为防止失败,首先要有更好的基础
建筑世界Staff | 2013年5月6日

failproofUntitled-1疲劳开裂通常与路基不足有关

By Tom Kuennen,特约编辑

公众经常经历沥青路面的疲劳开裂,因此它被认为只是驾驶的一部分。驾驶员忍受它,并认为它只是老化路面的一部分。但是,具有洞察力的道路管理员知道,较不深的沥青路面的疲劳裂纹是不良的基础层的症状,并且表明路面正在走向破坏。

这种疲劳裂纹通常(但并非总是)表现为所谓的短吻鳄裂纹。由于其与鳄鱼皮上的图案相似,因此命名为鳄鱼裂,出现了许多侧面,尖角的碎片,最长的一侧通常小于12英寸。这种特征性的鳄鱼皮或网状线纹出现在退化的后期。

根据美国联邦公路管理局的《长期路面性能计划》(《长期路面性能计划》),《疲劳识别》分为三种类型(查看,搜索FHWA-RD-03-031)。 FHWA还提供了一份简短的现场使用袖珍指南(《遇险识别指南》)(通过搜索FHWA-RD-05-001下载)。

这些指南都没有解释路面问题的原因,而是提供了路面问题的精确标识,以便为路面管理人员提供通用的标准定义。在这些文件中,FHWA对沥青路面,接缝混凝土路面和连续钢筋混凝土路面的开裂类型进行了分类。

•低强度疲劳裂纹是指没有裂纹或仅有少量裂纹的裂纹区域。裂缝没有剥落或密封;将基础材料抽出裂缝并不明显。

•中度的疲劳裂纹表现为相互连接的裂纹形成完整的图案。裂纹可能会稍微散开并可能被密封,并且泵送不明显。

•高强度疲劳裂纹是一个中等或严重散裂的相互连接的裂纹区域,形成完整的花纹;车辆在行驶时可能会移动,裂纹可能会被密封,并且可能会明显抽气。

在较薄的路面上容易观察到疲劳裂纹,并认为这是表面问题,但是地下调查发现,疲劳裂纹是自下而上的裂纹,其中传播到沥青路面基础的应力会导致基层不足。当沥青路面结构在荷载作用下挠曲时,这些基础裂缝会沿路面向上延伸。通常,它们在人行道等反复荷载作用下的路面中发现,并且可能是一系列相互连接的裂缝。

国家沥青路面协会研究与教育基金会发布的《热拌沥青材料,混合物设计与施工》称:“ [疲劳开裂]通常发生在通过反复施加轴载荷而使路面承受疲劳极限的情况下”。 。 “疲劳裂纹通常与对于路面结构而言过重的载荷或给定载荷的重复次数超过设计中规定的载荷有关。”

排水不良的碱加剧了该问题。随着基层中的裂缝向上发展,毛细作用会将不排水的基层中的水吸到人行道中,在那里,水会通过反射裂缝,沿纵向接缝的裂缝,车轮路径中的裂缝,短吻鳄,碎裂和坑洼而损坏路面结构。 。

行动计划说:“路面排水不足常常会使问题变得更糟,这会通过使路面层变得饱和并失去强度而加剧这种困扰。”当下面的层被过多的水分削弱并过早失效时,HMA层将承受高应变。疲劳开裂也通常是由于超重卡车的重复通过和/或由于施工期间质量控制不佳造成的路面厚度不足所致。”

自顶向下裂纹的新外观

并非所有的疲劳裂纹都是自下而上的。在较厚的人行道中,局部高张应力区域可能会从人行道的顶部开始产生裂纹。

“ [O]脂相关的自上而下的疲劳裂纹,即从路面表面开始并向下传播的裂纹,通常发生在热混合沥青(HMA)路面中,” 洪俊公园和Y. Richard Kim说,北卡罗莱纳州立大学罗利分校体育学博士,在其2013年交通研究委员会的论文中, filproofUntitled-1field-operationsUntitled-1strippingntitled-1ThermalUntitled-1疲劳Untitled-1北卡罗来纳州沥青路面自上而下的开裂。

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他们说:“自上而下的裂纹无法用传统的疲劳机制来解释,该疲劳机制用于解释与人行道底部有关的与载荷相关的疲劳裂纹。”

他们的文献评论引用了一项现场研究,发现自上而下的裂缝发生在通常厚度超过6.3英寸的路面层中。研究称,沥青的硬度似乎不是问题。在表现出自上而下的裂纹的部分中,落锤挠度计(FWD)数据并未显示出表现出全深度裂纹的部分那样大的结构刚度降低。

研究人员使用两种不同的方法来研究自下而上和自上而下的疲劳裂纹的结构差异,粘弹性连续体损伤有限元程序(VECD-FEP),以计算路面在微裂纹萌生和扩展时的应力和应变,以及由下降的重量偏转仪的偏转和路面厚度确定的AREA参数。

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没有补丁可以治愈严重的疲劳裂纹,这表明发生了严重的基础破坏;道路最终是用薄覆盖层进行就地泡沫回收。

在实验室中,他们使用了一种机械方法,该方法使用岩心来研究裂纹的起始位置以及沥青路面自上而下出现开裂的倾向。他们得出结论,基于FWD的原位方法将使路面工程师能够识别自顶向下裂缝的存在和可能性。 Park和Kim总结道:“这种简化的方法不仅会减少工程师验证人行道结构的安全性所需的时间和成本,而且还将导致选择最佳的养护方法。”

弗吉尼亚州修复疲劳裂纹

可以建造抗疲劳裂纹的道路。但是,随着现有路面上出现疲劳裂纹,道路管理员的第一个挑战将是重建现有路面,以防止将来自下而上的疲劳裂纹。

2011年,弗吉尼亚运输部在蓝岭山脉的阴影下重建了I-81的一部分。多年的繁忙交通负荷造成的疲劳裂纹使路面结构从下到上恶化。 VDOT说,尽管这种恶化的症状本来可以通过铣削和覆盖来解决,但潜在的情况仍然存在,只能通过将所有材料重新加工到路基来解决这种广泛磨损的原因。

I-81的这一部分建于1960年代后期。 VDOT定期维护表面沥青,并进行定期修补和覆盖。但是,压实的石料和土壤的原始基础已经减弱到无法再为上面的沥青层提供稳定基础的程度。

VDOT在一份公众宣传声明中说:“除非对基础进行维修,否则仅对路面进行修补只是暂时的改进。” “如果VDOT对这条路不采取任何行动,则人行道将开裂更多。高尔夫球大小的碎片可能会掉出来。疲劳裂纹还为水渗入路面基础提供了直接路径。水使路基饱和,进一步降低了其承载能力。这种情况会导致轮迹内的车辙严重,从而影响防滑性能甚至转向能力。”

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使用熟石灰窑粉尘将维吉尼亚州I-81暴露的,失效的基地原位稳定;上面现有的沥青层在邻近项目的便携式冷拌设备中进行了泡沫回收,并放置在该稳定的基础上。

“ I-81的这一部分已有43年历史了,” VDOT斯汤顿地区材料科的地区材料工程师Chaz B. Weaver说。 “这真的被殴打了。与最初设计的相比,它获得了更多的卡车运输,并且使用寿命更长。我们已经达到了一个维护周期为三(也许是四年)的时间,并且之间进行了一些修补。每四年发布一次非常非常昂贵,而我们正在寻找10到12年的表面修复周期。

Weaver说:“使用下降的重量偏向仪进行岩心评估和路面分析表明,基层(下降约24至26英寸)已失败。” “我们需要一个可以深入进行,修复整个人行道结构并迅速退出的流程。借助专用机械和回收过程,我们可以高效地做到这一点,并尽可能加快施工速度。”

现有的路基建在不透水的塑料黏土上,并且没有在旁边建排水沟。 “设计中没有地下流域或路基排水,” Weaver说。 “人行道的结构就像一个浴缸。水进入并留在里面。实际上,我们从地面抽了一些水和细粉。自从人行道建成以来,卡车仅在43年中就变得越来越重,而我们的卡车数量已高达30%。”

位于罗阿诺克的兰福德兄弟公司是斯坦顿南部奥古斯塔县I-81就地路面回收项目的总承包商。作为这项耗资760万美元的项目的一部分,兰福德兄弟(Lanford Brothers)进行了修bili,并在弗吉尼亚州谢南多厄山谷(Shenandoah Valley)的I-81南行路段铺设了3.7英里,该路段的公路路基已经老化。

在重建路肩以适应工作区交通之后,Lanford首先在右侧“卡车”车道上碾磨了10英寸高的沥青,并将其带到紧邻州际公路的州际公路旁的维特根KMA 220便携式冷拌设备。在那里进行了泡沫回收,可以立即放置在I-81上,作为灵活的基础。

同时,由分包商Slurry Pavers Inc.使用浓度为5%的石灰窑粉尘[回收的工业副产品]稳定了显露的现有路基,该路基已经恶化到损坏摩擦过程的程度。 12英寸,现场压实,配有脚垫和光滑的滚筒。

然后,从便携式工厂中回收的泡沫沥青混合料被用于在恢复的路基上铺设新的柔性基层,直至压实深度为6英寸,随后再铺上4英寸的常规热混合沥青(HMA)中间层。 2英寸石基沥青(SMA)的摩擦行程。

在该项目的第二阶段中,纽约州西赫里市的分包商Reclamation Inc.在左行车道进行了现场泡沫回收。对于这项工作,将最上面2英寸的路面铣刨掉,然后再进行接下来5英寸的冷就地回收(CIR)。然后使用两个Hamm光滑滚筒振动辊和一个气动(橡胶轮胎)辊压实泡沫沥青稳定的基础层。然后在其顶部放一个2英寸的HMA中间行程和一个2英寸的SMA摩擦行程。

MEPDG:建立不会失败

正如Virginia I-81所表明的那样,没有一种真正的方法来解决自底向上的疲劳裂缝,而无需挖出基础,重建,稳定和更换路面结构。

新的《机械实证路面设计指南》(MEPDG)和相关软件(目前处于各州DOT的不同采用阶段)基于实际经验,提供了一种实践中的机械实证高速公路路面设计方法论,设计方案,并且在不久的将来将是代理商设计抗疲劳路面的首选。

MEPDG方法基于使用详细的交通负荷,材料特性以及环境和气候数据计算的路面响应。这些响应用于预测随着时间的推移对路面结构造成的破坏。

根据R.L. Baus和N.R.于2010年发表的《机械-经验路面设计指南实施》报告,“设计是使用基于设计人员所假定的试验设计的分析结果的迭代过程。” Stires。 “对试用设计进行了分析,以证明其与用户输入性能标准相符。这些标准是由政策决定建立的,代表了可能引发一些重大复兴或重建活动的窘迫或不安状况。”

计算机软件的输出是针对设置的可靠性值的困扰和平滑度的预测。如果在给定的可靠性下预测不符合所需的性能标准,则对试验设计进行修改并重复评估。

“ MEPDG方法提供了三个层次的设计输入,以使设计人员能够将设计输入的质量和细节水平与项目的重要性水平相匹配(或最佳地利用可用的输入数据),” Baus和Stires说。 “除了量化试验路面结构所需的输入之外,MEPDG还需要100多个输入来表征交通负荷,材料特性和环境因素。”

MEPDG将提供路面结构的详细信息,但要由承包商来确定路权。大多数准备好的基础下面的路基土壤材料以及基础本身都需要压实,因为它充当基础放置的平台。每一种都需要在最佳水分含量或接近其最佳水分含量的情况下进行压实,既不要太干也不要太湿,尽管对于任何压实来说,太干总比太湿要好。

但是,如果基料不在其最佳含水量的2%范围内,则基料将不会被致密化或压实到具有强度和耐用性的程度,以承载上面制备的层和路面。

这很关键,因为几乎每个公路部门都会制定规范并进行测试,以确定建筑中的水分含量。但是机构人员的减少和合格的现场人员的流失会导致监督疏忽,并将根本的问题永久地嵌入到已完成的结构中,直到几年后才暴露出来。

柔性HMA和波特兰水泥混凝土道路的基础差异很大。刚性PCC平板下面的基座可以提供轮廓,因为交通负荷是由平板承载的。在平板下方没有太大的力传递。

对于HMA路面,交通负荷通过轮胎通过路面传递到基础。最大压力集中在表面,然后呈钟形分布到下方深度。

碎石基料的强度来自于石材的摩擦联锁。到目前为止,点载荷趋向于不耗散,并且基座的挠度也没有那么大,因此,基座非常适合用于轮廓加工。但是,当粘性的粘性材料(如粘土)构成基础时,则表明要用沥青乳液,石灰,水泥或粉煤灰或泡沫沥青进行稳定处理,以抵消材料对水的不利反应的影响(当它可以膨胀并膨胀时)。破坏人行道。

土壤的粘性越强,在存在水分的情况下它们发生不良反应的可能性就越大。稳定剂有效地密封或防水基底,以防止水分进入并使其更稳定,从而为抵抗自下而上的疲劳裂纹提供了优良的基础。

 

 

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