高速公路早期病害预防措施探讨

2014-04-15李国威

交通运输研究 2014年7期

李国威

（河北路桥集团第一工程有限公司，河北邢台 050400）

1 引言

对我国不同地区约39条高速公路的调查研究表明，各个工程的早期损坏发生形态不同，原因很复杂，既有个别性，也有普遍性。分析可知，我国高速公路沥青路面存在两种性质不同的早期损坏。

第一类早期损坏是一般意义上的早期损坏，是在通车后短期内发生的，如水损坏、车辙和开裂等早期损坏，它们基本上都是局部的、个别的，大部分表现为局部的坑槽、松散、车辙、推拥的流动性变形、各种裂缝、桥面铺装损坏、路基不均匀沉降和构造物接头开裂等等。这些损坏通过局部性的维修和铣刨可以得到缓解。

另一种类型是更深层次的早期损坏，它是指沥青路面的耐久性差，达不到设计年限就进行大修，导致使用寿命缩短的情况。这种损坏的影响更大，治理困难，原因带有普遍性，与我国采用的半刚性基层沥青路面结构类型及设计方法有关，更应该引起重视。

造成沥青路面的早期损坏有一个共同的外因是超限超载车辆的通行，已经成为破坏公路的“第一杀手”，但是外因是通过内因起作用的，损坏原因全归结于超载是不科学的。因此，在努力治理超载的同时，还必须从管理、设计、施工和养护等方面找原因。

2 高速公路早期病害成因

2.1 沥青路面的水损坏

沥青路面的水损坏有两种类型：

（1）当沥青层较厚，中下层的沥青层密水性较好时，水损坏往往局限于表面，或发展成为自上而下的水损坏；

（2）沥青层较薄的半刚性基层沥青路面的水损坏大部分表现为自下而上的，如水从裂缝及空隙率大的部位渗漏，又不能从基层排出，使基层表面形成唧浆、网裂、坑槽以及疲劳损坏。

我国高速公路的损坏主要是第二类水损坏，它一般发生在雨季、春融季节，行车道破坏比超车道严重，显然与重车、超载交通有关。发生水损坏破坏的地方一般是透水较严重且排水又不畅的部位，挖开可见下面有积水或浮浆，沥青混合料在动水压力的作用下逐渐产生剥离而松散，形成坑槽。为防止水损坏可采取的措施有：（1）做好封水和防排水设计，应努力减小沥青混合料的离析，杜绝沥青层施工污染；（2）采用消石灰提高沥青混合料的抗水损坏能力；（3）采用合理的级配，控制空隙率和渗水系数；（4）采用改性沥青和小粒径的SMA磨耗层；（5）加强碾压，尤其是采用轮胎压路机搓揉压实；（6）要做好透层、封层的设计和施工；（7）防止各施工工序的相互干扰，防止沥青层在施工中受到污染，影响沥青路面各层成为整体。

2.2 车辙、推拥等流动变形

在高速公路车辆渠道化以后，车辙逐渐成为主要病害。由于我国普遍采用半刚性基层沥青路面结构，基层本身的变形不是主要的，基本上都是沥青混合料产生的流动性车辙。其主要成因是路面在高温情况下劲度模量大幅度降低，抗剪切变形能力不足以抵抗超载和重载车作用下的剪应力，尤其是在长大纵坡上坡路段，由于重载车车况差、爬坡车速降低，车辙更为严重。在车速、荷载、温度三个影响因素中，影响最大的是车速（长大纵坡），第二是荷载，然后是温度。车辙不仅发生在表面层，更多地发生在中面层甚至下面层，越是重载，影响越深。

为了防治车辙，可采取如下措施：（1）采用针入度小、黏度大的沥青；（2）使用粗糙度大的集料；（3）采用改性沥青、粗型的S型嵌挤密实型级配，并适当减少油石比；（4）在配合比设计时适当加大空隙率在施工时加强碾压，建议参照国外经验，在夏季高温日子的高温时段封闭重载交通。

在沥青路面属于整体连续的条件下，沥青层的厚度增加会使车辙变形增大，但超过18～20cm厚，不会再有大的变化，当半刚性基层和沥青层的界面为滑动状态时，沥青层底部的剪应力成倍增加，会产生大的变形和推移。这也是京津塘高速公路和广深珠高速公路并没有产生大的车辙，但相当多的薄沥青层路面反而车辙严重的原因。

2.3 裂缝

沥青路面开裂是国际上最普遍的损坏现象之一，只不过是裂缝发生的早晚、多少及裂缝的类型有所不同。我国沥青路面的裂缝有横向裂缝、纵向裂缝、网裂、沉降裂缝等。

（1）横向裂缝

横向裂缝有寒冷季节由于气温骤降和反复温度变化的疲劳产生的温缩裂缝，半刚性基层的干缩和冷缩开裂造成沥青路面的反射性裂缝，或者两者综合作用产生的裂缝。对于温缩裂缝至今国际上并没有有效的根治措施，其不属于早期损坏。对半刚性基层沥青路面的反射性裂缝可以通过控制半刚性基层的强度，改善施工条件加强养生，减小收缩，及时喷洒养生剂和透层油，减少矿料级配中的细料，调整级配，设置级配碎石过渡层等措施加以防治。

（2）自上而下的表面裂缝

近年来国际上对沥青路面自上而下的表面裂缝研究甚多，发现当沥青层较厚时，由于路表面沥青容易老化，沥青混合料的自愈能力逐渐丧失，极限拉伸应变不断减小，在车辆荷载直接作用下，会在轮迹部位产生大的拉应力或剪应力，导致路面产生开裂。据对首都机场高速公路和京津塘高速公路的钻孔调查表明，这些路面除了一些早期产生的横向裂缝外，普遍存在表面裂缝，并发展成为网裂，它存在于行车道、超车道，甚至硬路肩。但我国沥青路面的表面裂缝有相当部分与由于沥青层的层间污染没有很好地黏结成为整体，首先使表面层或上、中层压碎有关。

（3）自下而上的疲劳裂缝

由于我国的沥青层较薄，高速公路沥青路面的纵向裂缝和网裂比较普遍，其原因是路面承载能力不足，导致路面的结构性损坏。基层结构松散，尤其在有雨水的不利季节，承载能力不足以承受超载车和繁重交通的作用，造成路面大面积损坏。基层松散的少数原因是施工时没有成型，大部分是由于半刚性基层在施工过程中水泥剂量和强度过高，收缩导致严重开裂，使整层的半刚性基层分裂为大块，在使用过程中又逐渐破碎为小块，最后成为碎块。

3 高速公路早期病害预防措施

3.1 合理选择沥青路面的结构形式，提高沥青路面的耐久性，延长使用寿命

力学分析表明，无论在连续或者滑动界面条件下，半刚性基层沥青路面的使用寿命取决于基层，因而最终无法避免路面损坏就必须维修基层的问题。这与目前国际上十分重视的“永久性路面”的观念，即路面损坏维持在表面，不需要维修基层，以便通过预防性养护可以长时间使用下去的观念是格格不入的。

按照“永久性路面”或者“长寿命路面”的概念，沥青类厚度和基层的模量对延长疲劳寿命有十分重要的意义，当沥青层超过一定厚度时，路面结构层应力足够小，弯拉应变低于一个极限临界点，良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。由于沥青混合料自身有一定的自愈能力，沥青层底也不会产生疲劳损伤。

3.2 做好半刚性基层沥青路面的大修

综合国内外的经验，从我国的实际情况出发，高速公路的大修改造必须遵循以下原则：

（1）确保交通畅通和交通安全，尽可能减小对交通的影响，防止因维修路面造成交通堵塞，防止因维修而出现交通事故；尽可能缩短施工路段长度，缩短总的维修工期，充分利用夜间施工；

（2）尽可能防止施工车辆干扰正常行车，设专人指挥交通；

（3）尽可能防止因维修施工造成新建沥青层层面的污染，影响沥青层层与层之间的黏结；

（4）一次维修以后不至于在短期内再次大修，确保耐久性；

（5）必须仔细检查排水设施，解决路面破坏的“元凶”；

（6）大修中要加强超载车辆管理，杜绝此类车辆进入维修路段。

目前，开挖半刚性基层后铺筑沥青碎石、级配碎石基层是较好的方法。由于旧路的弯沉往往与损坏程度不对应，在铺筑加铺层后由于水文条件的变化，弯沉会大幅度改善，采用旧路弯沉设计加铺层是不合理的。

3.3 确保路基稳定，防止路基滑塌和不均匀沉降造成路面损坏

由于路基变形、滑塌造成路面早期损坏的情况在山区和地基不良路段是常见的。路基施工的关键是压实，对湿陷性黄土地区，建议根据不同的路基情况采用以下措施：

（1）填土高度小于5m，湿陷等级为Ⅲ级以下，地基土的天然含水量位于ωopt-3≤ω≤ωopt+2之间时可采用冲击碾压；

（2）湿陷等级为Ⅲ级及Ⅲ级以上，地基土的天然含水量位于10≤ω≤ωopt+3之间，处理深度为3～6m时可采用强夯；

（3）在地下水位以上，处理深度为5～10m，Ⅱ级以上自重湿陷性黄土地基可采用灰土挤密桩法；

（4）当处理湿陷性黄土地基来提高其承载力同时要求增强水稳定性时，处理深度为1～3m时宜采用灰土垫层法。

鸡爪沟地形的路基施工应将沟底的表层腐殖土等清除干净，并用重夯或高速强力夯实机等压实，当沟底存在软弱地基时应视具体情况采用塑料插板、反压护道、挡墙支护等方式加固。对鸡爪沟地形路堤的分层填筑应在填挖交界处开挖反向台阶，对原90区的压实度宜提高至93%以上，路堤可采用冲击压路机进行分层增强补压。边坡不宜采用易被冲刷的粉砂土，否则应做好相应的包边护坡。要加强排水，山区鸡爪沟地形的路床、填挖结合处、高填方等应进行冲击增强补压。当路基完工后的月沉降速率在3mm/月以内，可以铺筑路面。