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摘要: 道路开裂变形不仅与地形、地貌及水文地质等自然条件有关,同时与设计和施工质量也有着必然联系,稍有不慎或疏忽,就会造成巨大损失。本文主要介绍山区公路改扩建工程的纵向裂缝发展模式,并对裂缝的形成原因进行综合的分析。
关键词:山地公路；裂缝；土工格栅；防治处理
在我国初期的设计标准下山区公路路面宽度不足,改扩建工程需加宽原有道路,一侧高山峡谷,一侧临溪,地形条件受限制;而且为方便公路沿线人民群众的生活出行,要求在改扩建施工期间保证改建路段的交通畅通,施工条件受限制。因此,新建的拓宽道路在开放交通后一段时间内,新路基与老路基之间常会出现沿路线方向的纵向裂缝。
1 裂缝发展模式分析
道路开裂的主要类型可分为3 大类: ①由于行车荷载的作用而产生的结构性破坏裂缝,称之为荷载裂缝; ②由于结构层温度变化而产生的温度裂缝(包括低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝) 称之非荷载裂缝; ③经常出现在桥涵两端的横向裂缝,或在路段上出现较长的纵缝,主要是由填土固结沉陷或低级沉陷引起,称为沉降裂缝。由于山区公路改扩建工程的自身特点,本文着重分析第3 种类型。
分析表明,路面纵向裂缝产生的主要模式是水泥稳定碎石基层上部最先破坏,产生微裂缝。随后,路面结构在差异沉降、交通荷载、温度变化影响下,裂缝的发展模式变得更复杂,常是几种因素的耦合作用导致路面结构层开裂。
结合山区改扩建工程的特点分析,山岭重丘二级公路改造项目路基、路面基层开裂的一个重要原因是路基的差异沉降。路基差异沉降有可能发生在半填半挖或新老路基结合处,或在地基的固结沉降与高路堤临近边坡路肩部位的压实度存在差异。强降雨作用导致高路堤边坡稳定性的降低及雨水渗入导致路基软化,使道路在行车荷载的反复循环作用下,某些薄弱位置的差异沉降会进一步发展。
差异沉降型裂缝发展模式是由路面层顶自上而下发展,最终与水泥稳定层中的裂缝贯通,产生张拉破坏;荷载型裂缝发展模式由已经开裂的半刚性水泥稳定层逐渐向上发展,导致沥青路面层开裂的剪切破坏;温度型裂缝发展模式是由温度变化引起材料收缩变形,以张拉破坏为主,裂缝发展由水泥稳定层中的微裂缝向上发展,引起沥青路面层开裂。
2 纵向开裂综合原因分析
由于社会经济效益等因素的影响,改扩建工程通常施工周期都较短,尤其是山岭重丘区公路,在边施工边通车的前提下给建设管理带来很大的困难。
2. 1 设计方面
(1) 路基典型断面图对应设计路段过长,不具有代表性,与路段内复杂多变的土基工程地质、水文地质及所填用土不符。
(2) 线位不当,半填半挖路段支挡结构选择及设计参数选用不合理。
(3) 全线路基填筑材料变异严重,对不同筑路材料填筑路基的整体稳定性缺少验算等原因,均可造成路基横向失稳,进而造成路面产生纵、横向裂缝,严重者造成路基滑塌。
(4) 忽视部分特殊路基的縱、横向排水设计,易造成大面积路基、路面损坏。
(5) 高路堤段,边坡设计过陡、行车形成渠化、路面振动频繁,很容易出现滑坡,最终导致纵向裂缝。
2. 2 施工技术方面
(1) 路基填筑前,未按照规定认真清理地表,路基、基底存在软弱层或侵占于河道较大冲刷处。
(2) 路基上清淤不彻底,回填不均匀。
(3) 路基压实施工过程中,没有严格按照规定的施工工艺进行碾压,造成压实不均匀,承载力大小不一。
(4) 对于旧路利用路段,新旧路基结合部位处理方法不对,没有挖成台阶或台阶宽度不足,造成新旧路基结合不良、整体性较差。
(5) 当使用渗水性、水稳定性差异较大的土夹石混合料时,不是按照横向分层方法填筑,而是错误地采用纵向分幅的方法填筑。
2. 3 施工控制方面
个别施工企业自身素质偏低,合同规范质量意识差,未能按规范程序严格操作,填筑工艺控制不严,达不到设计要求,造成路基填筑不合格,加重了路基不稳定因素。
(1) 由于受施工加快的负面影响,施工周期过短,致使路基下原地基土的固结排水所需时间无法保证。
(2) 施工企业爆破方案不合理,野蛮施工,扰动了边坡岩土层,削弱了边坡的整体稳定性,造成开挖后的边坡顶部产生张裂缝,在降雨等雨水的作用下,沿边坡软弱层面整体滑移,出现塌方,严重威胁着施工、运营车辆的安全。
(3) 由于施工单位的土场填料变异性大,且无序填筑及土石混填,造成室内试验室的最大干密度dmax不具针对性,检测结果失实、失真,从而使压实度指标失控。
3 防治方法及处理措施
防治道路裂缝的设计程序首先应选定设计控制裂缝的基本类型,如拉裂I 型,剪裂I 型或撕裂四型等,拟定加固的结构方式,如设置应力消散层、化学织物加筋层、钢丝网或连续钢筋加固等,确定材料的力学和断裂特性,对结构模型进行断裂疲劳寿命的分析、计算,并实施有效防治方法。
3. 1 动态优化设计
(1) 适当采用悬挑板结构设计皖西南山区公路多数路段处在高山峡谷之间,起止点海拔高差600 多米,不仅不能修筑任何施工便道,而且施工人员只能沿路而居,机械设备、施工材料只能沿路堆放,这些都将影响后期路基施工的质量。
用悬挑板加宽结构进行特殊路段的路基加宽,改变加宽部分结构受力,提高路基整体刚性,避免高挡墙、高填方所造成的施工困难和结构性路基差异沉降。
(2) 设计有效的排水系统皖西南山区雨水丰富,几乎每年都会有1～2 次连续强降水。当降水较大时,公路沿线上边坡汇聚的大量山泉水经常会造成山体滑坡而冲毁道路;道路的临溪也会河水暴涨,威胁挡墙和路基的基础,如果泄洪不及时,少数路段洪水也会漫至路面,形成对道路的双重破坏。
皖西南山区公路设计的涵洞较多,并根据不同地段的形式需要综合设置了浅碟式边沟和盖板边沟。
(3) 多种方式边坡治理皖西南山区公路采用多种型式的路基下边坡挡墙设计,根据不同的路段特点设置路堤墙、路肩墙,并采用生态植草结合框格梁固定边坡,避免出现滑坡而导致路基开裂。
3. 2 土工格栅加强路面基层
在基层和面层之间铺设土工格栅可以有效地防止纵向裂缝。受“强基薄面”设计理论的影响,我国的高等级公路的基层主要采用半刚性结构。这种结构致密,强度高,与沥青面层相比,弹性模量相差很大,强度过高加上半刚性基层材料本身的特性和较大的差异沉降,决定了基层开裂和反射裂缝较严重。铺设土工格栅能将开裂产生的集中应力扩散、传递和分解,在层与层受力区域之间形成缓冲带,减少应力突变对沥青面层的破坏。
3. 3 施工管理的规范控制
(1) 建立施工方案许可机制,改变以施工方为中心的习惯做法。对隧道开挖、山体切削和路基降坡等影响生态环境的施工环节,严格实行开工许可,施工组织设计方案未批复的不准开工。有效控制因扰动边坡整体稳定性而出现的边坡滑移塌方,避免对道路整体安全的威胁。
(2) 路面施工采用下封层、桥面铣刨防水,提高了路面层间粘结力,增强了抗剪强度。
(3) 采用大型机械化沥青路面全幅施工技术,加快了工程进度,提高了工程质量。
(4) 新旧路基结合部位严格采用台阶施工,加强新老路基的横向联结,并以碎石土高标准填筑新路堤。
3. 4 采用合适的材料及工艺灌缝处理
要想使灌缝的质量和寿命提高,首先必须选用合适的灌缝材料:应具有良好的粘结力;低温状态下具有优良的延伸性和弹性;具备持久的抗老化和抗疲劳能力。
根据路面裂缝的实际情况通常有4 种方法对裂缝进行
养护处理,即压浆法、普通沥青灌缝法、SBR 改性乳化沥青灌缝法、进口灌缝胶修补裂缝法。夏天气温高时用沥青灌缝,沥青软化体积膨胀,多余沥青溢出路面被行车粘走;由于未清扫裂缝造成粘结不牢固,需每年一次重复灌缝施工,累计费用增加,长时间人工作业的危险性较大。因此,山区改造路段差异沉降造成的纵向裂缝较长,并且裂缝已达到路基,结合养护的经济效益分析,通常对裂缝采用压浆法。
施工时压入水泥净浆,水泥为32. 5 级普通硅酸盐水泥,水泥的剂量为350 kg/ m3 ,注浆压力为1. 5 MPa 。压浆前用环氧砂浆对裂缝表面进行封堵,沿裂缝每隔15 m 预埋一注浆管,从一端开始,依次压浆直到相邻注浆管溢出浆液为止。
4 结束语
治理和预防开裂的关键是治水,山区公路改扩建工程由于原线位选择的局限性,建议在局部调整纵坡和平面线形的同时充分考虑路线排水系统的有效性。同时采用合适的材料和规范的施工方法来满足路基的受力要求。
关键词:山地公路；裂缝；土工格栅；防治处理
在我国初期的设计标准下山区公路路面宽度不足,改扩建工程需加宽原有道路,一侧高山峡谷,一侧临溪,地形条件受限制;而且为方便公路沿线人民群众的生活出行,要求在改扩建施工期间保证改建路段的交通畅通,施工条件受限制。因此,新建的拓宽道路在开放交通后一段时间内,新路基与老路基之间常会出现沿路线方向的纵向裂缝。
1 裂缝发展模式分析
道路开裂的主要类型可分为3 大类: ①由于行车荷载的作用而产生的结构性破坏裂缝,称之为荷载裂缝; ②由于结构层温度变化而产生的温度裂缝(包括低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝) 称之非荷载裂缝; ③经常出现在桥涵两端的横向裂缝,或在路段上出现较长的纵缝,主要是由填土固结沉陷或低级沉陷引起,称为沉降裂缝。由于山区公路改扩建工程的自身特点,本文着重分析第3 种类型。
分析表明,路面纵向裂缝产生的主要模式是水泥稳定碎石基层上部最先破坏,产生微裂缝。随后,路面结构在差异沉降、交通荷载、温度变化影响下,裂缝的发展模式变得更复杂,常是几种因素的耦合作用导致路面结构层开裂。
结合山区改扩建工程的特点分析,山岭重丘二级公路改造项目路基、路面基层开裂的一个重要原因是路基的差异沉降。路基差异沉降有可能发生在半填半挖或新老路基结合处,或在地基的固结沉降与高路堤临近边坡路肩部位的压实度存在差异。强降雨作用导致高路堤边坡稳定性的降低及雨水渗入导致路基软化,使道路在行车荷载的反复循环作用下,某些薄弱位置的差异沉降会进一步发展。
差异沉降型裂缝发展模式是由路面层顶自上而下发展,最终与水泥稳定层中的裂缝贯通,产生张拉破坏;荷载型裂缝发展模式由已经开裂的半刚性水泥稳定层逐渐向上发展,导致沥青路面层开裂的剪切破坏;温度型裂缝发展模式是由温度变化引起材料收缩变形,以张拉破坏为主,裂缝发展由水泥稳定层中的微裂缝向上发展,引起沥青路面层开裂。
2 纵向开裂综合原因分析
由于社会经济效益等因素的影响,改扩建工程通常施工周期都较短,尤其是山岭重丘区公路,在边施工边通车的前提下给建设管理带来很大的困难。
2. 1 设计方面
(1) 路基典型断面图对应设计路段过长,不具有代表性,与路段内复杂多变的土基工程地质、水文地质及所填用土不符。
(2) 线位不当,半填半挖路段支挡结构选择及设计参数选用不合理。
(3) 全线路基填筑材料变异严重,对不同筑路材料填筑路基的整体稳定性缺少验算等原因,均可造成路基横向失稳,进而造成路面产生纵、横向裂缝,严重者造成路基滑塌。
(4) 忽视部分特殊路基的縱、横向排水设计,易造成大面积路基、路面损坏。
(5) 高路堤段,边坡设计过陡、行车形成渠化、路面振动频繁,很容易出现滑坡,最终导致纵向裂缝。
2. 2 施工技术方面
(1) 路基填筑前,未按照规定认真清理地表,路基、基底存在软弱层或侵占于河道较大冲刷处。
(2) 路基上清淤不彻底,回填不均匀。
(3) 路基压实施工过程中,没有严格按照规定的施工工艺进行碾压,造成压实不均匀,承载力大小不一。
(4) 对于旧路利用路段,新旧路基结合部位处理方法不对,没有挖成台阶或台阶宽度不足,造成新旧路基结合不良、整体性较差。
(5) 当使用渗水性、水稳定性差异较大的土夹石混合料时,不是按照横向分层方法填筑,而是错误地采用纵向分幅的方法填筑。
2. 3 施工控制方面
个别施工企业自身素质偏低,合同规范质量意识差,未能按规范程序严格操作,填筑工艺控制不严,达不到设计要求,造成路基填筑不合格,加重了路基不稳定因素。
(1) 由于受施工加快的负面影响,施工周期过短,致使路基下原地基土的固结排水所需时间无法保证。
(2) 施工企业爆破方案不合理,野蛮施工,扰动了边坡岩土层,削弱了边坡的整体稳定性,造成开挖后的边坡顶部产生张裂缝,在降雨等雨水的作用下,沿边坡软弱层面整体滑移,出现塌方,严重威胁着施工、运营车辆的安全。
(3) 由于施工单位的土场填料变异性大,且无序填筑及土石混填,造成室内试验室的最大干密度dmax不具针对性,检测结果失实、失真,从而使压实度指标失控。
3 防治方法及处理措施
防治道路裂缝的设计程序首先应选定设计控制裂缝的基本类型,如拉裂I 型,剪裂I 型或撕裂四型等,拟定加固的结构方式,如设置应力消散层、化学织物加筋层、钢丝网或连续钢筋加固等,确定材料的力学和断裂特性,对结构模型进行断裂疲劳寿命的分析、计算,并实施有效防治方法。
3. 1 动态优化设计
(1) 适当采用悬挑板结构设计皖西南山区公路多数路段处在高山峡谷之间,起止点海拔高差600 多米,不仅不能修筑任何施工便道,而且施工人员只能沿路而居,机械设备、施工材料只能沿路堆放,这些都将影响后期路基施工的质量。
用悬挑板加宽结构进行特殊路段的路基加宽,改变加宽部分结构受力,提高路基整体刚性,避免高挡墙、高填方所造成的施工困难和结构性路基差异沉降。
(2) 设计有效的排水系统皖西南山区雨水丰富,几乎每年都会有1～2 次连续强降水。当降水较大时,公路沿线上边坡汇聚的大量山泉水经常会造成山体滑坡而冲毁道路;道路的临溪也会河水暴涨,威胁挡墙和路基的基础,如果泄洪不及时,少数路段洪水也会漫至路面,形成对道路的双重破坏。
皖西南山区公路设计的涵洞较多,并根据不同地段的形式需要综合设置了浅碟式边沟和盖板边沟。
(3) 多种方式边坡治理皖西南山区公路采用多种型式的路基下边坡挡墙设计,根据不同的路段特点设置路堤墙、路肩墙,并采用生态植草结合框格梁固定边坡,避免出现滑坡而导致路基开裂。
3. 2 土工格栅加强路面基层
在基层和面层之间铺设土工格栅可以有效地防止纵向裂缝。受“强基薄面”设计理论的影响,我国的高等级公路的基层主要采用半刚性结构。这种结构致密,强度高,与沥青面层相比,弹性模量相差很大,强度过高加上半刚性基层材料本身的特性和较大的差异沉降,决定了基层开裂和反射裂缝较严重。铺设土工格栅能将开裂产生的集中应力扩散、传递和分解,在层与层受力区域之间形成缓冲带,减少应力突变对沥青面层的破坏。
3. 3 施工管理的规范控制
(1) 建立施工方案许可机制,改变以施工方为中心的习惯做法。对隧道开挖、山体切削和路基降坡等影响生态环境的施工环节,严格实行开工许可,施工组织设计方案未批复的不准开工。有效控制因扰动边坡整体稳定性而出现的边坡滑移塌方,避免对道路整体安全的威胁。
(2) 路面施工采用下封层、桥面铣刨防水,提高了路面层间粘结力,增强了抗剪强度。
(3) 采用大型机械化沥青路面全幅施工技术,加快了工程进度,提高了工程质量。
(4) 新旧路基结合部位严格采用台阶施工,加强新老路基的横向联结,并以碎石土高标准填筑新路堤。
3. 4 采用合适的材料及工艺灌缝处理
要想使灌缝的质量和寿命提高,首先必须选用合适的灌缝材料:应具有良好的粘结力;低温状态下具有优良的延伸性和弹性;具备持久的抗老化和抗疲劳能力。
根据路面裂缝的实际情况通常有4 种方法对裂缝进行
养护处理,即压浆法、普通沥青灌缝法、SBR 改性乳化沥青灌缝法、进口灌缝胶修补裂缝法。夏天气温高时用沥青灌缝,沥青软化体积膨胀,多余沥青溢出路面被行车粘走;由于未清扫裂缝造成粘结不牢固,需每年一次重复灌缝施工,累计费用增加,长时间人工作业的危险性较大。因此,山区改造路段差异沉降造成的纵向裂缝较长,并且裂缝已达到路基,结合养护的经济效益分析,通常对裂缝采用压浆法。
施工时压入水泥净浆,水泥为32. 5 级普通硅酸盐水泥,水泥的剂量为350 kg/ m3 ,注浆压力为1. 5 MPa 。压浆前用环氧砂浆对裂缝表面进行封堵,沿裂缝每隔15 m 预埋一注浆管,从一端开始,依次压浆直到相邻注浆管溢出浆液为止。
4 结束语
治理和预防开裂的关键是治水,山区公路改扩建工程由于原线位选择的局限性,建议在局部调整纵坡和平面线形的同时充分考虑路线排水系统的有效性。同时采用合适的材料和规范的施工方法来满足路基的受力要求。