全形成一个整体结构,保持良好的稳定性,最好的办法是使用与老路相同的土壤,当无法做到这点时,可采用石灰改良土,并严格遵守填筑规定,每层厚度为0.2~0.3m,虽然比原来设计增加了一些费用,但是将来可使路面寿命延长,并减少养路费用。
⑤ 路基压实:路基压实的目的是为了提高土体的密实程度,降低填土透水性,防止水分积聚和浸蚀,避免路基软化及因冻胀引起的不均匀变形,确保路基在全年各季内均具有设计要求的强度和稳定性,提高公路的使用品质,并减薄路面提供有利条件。对于旧路加宽而言应当注意的是:结合部必须碾压到位,如大型压实机械无法压到边,就要用小型振动设备压实,确保拓宽路基任何部位压实度均符合要求。pagebreak
3.2 公路改造拓宽路面结构设计与施工
(1) 加强加宽路面结构层的设计,以改善路面结构不利的受力状态,防治路面开裂也是防治裂缝的有效方法。
由于现行规范主要以路面设计弯沉值(表面变形)为控制指标;同时,对于高等级公路须进行层底拉应力的验算,但沥青面层层底基本上为压应力拉应力远小于结构层材料的抗拉强度,故我们在旧路加宽结构设计中,只考虑加宽段路面表面变形和基层层底拉应力的影响[2],而影响这两个标准的因素主要与基层厚度、基层模量、面层厚度、面层模量有关,通过各种分析及以往经验得出,随着影响因素取值的增加(基层模量除外),表面变形和层底拉应力均呈减小的趋势:
① 从有利于改善旧路加宽改造后路面结构的受力状态的角度来看,基层厚度是改善表面变形和层底力的主要影响因素;从表面变形和层底拉应力随基层厚度增加而下降的幅度来看,基层厚度以40cm左右为佳。② 基层模量的增加虽然有利于表面变形的减小,却使层底拉应力增大,综合考虑基层模量对表面变形和层底拉应力的影响,一般以半刚性材料为宜。③ 面层厚度的增加可使表面变形和层底拉应力均呈减小的趋势,但下降的幅度很小。所以面层厚度对改善旧路加宽改造后路面结构的受力状态的贡献较小。④ 面层模量的增加对表面变形和层底拉应力的影响甚微,因此面层材料只要满足表面容许变形和层底容许拉应力的要求即可。
根据以上讨论,我们认为可根据实际情况采用两种结构设计思路。第一种是铲除旧路结构的加宽设计思路,使用于旧路结构破损严重,在设计时无法加以利用需要对其铲除,为使加宽段与旧路各项指标(如弹性模量)一致,故采用6%石灰处理土基。第二种为保留旧路结构的加宽设计,使用于旧路结构比较完好,但设计思路基本与第一种相同,唯一不同之处就是使用了土工格栅,以用来增加层底抗拉应力。
(2) 路面结构层加宽施工注意事项
① 确保原材料质量加强对原材料的试验检测工作,确保使用合格的材料。② 材料级配符合规范要求。③ 优化施工组织,严格现场管理。对路面基层而言,要保证混合料拌和均匀性,必须采用厂拌,摊铺时最好采用摊铺机摊铺,可以减少粒料离析现象,有利于控制平整度和压实度。对于路面沥青下封层,采用乳化沥青,建议采用专用机械(稀浆封层机)铺筑;如采用人工配合撒布机,必须分层铺筑,不能以单层式施工,否则不能保证封层厚度,至于选择两层还是两层以上的施工方法,要根据封层厚度特点。经过实践,还是采用热沥青石屑(中、粗砂)封层效果较好。对于沥青混合料面层,从拌和、运输、摊铺各个环节上都应严格按施工规范的要求进行,尤其要控制好混合料的温度,避免油温过高,造成沥青老化;保证摊铺和碾压的最低温度,同时控制碾压遍数及压实度。处理好碎石级配等方面的要求外,还应注意摊铺的均匀性,避免出现大、小粒料离析现象。只有我们严格的控制施工质量,使其各种材料充分发挥效果,才能有效的控制加宽段裂缝的产生。
3.3 路面纵向裂缝的养护维修
通车后路面出现纵向开裂应及时进行处治,防止因路表水渗入路面而造成结构层更严重的损坏,使路面功能得到及时恢复,并延长面层的使用寿命。
(1) 加强观察,裂缝出现后,及时用热沥青等灌缝材料封闭裂缝,防止雨雪水下渗。
(2) 对缝宽大于4 mm且已稳定的纵向裂缝,沥青路面则铣去原沥青面层(宽度一般在50~100cm),将基层顶面的裂缝进行灌缝处理洒黏层油后恢复面层,混凝土路面则可采用条带修补或更换混凝土板的方法,同沥青路面一样,需对基层的纵向裂缝处理后恢复混凝土面层[3]。
(3) 针对缝宽大于4 mm,并且裂缝还在继续发展的情况,则在裂缝处开挖至基层(开挖宽度大于50cm),将基层裂缝用热沥青灌缝处理后在基层表面均匀涂刷黏合剂及改性沥青,加铺二层至三层土工布(土工布之间需涂刷如改性沥青等黏结材料),土工布宽度在缝体两侧不小于15 cm),再重新铺筑面层。对基层有明显损坏的,或路基严重不稳定的,则可采用钢筋混凝土结构取代沿裂缝纵向开挖出的原路面的基层、底基层,从而增加路面基层的抗裂性能,修复后可延长路面的使用期限。
参 考 文 献
[1] 孙四平, 郭忠印等. 旧路加宽综合处治方案设计的几点考虑[J]. 华东公路, 2002(5)
[2] 马文举. 公路设计新理念在老路改造中的应用[J]. 中国市政工程, 2008(4)
[3] 谭忠云. 浅谈公路旧路面改造技术[J]. 西南公路, 2008(1)
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