第六章 黄河冲积平原区道路病害防治措施与路面结构的改进

第六章 黄河冲积平原区道路病害防治措施与路面结构的改进6.1引言目前，具有良好强度、刚度、稳定性的半刚性基层在我国高等级马路中广泛采纳，它可以有效削减沥青面层底部的拉应力且具有较好的经济性。但是，由于黄河冲积平原区地下水位较高，用作路基的粉土压实困难、塑性指数低、粘聚力小，造成路基工后沉降大，强度衰减猛烈，造成该地区特殊的道路病害。同时，由于密实的半刚性基层使通过沥青面层空隙和裂缝渗入的雨水滞留于基层顶面，无法排出的水在车辆荷载反复作用下形成的动水压力，造成基层冲刷、唧泥。为了克服半刚性路面结构的这种缺陷，须要对路面结构进行改进。 6.2路基路面病害常用防治措施路基病害防治措施(1) 路基不匀称沉降防治措施处治路基不匀称沉降的方法较多，总结国内外对路基沉降及不匀称沉降的处治措施有： 采纳低等级路面过渡采纳低等级路面过渡处治不匀称沉降是目前用得较多的处治措施，先用低等级路面铺筑，待沉降稳定后，再用罩面处理。它是一种比较被动的手段。 采纳桥头搭板处治桥头沉降桥头搭板也是目前处理桥头跳车用得最普遍、最直观的手段。通过在过渡段设置肯定长度的刚性搭板，一端放在桥台等人工构造物固定端处，并加设防滑锚固钢筋和在搭板上预留灌浆孔，使两个对接性质不同的路面体系在变形沉降上能平稳过渡。压力灌浆法压力灌浆法是利用机械施加高压，把能固化的浆液压入土体空隙，浆液凝固后，把压力区范围内的土体固结，使松散的土颗粒形成整体达到限制沉降，削减不匀称沉降的目的，特殊是针对马路路基下局部懦弱土基的处治，可以干脆改善土体结构，固结土体，限制沉降。强夯法强夯法与压力灌浆法都是目前发展起来的处治路基不匀称沉降的有效措施。强夯法处治是利用大能量干脆作用在被处治范围上，通过整体提高被处治体的密实度来削减不匀称沉降变形。(2) 路基承载力不足防治措施假如土基施工中的压实度限制不好，引起路基局部或整体沉降，势必会造成路面损坏，干脆影响行车平安。在高速马路建设中，通过限制最佳含水量、碾压质量、压实机具以及集料选择等因素，压实标准的质量得到了较好的保证。然而，由于粉质土具有显著的毛细上升现象造成路基含水量增大，承载力降低；同时在长期行车动荷载的影响下，密实度降低。这两种因素造成的路基承载力不足目前工程界尚未提出合适的处治措施。 半刚性路面病害防治措施半刚性基层是目前我国高等级马路的主要基层类型，它的最大问题是简单产生路面裂缝。其中一部分是由于行车荷载或不匀称沉降作用所产生的结构性破坏裂缝，另一部分则是由于半刚性基层的干缩及温缩开裂在沥青面层产生的反射裂缝。目前较有效的解决方法之一是，采纳级配碎石作柔性基层、无机结合料稳定类材料作底基层的组合式沥青路面结构，即在传统半刚性沥青路面的半刚性基层上加铺级配碎石结构层，以形成“沥青混凝土面层+级配碎石基层+半刚性底基层”的组合式结构，可视为一种夹层结构。该路面结构使半刚性基层下放，可以减小半刚性结构层的温度梯度，加强整个路面结构的排水性能，并且由于级配碎石相对较大的应变能，能够有效地消减沥青路面的反射裂缝，削减水损害的发生。实践证明，组合式沥青路面结构在应对重载交通、不匀称沉降、水损坏等方面效果良好，能够有效地发挥半刚性基层高强度的优点及级配碎石防反射裂缝的良好性能，削减路面早期破坏，有效提高路面长期运用性能。解决方法之二是采纳长寿命、低养护的永久性沥青路面，永久性沥青路面(又称长寿命沥青路面)是国际沥青路面界提出的新技术。国外20世纪60年头以来修建了大量全厚式沥青路面和深层高强沥青路面，设计及施工良好的路面表现了很好的性能，供应了良好的长期服务性能。全厚式路面是指沥青路面层干脆建筑在处治的或未处治的土基上，深层高强沥青路面则干脆铺筑在粒料基层上，特点是路面的总厚度小于传统的采纳沥青面层较薄的路面结构的厚度，基本上消退了传统的普遍存在的疲惫损坏，路面的损坏只发生在路面的上部。永久性沥青路面主要针对重交通量道路而言，也适合于中、轻交通道路，以及旧路道路的修理和重建中。6.3夹层路面结构的提出6.3.1 级配碎石作柔性基层这种结构理论上具有合理性：级配碎石属于散粒体，密实的碎石基层具有较高的抗压特性却不能承受拉力，故其不能传递半刚性基层裂缝的拉应力和拉应变。且级配碎石本身收缩系数微小，几乎为零，因而消退了裂缝扩展的可能性；级配碎石中间层的隔离作用降低了下卧半刚性基层遭遇温度、湿度的影响使半刚性基层进一步收缩的可能性大为减小；同时级配碎石由于空隙较大，还能起到排水层的作用。但是级配碎石还存在模量低，假如须要削减沥青面层底部的拉应力则需加厚沥青层，从而增加路面的永久变形；以及级配碎石工程质量变异性较大的不良影响。相关资料表明，严格的材料选择、合理的级配、严格的施工工艺限制是提高级配碎石强度和稳定性的关键。6.3.2 LSPM作柔性基层大粒径碎石混合料(Large Stone Asphalt Mixes，LSAM)，由于具有良好的路用性能而被逐步得到重视和深化探讨，并起先在老路改造中得到实践与应用。它分为密实式级配、开式级配两种形式，开式级配混合料的空隙率为10%15%，甚至更大，其功能同ATPB，具有排水作用，是最大公称粒径在2563mm之间的热拌热铺沥青混合料。称为大粒径碎石排水性沥青混合料（Large Stone Porous Asphalt Mixes，LSPM）。混合料结构性能有以下特点：（1）大碎石沥青混合料一般最大粒径在25mm以上，最大可达6375mm，通常由较大粒径单粒径集料和少量的细集料组成，一般不须要添加矿粉，铺筑厚度一般为集料最大粒径的2.54 倍。（2）LSAM其级配类型通常有2 种，一类是密级配的沥青混合料，空隙率在35%之间：另一类是开级配的沥青混合料，空隙率在15%左右。后一类结构有较大空隙率，有排水功能，可用作排水层将渗入路面的水排出，削减水损害。（3）LSAM沥青用量比一般沥青混合料更低，更经济。大粒径碎石混合料比一般粒径碎石混合料的比表面积小，因此，沥青膜厚度相同，大粒径碎石混合料沥青用量更低。（4）由于细集料较少，粗集料之间相互嵌挤，形成强壮的骨架结构，供应足够的强度，可以用作新建道路的承重层及改建道路的补强层。（5）由于大碎石混合料的空隙率较大、骨料间隙较大，用作老路补强可以较好地反抗下层的反射裂缝对上层路面的影响。（6）大粒径碎石沥青混合料可以反抗日益增长的交通荷载带来的车辙问题，提高路面结构的抗永久变形实力。（7）LSAM通常铺筑在基层，其上各层在保证必需的铺筑厚度和压实度的前提下，应当尽可能减薄其厚度，以便最大限度发挥LSAM抗车辙实力。 6.4 基于路基强度衰减条件下的夹层路面结构力学分析6.4.1 不同含水量下路面结构的力学分析本章计算以级配碎石作柔性基层为例，分析路基强度衰减对夹层路面结构下基层附加应力的影响，取下基层模量分别为500MPa、700MPa、1000MPa、1300MPa、1500MPa和2000MPa。计算方法及计算参数同第四章表4.3、4.6。新的组合式沥青混凝土路面结构见表6.1。(1) 夹层结构（结构一）(2) 半刚性基层结构图6.1 夹层结构和半刚性基层路面结构(1) 夹层结构面层层底弯拉应力（a）下基层模量为500Mpa（b）下基层模量为700Mpa（c）下基层模量为1000Mpa（d）下基层模量为1300Mpa（e）下基层模量为1500Mpa（f）下基层模量为2000Mpa图6.2 夹层结构面层层底弯拉应力(a) 下基层刚度500MPa时不同荷载下面层层底弯拉应力变更状况注：1W=15.4%； 2W=23.4%(b) 下基层刚度变更时面层层底弯拉应力变更状况注：1P=0.7MPa、 =15.4%；2P=1.0MPa 、=23.4%图6.3 夹层结构面层层底弯拉应力柱状图图6.2、6.3为夹层结构中面层层底弯拉应力随含水量变更时的变更规律，由图表明，面层层底受压应力作用，压应力值随含水量的增大而略有增长，如下基层刚度500MPa、荷载为0.7MPa时，时的压应力值约为时的1.08倍；面层层底压应力值随下基层刚度的提高而略微减小，但差别不大，如荷载为1.0MPa、时，下基层刚度为2000MPa时的面层层底压应力值约为下基层刚度为500MPa时的0.96倍。(2) 夹层结构上基层层底弯拉应力（a）下基层模量为500Mpa（b）下基层模量为700Mpa（c）下基层模量为1000Mpa（d）下基层模量为1300Mpa（e）下基层模量为1500Mpa（f）下基层模量为2000Mpa图6.4 夹层结构上基层层底弯拉应力(a) 下基层刚度500MPa时不同荷载下上基层层底弯拉应力变更状况注：1W=15.4%； 2W=23.4%(b) 下基层刚度变更时上基层层底弯拉应力变更状况注：1P=0.7MPa、 =15.4%；2P=1.0MPa 、=23.4%图6.5 夹层结构上基层层底弯拉应力柱状图由图6.4、6.5可知，上基层作为应力限制层层底弯拉应力在不同条件下的变更规律表现为：通过设置柔性级配碎石层，该层层底弯拉应力明显小于半刚性路面结构基层层底弯拉应力。该层层底弯拉应力与含水量的关系也有所降低，如下基层刚度500MPa、荷载为0.7MPa时， 时的基层层底弯拉应力约为时的1.17倍，而在半刚性路面结构中前者为后者的1.25倍。夹层路面结构应对重载交通的实力明显增加，如P=1.0MPa， 时的上基层层底弯拉应力为P=0.7MPa时的1.3倍，而在半刚性路面结构中前者为后者的3.2倍。上基层层底弯拉应力随下基层刚度的提高而减小，甚至在较大的轮载作用下由底部受拉变更为受压，降低了上基层破坏的概率，提高了道路的运用性能，如荷载为1.0MPa、时，下基层刚度为1500MPa时的上基层层底即为压应力。在上述荷载范围内，上基层层底弯拉应力均低于基层容许拉力值（0.26Mpa）而未发生结构破坏。 (3) 夹层结构下基层层底弯拉应力（a）下基层模量为500Mpa（b）下基层模量为700Mpa（c）下基层模量为1000Mpa（d）下基层模量为1300Mpa（e）下基层模量为1500Mpa（f）下基层模量为2000Mpa图6.6 夹层结构中下基层层底弯拉应力(a) 下基层刚度500MPa时不同荷载下下基层层底弯拉应力变更状况注：1=15.4%； 2=23.4%(b) 下基层刚度变更时下基层层底弯拉应力变更状况注：1P=0.7MPa、 =15.4%；2P=1.0MPa 、=23.4%图6.7 夹层结构下基层层底弯拉应力柱状图由图6.6、6.7可知，下基层层底弯拉应力与基层模量、含水量及轮载的关系都特别显著，主要表现为：下基层层底弯拉应力值随含水量的增大呈近似线性关系增长，增长幅度较大，如下基层刚度500MPa、荷载为0.7MPa时， 时的下基层层底弯拉应力约为时的1.37倍。下基层层底弯拉应力在超载作用下的增长幅度更为明显，如图6.7中的(a)图，基层层底弯拉应力在P=1.0MPa时的值约为P=0.7MPa时的2.6倍。下基层层底弯拉应力随下基层刚度的提高而增大，如P=1.0MPa、时，下基层刚度为2000MPa时的基层层底弯拉应力约为下基层刚度为500MPa时的2.06倍，且超过了基层容许拉应力(0.26 Mpa)，下基层产生结构性破坏。 综合分析以上数据，为了既能达到有利于延长上基层疲惫寿命，又能爱护下基层的目的，下基层模量不宜取值过高，应限制在1500MPa以内。6.4.2 夹层结构疲惫寿命分析(1) 疲惫寿命计算依据以上计算结果，依据公式（4.2）计算夹层结构中上下基层疲惫寿命如表6.2所示。表6.2 不同含水量时结构层疲惫寿命表格 E=500MPa上基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.72.920E+142.180E+141.600E+141.230E+141.050E+140.81.110E+147.210E+134.560E+133.100E+132.450E+130.95.120E+132.840E+131.520E+138.930E+136.500E+121.05.550E+132.390E+139.800E+124.570E+122.900E+12下基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.73.860E+131.610E+136.480E+123.010E+121.910E+120.81.310E+123.660E+119.680E+103.160E+101.610E+100.93.210E105.710E+099.370E+082.040E+088.270E+071.01.540E+081.380E+071.080E+061.250E+053.460E+04 E=700MPa上基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.78.880E+147.260E+145.870E+144.930E+144.440E+140.85.440E+144.040E+142.960E+142.290E+141.950E+140.94.270E+142.840E+141.860E+141.300E+141.050E+141.01.000E+155.600E+143.050E+141.830E+141.360E+14下基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.74.870E+121.840E+126.720E+112.890E+111.750E+110.86.820E+101.660E+103.810E+091.100E+095.250E+080.96.420E+089.470E+071.270E+072.350E+068.570E+051.07.690E+055.190E+043.060E+032.700E+026.640E+01 E=1000MPa上基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.72.620E+152.330E+152.070E+151.880E+151.780E+150.82.570E+152.170E+151.820E+151.580E+151.460E+150.93.400E+152.690E+152.120E+151.750E+151.750E+151.01.710E+161.230E+168.720E+156.610E+155.630E+15下基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.74.070E+111.390E+114.610E+101.820E+101.050E+100.81.990E+094.170E+088.160E+072.090E+079.310E+060.95.890E+067.090E+057.770E+041.210E+044.000E+031.01.340E+036.730E+012.950E+005.510E-034.330E-02 E=1300MPa上基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.75.340E+155.020E+154.730E+154.530E+154.420E+150.87.160E+156.530E+155.990E+155.610E+155.410E+150.91.340E+161.180E+161.040E+169.540E+159.090E+151.01.120E+179.370E+167.910E+166.940E+166.470E+16下基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.75.280E+101.680E+105.120E+091.910E+091.070E+090.81.100E+082.040E+073.580E+068.450E+053.570E+050.91.260E+051.290E+041.210E+031.660E+025.070E+011.07.180E+000000 E=1500MPa上基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.77.600E+157.350E+157.120E+156.970E+156.900E+150.81.190E+161.130E+161.080E+161.050E+161.030E+160.92.640E+162.460E+162.300E+162.210E+162.170E+161.02.870E+162.590E+172.360E+172.230E+172.160E+17下基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.71.590E+104.850E+091.420E+095.110E+082.780E+080.81.980E+073.480E+065.720E+051.280E+055.490E+050.91.290E+041.220E+031.050E+021.330E+013.400E-061.000000 E=2000MPa上基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.71.430E+161.450E+161.470E+161.500E+161.530E+160.82.970E+163.010E+163.100E+163.190E+163.270E+160.98.980E+169.160E+169.490E+169.930E+161.020E+171.01.550E+181.600E+181.680E+181.790E+181.860E+18下基层轮压p（MPa）含水量（%）15.417.419.421.423.40.71.130E+093.140E+088.500E+072.850E+071.490E+70.84.540E+056.980E+041.010E+042.040E+037.830E+020.98.690E+016.800E+000001.000000(2) 上基层疲惫寿命变更规律(a) 0.7MPa时不同含水量下上基层疲惫寿命变更状况注：1下基层刚度500MPa；2下基层刚度1500MPa；3下基层刚度2000MPa(b) 不同荷载时上基层疲惫寿命变更状况注：1下基层刚度500MPa 、=15.4%；2下基层刚度2000MPa 、=23.4%图6.8 上基层疲惫寿命柱状图图6.8表明，轮载相同时，上基层疲惫寿命随着下基层刚度的提高而显著提高，疲惫寿命值如表6.2所示，如荷载为0.7MPa、时，下基层刚度为2000 MPa时的上基层疲惫寿命为下基层刚度为500 MPa时的48.97倍；下基层刚度低于1000 MPa时，上基层疲惫寿命随着荷载的增大而显著降低；下基层刚度高于1000 MPa时，上基层疲惫寿命随着荷载的增大而有所提高。(3) 下基层疲惫寿命变更规律(a) 0.7MPa时不同含水量下下基层疲惫寿命变更状况注：1下基层刚度500MPa；2下基层刚度1500MPa；3下基层刚度2000MPa(b) 不同荷载时下基层疲惫寿命变更状况注：1下基层刚度500MPa 、=15.4%；2下基层刚度2000MPa 、=23.4%图6.9 下基层疲惫寿命柱状图图6.9表明，轮载相同时，下基层疲惫寿命随着下基层刚度的提高而显著降低，如荷载为0.7MPa、时，下基层刚度为2000 MPa时的下基层疲惫寿命为下基层刚度500MPa时的2.9310-5倍；下基层疲惫寿命随着荷载的增大而显著降低，下基层刚度500MPa 、时，荷载为1.0 MPa时的下基层疲惫寿命约为荷载为1.0 MPa时的4.0010-6倍。(4) 结论夹层结构中由于设置了柔性级配碎石层，有效调整了应力分布状态，对位于其上的上基层受力特别有利，不仅显著减小了层底拉应力值，同时在应对路基强度衰减、重载交通等方面具有特别显著的优点。通过调整下基层模量，发觉下基层模量越高，对面层及上基层受力越有利，但会造成下基层拉应力过大。因此，综合考虑上基层受力状况，提出下基层模量不宜取得过高，可介于10001500MPa。6.5 基于不匀称沉降条件下夹层结构应力分析6.5.1路基横向不匀称沉降对夹层路面结构受力特性的影响 计算模型及位移荷载的施加方式同第五章。 (1) 夹层结构面层层底弯拉应力变更规律面层层底弯拉应力如图6.12所示。(a)下基层模量500MPa (b) 下基层模量1500MPa(c) 下基层模量2000MPa图6.12 面层层底弯拉应力注：5cm、12cm、20cm指横向最大不匀称沉降差如图6.12所示，面层层底受压应力作用，且压应力值随横向最大不匀称沉降差的增大而显著增大，如下基层模量为500MPa时，见下表：横向最大不匀称沉降差(cm)面层层底最大压应力(MPa)50.712120.413200.688压应力值随着下基层刚度的提高而增大。(2) 夹层结构上基层层底弯拉应力变更规律(a) 下基层模量500MPa (b) 下基层模量1500MPa(c) 下基层模量2000MPa图6.13 上基层层底弯拉应力注：5cm、12cm、20cm指横向最大不匀称沉降差如图6.13所示，通过设置级配碎石层，上基层作为应力限制层，其弯拉应力较半刚性结构基层层底弯拉应力明显偏小；各位置上基层层底弯拉应力值随横向最大不匀称沉降差的增大而显著增大，如下基层模量为500MPa、距路堤中心6m处，max =20cm时的上基层层底弯拉应力值约为max =5cm时的4.00倍；上基层层底弯拉应力随下基层模量的提高而减小，当下基层模量为2000MPa时，上基层底部受拉变为受压，将显著降低上基层破坏的概率，延长道路的运用寿命上基层层底弯拉应力均低于容许拉力值（0.26Mpa）故未发生结构破坏。 (3) 夹层结构下基层层底弯拉应力变更规律(a) 下基层刚度500MPa (b) 下基层刚度1500MPa(c) 下基层刚度2000MPa图6.14 下基层层底弯拉应力注：5cm、12cm、20cm指横向最大不匀称沉降差图6.14所示，通过设置级配碎石层，下基层层底弯拉应力较半刚性结构基层层底弯拉应力明显偏小；各位置下基层层底弯拉应力值随横向最大不匀称沉降差的增大而显著增大，如下基层模量为500MPa、距路堤中心6m处，max =20cm时的下基层层底弯拉应力值约为max =5cm时的4.00倍；在下基层刚度不变，横向最大沉降差肯定时，从路堤中心到两端，下基层层底弯拉应力分布呈抛物线规律增长，且增长幅度较大，如下基层刚度为500MPa、max =5cm时，距路堤中心10m处的下基层层底弯拉应力值约为距路堤中心2m处的3.74倍，这表明，即使横向沉降不是特别严峻，路面结构仍旧可能发生破坏；且接近边坡的路基简单先被破坏。故横向最大沉降差不宜超过5cm，否则下基层层底弯拉应力超过了容许拉应力(0.26 Mpa)，简单发生产生破坏, 但由于存在级配碎石夹层，所以即使下基层产生裂缝，也不会反射到上基层中。6.5.2纵向不匀称沉降对夹层结构受力特性的影响(1) 上基层层底弯拉应力变更规律上基层层底弯拉应力变更规律如图6.15所示。(a)工况一 (b)工况二(c) 工况三(d)工况四(e) 工况五图6.15 上基层层底弯拉应力注：1500MPa、2000MPa指下基层刚度如图6.15所示，纵向不匀称沉降对夹层结构中的上基层受力特性的影响并不显著，个别路段虽存在受拉，但拉应力远低于容许应力值；下基层模量提高上基层弯拉应力值有所增大，表明高模量下基层不适于纵向不匀称沉降，易出现横向裂缝。(2) 下基层层底弯拉应力变更规律(a)工况一 (b)工况二(c) 工况三(d)工况四(e) 工况五图6.16 下基层层底弯拉应力注：1500MPa、2000MPa指下基层刚度如图6.16所示，受纵向不匀称沉降的影响，下基层层底以拉应力为主，但拉应力值一般低于容许应力值。随着下基层模量的提高，下基层层底弯拉应力有所增大，如工况二E=1500MPa时下基层层底拉应力为0.06MPa，而E=2000MPa时，下基层层底拉应力为0.11MPa。因此下基层模量不宜取值过高。(3) 结论 由于级配碎石的存在，调整了应力分布状态，作为应力限制层的上基层附加应力以压应力为主，削减了路面结构发生早期破坏的机率。同样由于级配碎石夹层的存在，即使下基层产生裂缝，也不会反射到上基层中。6.6 本章小结与半刚性路面结构相比，夹层结构的受力特点有了较为明显的变更：(1) 夹层结构是近年来新提出的一种路面结构形式，由于级配碎石的存在，一方面可以削减反射裂缝的扩展，另一方面可提高路面结构对差异沉降及过大沉降的适应性。(2) 考虑路基强度衰减特性，分析了不同下基层模量对路面结构层的影响。结果表明，下基层模量不宜过高，应限制在10001500MPa。(3) 分别从横向不匀称沉降与纵向不匀称沉降两方面，分析了夹层结构对不匀称沉降的适应性。结果表明，由于级配碎石的存在，调整了应力分布状态，作为应力限制层的上基层附加应力以压应力为主，削减了路面结构发生早期破坏的机率。(4) 与半刚性路面结构相比，尽管下基层层底拉应力有所增大，但由于存在柔性级配碎石夹层，所以即使下基层产生裂缝，但不会反射到上基层中。