大同市重载交通水泥路面病害调查与分析

李 保

(大同北高速公路管理有限公司，山西 大同 037000)

从1865年英国在苏格兰因佛内斯修建的第一条水泥路面开始，现代水泥路面在很多国家开始发展起来。在欧美国家高速公路网中，水泥混凝土路面总量占一半左右，从使用效果来看，绝大多数水泥混凝土路面使用现状达到了设计要求，部分水泥混凝土路面使用寿命达到50 a以上，特别是德国、比利时等国的水泥混凝土路面表现出非常优异的长期使用性能。我国高等级公路水泥路面主要集中在山西省、内蒙自治区、河北省、广西省、广东省等地，总里程数不足5000 km，近年来，很多路也已被加铺。笔者所在大同地区目前仍有超过200 km高速公路水泥混凝土路面在运营，本文结合相关检测数据和路面病害调查结果分析大同市周边高速公路水泥路面的服役性能，以期为我国水泥路面的建设提供参考。

1 调研方法

1.1 调研路段

2019年度对大同北公司所辖公路部分路段进行了全面检测，检测路段长度共计485.054 km，按照《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)相关规定进行了路面技术状况评定。

1.2 检测设备

路面损坏、路面平整度和路面车辙检测采用目前国内先进的“多功能路况快速检测系统(CiCS)”。CiCS系统由公路养护技术国家工程研究中心研制开发，是我国第一套具有完全自主知识产权和世界先进技术水平的多功能路况快速检测设备，它能够在正常车流速度下，一次性完成路面损坏、路面平整度、路面车辙和前方图像等多项技术指标的检测工作。

1.3 人工测量

对部分典型病害路段进行了人工步行测量。记录了病害位置、病害类型、病害程度等信息。

2 水泥路面技术状况评价

以得大高速水泥混凝土路面检测数据为例，分析其技术状况。

2.1 得大高速水泥混凝土路面结构

得胜口-大同高速公路是二连浩特—河口国道主干线山西境内的一段，得大高速公路起点为省界得胜口，终点与京大高速公路马连庄互通衔接，全长47.3 km的高速公路横穿2.2 km的亮马台隧道，纵跨赵家窑水库，平托两道长城，是一条全封闭的四车道水泥混凝土路面高速公路，设计时速为100～120 km/h。设计标准轴载BZZ-100，设计基准期为30 a，主线路面结构为接缝设置传力杆的28 cm水泥混凝土面层+20 cm水泥稳定碎石基层+38 cm二灰稳定砂砾。采用先进的水泥混凝土路面滑模施工技术施工，2005年10月建成通车。

2.2 15 a年龄期技术状况分析

下行方向超车道、行车道、边车道的路面状况指数PCI随路线桩号分布规律如图1所示，断板率DBL随路线桩号分布规律如图2所示；上行方向超车道、行车道、边车道的PCI随路线桩号分布规律如图3所示，DBL随路线桩号分布规律如图4所示。

图1 下行方向三个车道的PCI随路线桩号分布

图2 下行方向三个车道的断板率随路线桩号分布

图3 上行方向三个车道的PCI随路线桩号分布

图4 上行方向三个车道的断板率随路线桩号分布

从图1～图4可以看出上下行方向水泥路面技术状况(PCI和DBL)存在明显差别，上行方向即轻交通方向技术状况(PCI和DBL)均优于下行重载交通方向。超车道和变车道技术状况(PCI和DBL)均优于行车道。检测路段的PCI和DBL数据统计结果汇总于表2，从表中可以看到，DBL在不同路段差异性较大，存在部分路段断板严重现象。

表2 得大高速公路水泥混凝土路面技术路况参数汇总

3 水泥路面主要病害类型及成因分析

3.1 病害类型

从对得大高速公路水泥混凝土路面路段调查结果可以看出，主要病害发生在重载交通车道和全线桥面铺装层，重载交通车道的病害类型和所占比例如图5所示。主要病害为裂缝类和破损类，接缝错台次之，角隅断裂等病害较少。

图5 得大高速公路上行线主要病害类型比例

3.2 病害原因分析

3.2.1 环境因素

图6为大同三种天气条件下标准厚水泥混凝土路面的温度梯度的日变化曲线，图7为大同地区晴天的情况下，不同厚度的水泥混凝土路面温度梯度日变化曲线。由图中可以看出：晴天状况下水泥路面内温度梯度幅值较阴天和雨天大很多，随着路面厚度的增加，温度梯度的变化幅度减小，并且极值出现的时刻均出现了一定的延后。相对于国内其他地方，大同地区水泥路面温度梯度幅值更高，峰值可以达到80℃/m，在路面内产生的温度应力也远高于其他地方。

图6 大同不同天气情况下水泥混凝土路面温度梯度日变化曲线

图7 大同晴天情况下水泥混凝土路面不同深度温度梯度日变化曲线

此外，对于水泥混凝土路面而言，气温的交替变化，尤其是正负温的交替作用是影响水泥混凝土耐久性的重要指标。如图8所示，大同处于有冻且干燥地区，路基冻胀效应对路面的影响较小，但路表高频次冻融循环对混凝土耐久性产生显著影响。

图8 大同在我国水泥混凝土路面气候分区中的位置

3.2.2 荷载因素

得大高速公路存在大量运煤车辆，调查发现重载车辆轴型种类集中，前轴几乎都是单轮组单轴型式，且由于超载时荷载重心偏后，前轴重受超载影响较小，一般在20～80 kN，前轴轮胎的充气压力随轮胎的结构形式不同(斜交胎或子午胎)而略有变化，一般为0.5～0.8 MPa，通常可假定与地面的接触压力就等于内部充气压力。车身后部的承重轴有单轴、双联轴或三联轴三种类型，轴(组) 荷载随超载程度的增加而增加，三种轴型最重荷载分别为170 kN，290 kN和430 kN。承重轴的轮胎构型基本都采用双轮组型式，为满足承载要求，后轴的轮胎内压比较高，正常情况下在0.60～0.85 MPa之间，超载比较严重时也可达到1.0 MPa。从路面状况和病害情况可以看到，相同路面结构与气候环境下，重载交通与轻载交通差异非常明显，行车道短板率高于超车道。

4 结 语

得大高速水泥混凝土路面2005年建成通车，至今已15 a，从路面整体技术状况来看，表现出了较为优异的使用性能，由于重载交通影响，重载车道部分潮湿路基路段和桥面铺装混凝土出现了较为严重的断板开裂问题，其原因在于路基冻涨融沉导致了支撑的不均匀性，重载与大温差耦合作用增大了板内应力水平，今后在重载水泥混凝土路面新建和养护设计中应予以重视。在大温差地区应考虑车辆荷载和温度变化综合作用下水泥混凝土路面的极限断裂和疲劳断裂问题，在地下水位较高路段应考虑冻胀融沉作用可能导致的路基模量不均匀问题，在设计方法中补充和完善。