某高速公路沥青路面典型病害成因分析∗

包惠明,邓烨

(1.广西岩土力学与工程重点实验室,广西桂林 541004;2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林 541004)



某高速公路沥青路面典型病害成因分析∗

包惠明1,2,邓烨2

(1.广西岩土力学与工程重点实验室,广西桂林 541004;2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林 541004)

摘要:路面病害不仅影响路面美观性,还破坏路面使用性能,甚至危及行车安全,准确分析路面病害的产生机理是有针对性治理病害的前提。文中以湖北西部某高速公路沥青路面出现的病害为工程背景,选取典型病害裂缝和车辙现象进行分析,确定其产生机理,以期对沥青路面的养护和治理提供科学指导。

关键词:公路;沥青路面;裂缝;车辙;成因

半刚性基层沥青路面是中国高速公路普遍采用的路面结构形式,约占75%。当今,中国正在逐渐形成公路大养护格局,进行高速公路路面病害成因分析是对公路养护及管理的技术保障。该文以湖北西部某高速公路工程为背景,通过现场调研及系统分析多年的检测资料,概括并总结该路段典型路面病害的分布形态及特征,并从多方面深入分析病害的成因及产生机理。

1工程概况

该高速公路主线全长310.643 km,第一合同段(K1161+036—K1272+121)位于湖北省内,东接汉江平原,西临重庆市,全长102.085 km。全线采用双向四车道,按高速公路标准建设,设计行车速度80 km/h,主线路基宽度28 m,采用半刚性基层沥青路面(部分隧道为水泥砼路面)。该工程的特点:

(1)该工程位于山区丘陵、平原过渡区,呈纵向穿越走向,地质条件复杂,不良地质路段多,包括高填方路基和深挖路堑、软土路基、溶洞;在平原区水系发育,地下水埋深浅,低矮潮湿路基多。

(2)气候高温多雨,季节交替,特别是入秋后昼夜温差较大,温差可达15℃,自然灾害频发,如滑坡、山洪等。

(3)该路段为交通运输大动脉,日交通量大,重载、超载汽车比例较大,且交通量呈增长趋势。

(4)桥梁和隧道数量大,共有桥梁337座,总长度约为98 293延米;隧道45座,单幅长度约为155 306 m。桥梁、隧道构造物与高路堤和深路堑间隔交错布置;部分隧道采用水泥砼路面,与主路线形成较多的搭接。

2 沥青路面典型病害的形态及分布特征

通过对该工程沥青路面段历年路况检测数据的分析与挖掘,病害类型中比重较大的是裂缝和车辙,即典型病害是裂缝和车辙,其中裂缝主要表现为横向裂缝和纵向裂缝,网裂和龟裂较少。

2.1 裂缝的形态及分布

(1)横向裂缝有两种形态,第一种横向裂缝近似以直线形式横向贯穿整幅行车道,缝宽2～8 mm(见图1);第二种是路堤与桥梁或隧道之间的搭接处的横向裂缝,缝宽约10 mm。

图1 横向裂缝

(2)纵向裂缝出现不多,多数靠近行车道中部,有的沿行车道方向连续延伸长达20余m,缝宽约10 mm(见图2);有的是几条细而短的纵向裂缝聚集在一起,但彼此间不连续;靠近路肩的纵向裂缝略呈狐线形,缝宽超过10 mm,但数量不多。

(3)网裂、龟裂较少,一般伴有中间沉陷现象。

(4)各类裂缝主要集中在高路堤路段。

图2 纵向裂缝

2.2 车辙的形态及分布

车辙主要分布于行车道轮迹线上,属结构性车辙,长陡坡路段尤为明显。平缓路段车辙深度一般不超过15 mm,长陡坡路段的车辙深度一般大于20 mm(见图3)。

图3 车辙

3 典型病害成因分析

高速公路是线状构筑物,路基路面工程量大、牵涉面广、工程条件非常复杂,因而导致病害的因素很多,沿线水文地质条件的显著差别,施工中的材料质量、工序工艺和班组操作技艺水平等的差异,营运时的养护不到位等均是病害产生的潜在因素。在这种复杂条件下完成的路基路面工程不能保证其质量的均匀性。开放交通后,路基路面工程本身的缺陷及外在作用会导致路面出现不同程度的早期破坏。

3.1 裂缝成因

裂缝种类较多,各种裂缝表现形态和分布规律差别较大,其形成机理有所差别,但整体上又具有共同之处。有病害的路段普遍表现为:1)路堤土尚未完全固结,沉降不完全、不均匀,还在继续沉降。2)路基压实度不够及横向不均匀,在交通荷载作用下,尤其是重载作用下产生恶性循环的路面破坏。3)半刚性基层没有形成完好的整体,致使局部承载力不足。结合该合同段的路面结构特征(见表1),分析裂缝的产生原因主要有六方面。

表1 路面结构特征

(1)行车道中的横向裂缝大部分属于温度裂缝。该地区在换季时昼夜温差大及入冬后大幅降温,引起沥青面层产生低温收缩裂缝,温度变化还会引起沥青面层产生温度应力,该工程面层均采用改性沥青,混合料的抗拉强度低,温度应力反复作用使沥青面层的薄弱处疲劳破坏而产生裂缝。

(2)上面层沥青砼的抗拉强度低,不能抵抗温度应力,主要原因是沥青较稠即针入度较小。较稀的沥青有利于提高沥青砼的抗温度裂缝能力。

(3)与构造物连接处的横向裂缝的产生是因为与构造物相邻接的填土路堤完工后,对其沉降观测不到位,还未达到沉降变化小于1 mm/(3 d)这一标准时就进入下道工序,导致整体完工后路面沉降,使得与桥梁或隧道连接处产生裂缝。

(4)细而短的呈不连续状态且聚集在一起的纵向裂缝是由于路基局部不均匀沉降而造成的张拉裂缝。路基不均匀沉降是由于地基和路基填土在横向由各种原因(如施工)造成的,尤其是当表面水渗入地基时,会严重加剧路基的局部不均匀沉降。

(5)路肩上的狐线形纵向裂缝主要发生在局部洼地路段。路堤位于洼地内,遇到雨季降雨时,表面水会流向路堤两侧,加之部分边沟堵塞破损造成排水不畅,形成积水,积水慢慢渗入路基下部的边部土层中形成弧形水线,边部土层产生固结变形,导致产生路肩部的弧形纵向裂缝。

(6)网裂是由于半刚性基层局部没有形成完好的整体,使得局部路面的承载力明显不足,在轴载作用下,局部路面产生网裂并伴随凹陷现象。

3.2 车辙成因

(1)沥青砼面层施工铺筑时压实度不够,在开放交通后,轮迹线上的沥青面层明显被压缩固结。

(2)交通量增长迅速,超重车、集装车、牵引车的数量不断增加,过度的行车荷载作用是造成该高速公路车辙严重的主要外因。

(3)重载和超载车辆行驶速度较慢,作用时间长,加之这类车辆较多,重载的反复碾压使路面产生塑性流动和永久性变形,同时出现横向微微隆起,形成行车道车辙。

(4)该高速公路部分路段位于山岭重丘区,坡度长且陡,上坡时车辆通行缓慢,作用时间长,加剧了沥青路面使用时的蠕变发展。另外,下坡时在汽车制动力作用下,作用力大大超过路面的抗剪强度,产生严重的坡道车辙。

(5)面层沥青砼中的沥青均为改性沥青,沥青砼的高温稳定性不足。夏季高温时,路面温度可达50℃,在行车荷载作用下,中面层不能抵抗过大的压密变形和剪切变形而产生车辙。

4 结语

根据该工程存在的问题及成因,就病害的预防提如下建议:1)山区公路路线设计中尽量避免陡坡,综合评估下尽量使用缓坡,以减少坡道路段车辙的产生率,保证行车安全。2)气候及环境复杂地区的路面设计中采用合理级配并使用改性沥青,以提高路面抗力。3)加强施工期质量控制管理,保障合理设计下的工程质量,特别是半刚性基层的均匀性。4)道路投入运营后加强日常养护管理,及时发现病害并采取有针对性的治理措施,对症下药,保证治理的有效性。

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收稿日期:2015-10-04

基金项目:∗国家自然科学基金资助项目(51368015)

中图分类号:U418.6

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0132-02