结构内排水技术在高速公路路面及桥面上的应用

司金友

【摘要】阐述高速公路路面及桥面常见病害，分析病害成因，分别从材料选择及结构调整进行病害治理。

【关键词】高速公路；病害；治理

随着我国新一轮五年计划的到来，在新一轮的基础建设来临之际，总结上一轮高速公路建设的经验教训，有针对性地解决高速公路沥青路面建设中存在的问题，对提高高速公路建设质量有着重要的指导意义。

一、 高速公路路面及桥面常见病害

长期以来，由于沥青材料和高质量施工机械的缺乏、经济基础的落后，为适

应交通量的发展和重载交通的需要，“强基薄面”成为我国沥青路面建设的指导思想。半刚性基层沥青路面是当前高速公路建设的主要结构形式。该基层具有良好的力学性能、较好的板体性及整体性，设计优良的半刚性基层完全满足高等级公路技术要求。但半刚性基层材料压实成型后非常致密，几乎成为完全不透水的层次。限于当前路面施工水平，沥青面层不能完全封住水的下渗，在多雨潮湿地区，降水易通过路面接缝和空隙渗入至路面结内部，水将积存在基层表面而无法排走。在交通荷载作用下，积存水将形成动水压力，冲刷着半刚性基层材料、面层，形成唧浆，面层易发生剥落诱发松散，成为沥青路面水损害的重要原因。另外，由于半刚性基层材料存在自身难以克服的缺点，那就是很容易在温度变化及水分散失时产生很大的收缩变形，会形成基层材料的收缩裂缝，铺筑沥青面层后，沥青层在路面荷载作用下，基层的收缩裂缝会逐渐发射到沥青面层上而形成反射裂缝。该反射裂缝是目前半刚性沥青路面存在的质量通病，通常在通车一两后出现，初期的路面裂缝对路面的服务性能影响很小，但是路面裂缝在行车荷载、雨水的作用下，产生唧泥、裂缝扩展、路面沉陷等病害。

桥梁作为公路建设项目中的重要组成部分，在高速公路特别是城市高速公路总里程占有相当比例，其结构的耐久性及桥面的使用功能直接关系到高速公路的运营质量和服务水平。性能优良的桥面铺装体系，不仅能为桥梁提供行驶性能良好而耐久的桥面，而且能为桥面板的有效防护体系，当前绝大多数高速公路建设工程不做专门的桥面铺装设计，多采用与相邻路段相同的中上面层沥青混合料直接加铺，铺装层与桥面板之间采用铺弱沥青类防水连接层（如乳化沥青，聚氨酯溶剂型沥青粘结剂等）。由于桥面铺装在受力和使用上的特殊性，大多数已建成通车的桥面铺装基本先于主线产生破话，主要破坏类型包括：水损害、车辙、剪切等病害。

二、 病害成因

1.水损害

桥面铺装结构中雨水不可避免地通过铺装面层孔隙或表面裂缝进入铺装层内部，且得不

到及时排除，雨水长时间的浸泡以及行车引起的动水压力反复作用会导致混合料的剥蚀，直至松散破坏，桥面铺装唧浆、坑塘现象明显。水损害还会导致粘结层功能的丧失，加速桥面铺装破坏。防水黏结层设置不合理会导致渗水进一步浸入结构物，对桥梁结构本身造成损害，增加桥梁的维修成本，缩短桥梁的使用寿命。另外，作为桥面铺装重要组成部分的伸缩缝边缘外，水损坏比较明显。病害调查分析表明伸缩缝下端虽安设了泄水孔，但由于伸缩缝边缘缺少透水通道，泄水功能得不到发挥，积水现象明显。在交通荷载作用下，伸缩缝边缘沥青混凝土即发生水损害，例如上海已建成德尔高速公路、环线高架等桥面铺装，伸缩缝处跳车现象严重，便与此原因有关。

2.车辙

桥面铺装一般较薄，作为其基础的水泥混凝土面板刚度很大，在车辆荷载的作用下，沥青桥面铺装的受力状态比普通路面的中上面层要苛刻得多，受到较大的压应力和剪应力作用下，加上高速公路交通的渠化现象，行车道轮迹处的混合料产生较大的竖向变形。同时，沥青混合料中级配不合理、沥青含量偏大、沥青温度敏感性高、粉胶比过大等都直接影响铺装材料的高温稳定性，加剧了桥面铺装的车辙破坏。

3.剪切破坏

沥青混凝土桥面铺装的剪切破坏表现为两种方式：铺装层内部的剪切破坏和铺装层与桥面混凝土板之间的剪切破坏。行车水平荷载作用下，铺装层上部产生较大的剪切应力，夏季高温时，沥青混合材料抗剪强度降低，在铺装层内部易发生不确定破坏面的剪切破坏。

三、 采取对策

通过对上述病害成因的分析，表面降水在高速公路桥面内部的积聚是导致高速公路病害

的重要原因。国外经验表明在路面结构内设置排水基层，将积滞其中的水分排除到路面和路基之外，可以改善路面的使用性能，延长其使用寿命，加州大学伯克利分校的调查研究认为：采用排水基层的沥青路面使用寿命可比不排水沥青路面最少可延长4年，提高幅度达30%以上，另外美国加州交通运输部调查结果表明：该州每年建造的路面，采用内排水的路面能节省1100万美元以上的维修养护费用，可见，采用内部排水设施所增加的资金投入，可以很快从路面使用性能提高、使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。该技术在法国、美国、日本等西方国家得到广泛的应用，我国对排水基层沥青路面的研究尚处于起步阶段。

1.基层材料的选择

排水基层材料的性能研究是整个路面内部排水系统研究的基础。路面内部排水系统的设置效果很大程度上取决于排水层材料的透水能力，同时，排水基层作为路面结构的一部分，还需满足一定的力学性能和耐久性要求。与传统基层材料不同，排水基层材料的级配组成、材料用量等方面都有专门或特殊的要求，既要保证良好的排水性能，又要保证该材料作为路面结构一部分，具有一定的力学强度。然而，高渗透性和强度两者之间是此消彼长的矛盾关系，因此，有必要对排水基层材料的性能和材料的组成进行深入细致的研究，已选择具有良好性能的排水基础材料，有效地指导排水层材料的设计。

2.结构调整

通过对上海及周边省份沥青路面使用的经验、教训及课题研究成果的分析，对路面结构进行适当调整：沥青中下面层层厚应作适当的增厚，沥青面层与混合料分称尺寸相协调，路面均匀性、压实质量、抗渗能力得到大幅度提高，沥青层的加厚可延缓反射裂缝的发生，路面早期损坏现象得到大幅度地减少。

桥面铺装结构部分，首先应进行桥面防水粘结层的选用，桥面防水黏结层主要起到防止水分深入桥面，连接上部沥青结构与混凝土桥面的作用。常用的防水黏结材料有热融型黏结层、溶劑型沥青橡胶黏结层和热固性环氧黏结。其次是透水层混合料类型选择，一般采用开级配抗滑磨耗层，该混合黏结层具有良好的高温稳定性和透水性能。再次是铺装面层SMA混合料的选择，一般采用改性沥青配置不同粒径的SMA混合料。最后采用有限元软件分板混凝土桥面的铺装层的受力特性，重点分析铺装层底部拉应力、上铺装层内部的水平剪应力、各层次之间的剪应力以及防水黏结层的内应力。

通过上述步骤并结合相关实验结果分析，提出透水桥面铺装结构形式，同时设计桥面边缘排水系统。

采用结构内排水技术，可以降低动水压力对结构层的冲刷，对提高沥青路面、桥面的使用性能有不可忽视的作用。在新一轮道路建设中处治这些路面病害，对提高高速公路沥青路面质量、延长高速公路路面及桥面的使用寿命、节约建设总体投资等都要有重要的意义，为后继的高速公路建设具有重大的指导意义。

参考文献：

[1]《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）

[2] 《21世纪高等学校土木工程专业规划教材·公路路基路面工程（精编本）》作者 战高峰

[3] 《高等学校工程管理专业应用型本科规划教材：公路工程材料》作者 柳俊哲