西部寒旱地区公路路面开裂病害分析

沈 瑜，王新新，王博伟

(1.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070；2.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023)

西部寒旱地区公路路面开裂病害分析

沈 瑜1，王新新2，王博伟1

(1.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070；2.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023)

西部寒旱地区海拔较高、气候恶劣，在干湿冻融循环、冷热交替、水分和外部荷载等因素的影响下工程地质会发生变化，使得公路发生不同种类和程度的病害影响，路面开裂是公路病害最常见的类型。对于西部寒旱地区公路路面开裂病害的类型和成因进行分析，包括低温收缩开裂、变形开裂、剪切开裂、反射开裂、疲劳开裂等，对西部寒旱地区公路施工技术措施进行研究。

西部寒旱地区；低温收缩开裂；变形开裂；剪切开裂；反射开裂；疲劳开裂

0 引言

西北寒旱地区主要指中国气候寒冷、干旱地区，中国西北部大部分属于这种地区，主要包括新疆省全部区域、青藏高原北部和东北部地区、甘肃省大部分区域、宁夏省全部区域、青海省全部地区、内蒙古西部以及陕西省北部地区，干寒地区最低平均气温在-30℃～-10℃之间，气候寒冷干燥。寒旱地区地处中国西北部，受海洋气流影响较小，加之这些地区海拔较高，高原地形作用明显，因此造成了干旱寒冷的气候背景。寒旱地区海拔较高，高山环绕，盐碱地分布广泛，由于干燥、寒冷、温差、强紫外线和大风等气候特征形成了干湿冻融循环、冷热交替等典型的自然条件，长久的低温会使地质形成冻土情况。

在西部寒旱地区修筑公路，由于干湿冻融循环、冷热交替、水分和外部荷载等因素的影响[1]，工程地质会发生变化，使得公路发生不同种类和程度的病害影响，不同的原因造成不同的病害表现形式，例如路基冻胀、路面沉陷、翻浆和路面开裂等。特别在全球环境变暖和人类活动日益频繁的形式下，西部寒旱地区沿线的地质情况出现复杂性和多变性等情况。所以，对西部寒旱地区公路病害的类型进行分析，以缓解公路病害的发生是当前迫切需要解决的问题。路面开裂是公路病害最常见的类型，本文对于西部寒旱地区公路路面开裂病害的类型和成因进行分析。

1 西部寒旱地区公路路面开裂病害类型

1.1 低温收缩开裂

西部寒旱地区最低平均气温在-30℃～-10℃之间，而且低温气候持续时间长。沥青材料对温度的敏感性很强[2]，温度降低时，沥青混合料的粘滞流动性减小，沥青的强度增大，沥青材料开始收缩。当路面体积收缩率超过粘滞流动允许的范围时，会在路面产生温度应力。当温度骤降时，沥青路面产生的收缩应力会超过沥青混合料的抗拉强度，造成表面开裂。路面在沥青强度变化的过程中就会造成低温收缩路面开裂现象。西部寒旱地区发生气温骤降的概率比其他地区要高很多，所以低温收缩开裂是西部寒旱地区公路常见病害之一。西部寒旱地区海拔高，受到紫外线辐射强度大，沥青路面老化严重，抗低温强度变差，也是寒旱地区公路路面容易产生低温收缩开裂的原因之一。

低温收缩开裂的表现形式以路面横向裂缝为主，其它有大块状裂缝或者纵向裂缝。裂缝大小和覆盖范围根据路面沥青的质量、面层的混合材料和基础材料的特性不同而变化。横向裂缝有的横向贯穿整个路面，见图1；有的是路面边缘处开始的不贯穿裂缝，边缘处裂缝宽度大，向路面中间延伸逐渐变窄直至消失；有的是路面中间裂缝，由中间向边缘处的裂缝宽度逐渐变窄。

图1 横向裂缝

1.2 变形开裂

在西部寒旱地区，干湿冻融循环是常见的自然现象。西部冬季气温骤降，造成公路路基低温冻结，路面扯裂或冻胀隆起；随着天气气温转暖，路基土层颗粒之间冰晶融化，由浅土层开始融化，深土层继续冻结，冻结层变成不透水层。不透水层造成浅土层中的水分不能及时排出，水分的增多使得土壤松软，路基强度骤降，承载力下降，在外部行车负荷下，公路路基发生变形，并导致路面下沉开裂，严重时甚至形成翻浆。所以，变形开裂也是西部寒旱地区常见的裂缝病害之一。

变形开裂的表现形式为路面下沉，形成路面凹坑、开裂或者网状开裂。当路基变形程度较轻时，主要表现为路面整体下降，但沉降量较小，路面基本平整，有时会有小凹坑。当路基变形程度严重时，路基沉降量大，引起沥青层面开裂或隆起，随着负载外力的反复作用和内力的时延，造成开裂严重形成网裂。

1.3 剪切开裂

西部寒旱地区路面的剪切开裂发生在陡坡路段的概率较大。在行车外力作用下，沥青面层底部弯拉开裂和路基的剪切滑移破坏容易造成公路路面的剪切开裂[3]。此外，沥青路面老化造成的沥青面层稳定性差、抗剪切强度弱[4]，所以沥青面层与路基粘结力不足，在外部车辆加速或者紧急刹车时容易对公路路面形成剪切开裂。

剪切开裂的表现形式是沥青面层变形，路面结构层裸露出路面。而且剪切开裂通常呈现方向性，在下坡路段，裂缝端部指向车辆行驶方向；在上坡路段，裂缝端部指向车辆行驶相反的方向。所以，公路路面左右两侧的剪切开裂也会呈现不同的形式。

1.4 反射开裂

反射开裂会在三种情况下产生：一是在公路混凝土路面需要补强时，需要在旧路面上加盖一层沥青罩面。如果下层旧混凝土位移产生的弯拉应力超出上层沥青罩面的抗拉强度时，新铺的沥青罩面就会产生裂缝[5]，这是反射裂缝的形式之一；二是路面铺设时半刚性基层材料上需要加铺沥青面层，半刚性基层对于温度和湿度变化敏感，在其强度形成过程中，需要在其上层进行施工、碾压，所以半刚性基层容易产生低温收缩裂缝和干缩裂缝。这些裂缝扩展到沥青路面面层会形成反射裂缝；三是半刚性基层在行车荷载的作用下产生弯拉应力，当弯拉应力超出上层沥青罩面的抗拉强度时，半刚性基层底部会发生开裂。随着行车碾压反复作用，裂缝会扩展到沥青罩面层，形成反射开裂。

在西部寒旱地区，气温会发生骤变，容易导致半刚性基层的低温收缩裂缝；寒旱地区空气湿度小，容易产生干缩裂缝，所以反射开裂也是西部寒旱地区公路病害之一。

沥青面层反射开裂的表现形式主要为横向裂缝，裂缝在沥青面层的某位置产生，然后向两侧延伸，大裂缝伴有支缝，裂缝间距较均匀。

1.5 疲劳开裂

沥青路面内部各结构层都有空隙，在行车荷载的反复作用和温湿度的循环作用下，沥青路面结构内部的温湿度应力会发生变化。当温度应力小于沥青混合料的抗拉强度时，会对路面产生撕扯力，但是初期不会导致路面开裂，只是当温湿度应力循环产生的累积效应达到一定程度，超过疲劳强度时会在路面结构薄弱的部位产生疲劳开裂[6]，并由公路内部的空隙产生的微裂缝，在荷载和温湿度作用下逐渐严重。

疲劳裂缝的产生与行车荷载、温湿度循环、公路材料等有关。西部寒旱地区温度骤变，气候干旱，导致温湿应力变化大。同时，寒旱地区气候恶劣，导致沥青路面过早老化，混合料的抗疲劳性能差，也容易导致疲劳开裂。所以，疲劳开裂也是西部寒旱地区公路的病害之一。

疲劳开裂的表现形式在初期表现为行车轨迹沿线的平行纵向裂缝，而宽度细微；随着公路运营时间日久和车辆载荷反复作用，在纵向裂缝上会再出现横向或者斜向上的裂缝，严重时会形成网状裂缝。

2 西部寒旱地区公路施工技术措施分析

通过对西部寒旱地区公路路面开裂进行分析，结合路面施工技术，应该对于施工过程中的工程技术措施进行改进：一、在施工原始材料方面，应该选择高标号的改性沥青、粘附性好的集料，以提高路面的抗低温性能；二、在原材料混合方面，把握沥青混合料的低温抗裂性和稳定性，采用密度配类型的矿质混合料，必要时应该掺入抗脱落剂，提升路面的抗疲劳和抗弯拉能力；三、在公路的结构设计中，应该在沥青面层下设置中间层，以抵抗反射裂缝；四、在公路的施工过程中，应该规范施工环节，寒旱地区的施工应该保证温度，低温条件下施工应按照规范进行每一层的保温处理。

3 结语

西部寒旱地区海拔较高、气候恶劣，为了保障寒旱地区公路的正常运营，本文分析干湿冻融循环、冷热交替、水分和外部荷载等因素对公路材料和工程的影响，在此基础上分析了西部寒旱地区公路路面开裂病害的类型，包括低温收缩开裂、变形开裂、剪切开裂、反射开裂、疲劳开裂等，然后阐述了西部寒旱地区公路施工技术措施，为公路的维护提供技术基础。

[1]高明,李向全,王振兴,等.高寒多年冻土地区公路病害的成因及防治[J].公路,2014(7):75-78.

[2]李纪德,许开成,龚琼波.半刚性基层沥青路面低温收缩开裂性能研究[J].铁道建筑,2006(11):104-105.

[3]苏应全,冯永平,周志刚,等.碎石基层沥青路面性能非线性分析[J].公路与汽运,2015(3):88-91.

[4]艾长发,邱延峻,黄兵,等.高寒地区沥青路面开裂形态与成因分析[J].公路,2006(2):51-56.

[5]黄旭.双绞合钢丝网加筋新老路面结合部的抗反射开裂力学分析[D].湖南长沙:长沙理工大学,2011.

[6]张伟.基于耗散能理论的沥青路面温度疲劳开裂分析[J].城市道桥与防洪,2010(5):164-166.

U418.6

B

1009-7716（2017）08-0059-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.018

2017-04-11

国家自然科学基金项目（51541902,51669010,61162016, 61202314）；甘肃省自然基金项目（1506RJZA082）

沈瑜（1982-），女，山东济宁人，副教授，从事智能交通与信息处理研究工作。