浅谈广州市北二环高速公路破损情况及原因分析

中交第二公路勘察设计研究院有限公司 / 张晨 程磊 张航 余航

引言

本文通过结合北二环高速公路改扩建工程实例，针对公路路面的破损情况进行合理地分析，并将路面承载力与其他指标的相关性进行交叉评价，能够帮助相关人员进一步了解高速公路典型病害的发生机理，后期采取良好的修复措施，延长公路的运行寿命。

1 案例概况

本项目起于广深高速相交的火村互通，东部和二环高速公路连接，公路北部经过岗、长平后转向西经太和、人和等乡镇，最终和广清高速相交的龙山实现互通。为了更好地了解该公路改扩建项目路面的基本情况，我司相关人员对既有道路进行了实地勘察。

2 路面破损和性能评价分析

2.1 路面结构现状

经查阅建设期竣工图纸及历年养护、大修图纸，整理后北二环的路面结构如下表所示。

针对不同类型的路面病害进行统计分析后得知，路面破损指数PCI为92.31，路面病害主要表现为横向裂缝、纵向裂缝、块状修补，局部存在龟裂与坑槽病害，具体见表二。

表一 北二环高速公路路面结构

表二 北二环高速病害统计分析

经过计算，病害密集段落的横缝间距率高达5～15m（每百米6～20条不等），且与纵缝交错并伴随支缝。

2.2 路面弯沉检测

在2021年1月份，检测人员对北二环高速公路硬路肩与行车道进行弯沉检测，进而更好地掌握路面承载力，为了更好地展示项目地的路面承载力，在弯沉测试过程当前，对传感器进行了合理的布设，传感器的布设位置分别是0、20cm、30cm、45cm、60cm、90cm、120cm、150cm、180cm，这样能够得到有效的弯沉盆，并反算各结构层模量。

结合各个测点单点弯沉值，通过准确计算可以得出各个路段的路表弯沉代表值，并以1km作为一个评价单元，进行准确的统计，因荷载中心弯沉值和远端弯沉值与路面结构的强度、土基回弹模量具有比较强的线性关系，故分析其数据样本中的变异系数及标准差能够较为准确地反映路面的受力情况。

FWD测试原理图

经实测路面整体的弯沉代表值为12.5（0.01mm），设计弯沉为20.4（0.01mm）；弯沉盆反演模量后表明沥青面层模量在6127MPa，基层模量在5787MPa，底基层模量在3372MPa，土基模量在192MPa。但各单元的弯沉代表值及反算模量的标准差在3～15之间变化，经对比，标准差较大段落与裂缝密集段落有显著的正比关系，说明虽然弯沉代表值未超过设计值，各结构层模量也在合理范围内，但不意味着路面结构层受力良好。

2.3 路面钻芯取样

结合路面的实际破损情况及弯沉标准差较大段落，进行钻芯取样，检测频率为全幅1个/km，确保覆盖硬路肩与行车道。在此次钻芯取样过程当中，总共取芯40个，病害处20个，完好处20个。根据钻芯取样结果可以得知，路面出现的横向裂缝，主要表现为面层、基层开裂，且缝痕下宽上窄，为典型的反射型裂缝；纵向裂缝主要表现为上、中面层开裂，基层完好，且缝痕上宽下窄，多为轮迹带，为疲劳型裂缝；但在局部完好部位，也发生了基层开裂现象。观察取芯孔壁的情况能够得知，病害处芯样的结构层间粘结较差，且有粒料剥落、啃边现象，可能由于公路运营年限较长，其自身的胶结能力不断下降，使得基层的强度逐渐衰减。

2.4 无侧限抗压强度

考虑到北二环高速公路位于广东地区，属于亚热带气候，常年处于梅雨季节，故进行强度测试的时候将试件泡水24h模拟最不利的水环境条件，然后开展无侧限抗压强度试验。经实测，易发生横向裂缝病害处芯样的无侧限抗压强度为12.5～16.2MPa，较少病害处或无病害处的测试结果在5～8MPa之间。

2.5 原因浅谈

根据检测结果北二环的路表弯沉远未超过设计值，但路面病害依然很多，局部横缝达到了20条/百米，且弯沉代表值、反演回弹模量标准差较大段落与横缝密集段具有很好的吻合度，现场钻芯取样的情况及横缝密集段与完好处的无侧限抗压强度表明路面反射型横缝的产生与材料有很大的关系。

横向裂缝：在高速公路建设时期，由于基层水泥的使用量比较高，使得基层的施工强度与承载能力均比较高，但是高强度、高承载力不一定意味着最好的路用性能，这是由于较高强度的半刚性基层会导致较大的干缩、温度裂缝的产生，从而导致面层产生反射裂缝，同时雨水会从裂缝中下渗，并聚集在面层和基层中间，降低了沥青层与半刚性基层层间的链接状态，从而加速了路面结构的破坏。加之重载交通的情况下，基层作为主要受力层失去了抵抗拉应力的能力，在开裂位置将应力传递给面层，形成面层在开裂缝处的应力集中。特别是在冬季，温度梯度高，沥青面层的模量较大，它仅能承受较小的温度应力，裂缝处的应力集中现象使交通荷载产生在沥青面层下部的拉应力比没有裂缝的部位要大，容易超过沥青混凝土的极限拉伸应变，致使沥青面层也跟着开裂。此外，因为沥青层厚度薄，摊铺温度高，下承层温度低，巨大温度差异，导致摊铺的混合料在接触面上热量快速的散失，摊铺层下部温度快速降低，沥青稠度迅速升高，使摊铺层底部压实效果较差更容易导致基层裂缝向面层的蔓延。

纵向裂缝：由于上面层疲劳开裂后，在动水压力作用下，水分聚集在上面层内部，在交通荷载的作用下，这些聚集在面层内部的有压水反复侵蚀沥青和集料，导致沥青膜的剥落，沥青膜在真空吸力等因素作用下，移动到路面顶部，加剧了水进一步侵蚀到基层的可能性，导致基层开裂、松散。其中还有一个问题不能忽视，那就是层间分离，造成沥青面层层面粘结不好的原因有好几方面。我们认为主要有两点：第一点就是前面提到的裂缝开裂后水的进入会形成层与层之间的软弱夹层，荷载作用下加剧了层间的分离；第二点就是沥青混合料摊铺过程中，由于每个沥青层的厚度较薄，摊铺温度很高，而下承层温度很低，巨大的温度差异，使摊铺的混合料在接触面上热量迅速散失，摊铺层下部温度迅速降低，沥青稠度又迅速升高，使摊铺层底部难以压实。

3 结语

综上所述，本文主要对高速公路的路面破损情况及原因进行浅要分析，结合最终的检测结果可以得知，反射型横向裂缝处的基层无侧限抗压强度较大，是因为水泥用量过高，使得路面出现严重的干缩、温缩裂缝。同时，在路面病害密集段落，其弯沉值代表值、反算模量的标准差要高于正常路面，故对路面承载力的评价不能单一的靠全线弯沉值判定，需要对不同病害进行段落划分，并结合多种指标进行综合分析。