福建重载交通水泥路面典型病害与成因分析

■黄国凯

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

0 引言

目前我国许多地区水泥混凝土路面状况不好，其中一个主要原因就是道路的交通量和交通荷载特性发生了显著变化，服务的交通特性超过设计的路面结构，使得出现路面的破坏现象[1]。除了目前我国水泥混凝土路面研究和设计理论方法自身的局限以外，福建省也有自身的区域性原因。

福建省干线公路上广泛采用水泥混凝土路面，但随着经济发展，重载交通、汽车超限超载己是普遍存在的问题，这也是路面损坏的一个重要原因。很多路面出现断裂、唧泥、错台等破坏，使路面使用寿命大大缩短，造成巨大的经济损失。

为了更好的进行路面结构设计，还要有针对性考虑福建地区特有的局部成因等对路面结构的影响，因地制宜的指导福建省公路水泥路面的设计和施工。于是，本文通过对福建各地区的水泥混凝土路面病害情况展开调查，介绍了重载交通下的福建省水泥混凝土路面破坏的典型病害类型及特点，并对这些典型病害的原因进行了讨论。

1 福建重载交通水泥路面典型病害

1.1 福建省各地区水泥混凝土路面病害情况

结合福建省国省干线公路水泥混凝土路面病害情况调查， 主要对福州（G104，G316，G324，S201，S202，S203，S305 路线）、南平（G205，G316，S204，S205，S302，S303 路线）、 宁德 （G104，G316，S301 路线）、 莆田（G324，G325，G326，S201，S202，S306 路线）、 漳 州（G319，G324，S201，S207，S208，S301 路线）、厦门（G319，G324，S206 路线）、三明（G205，G316，S208，S306 路线）等地的水泥混凝土路面病害展开了调查。限于篇幅，本文以福州地区和南平地区的统计分析数据为例，对水泥混凝土路面的病害情况进行介绍。

根据对福州地区的 G104，G316，G324，S201，S202，S203，S305等路线进行的调查，G104破坏总里程为75.764km，G316破坏总里程为7.204 km，G324破坏总里程为6.225 km，S201破坏总里程为74.706 km，S202破坏总里程为0.282 km，S203破坏总里程为3.919 km，S305破坏总里程为12.658 km。路面板破坏类型的统计数据、路面的典型病害类型分布见表1和表2及图1。

表1 福州地区面板破坏类型的统计数据（单位：km）

表2 福州地区破坏程度所占比例（单位：km）

图1 福州地区路面病害情况

根据南平地区的 G205，G316，S204，S205，S302，S303路线进行了调查，G205破坏总里程为159.609km，G316破坏总里程为132.744km，S204破坏总里程为90.581km，S205破坏总里程为 41.523km，S302破坏总里程为3.608km，S303破坏总里程为30.081km。路面板破坏类型的统计数据、路面的典型病害类型分布见表3和表4及图2。

表3 南平地区面板破坏类型的统计数据（单位：km）

表4 南平地区破坏程度所占比例（单位：km）

图2 南平地区路面病害情况

1.2 福建省水泥路面典型病害类型及特点

调查发现福建省水泥路面出现的主要典型病害类型有横向裂缝、纵向裂缝、板角断裂等。通过重点走访、普查G316、G319、G324及南平环城路等重载交通路段，发现重载交通下的福建省水泥混凝土路面破坏有以下特点：

（1）重载道路水泥路面远远低于设计年限，出现过早破坏。福建省目前一般重载道路使用寿命12～13年，重车严重的道路使用3～5年即出现病害，并且路面板破碎现象严重，如图3所示。使用寿命远远低于设计年限。

图3 福建省水泥路面个别路面板破碎情况

（2）引起重载道路水泥路面出现裂缝的原因多样。通过调查发现水泥路面使用过程中存在由于路基侧向变形引起的路面开裂；使用多年并且路况较好的路段在重载交通下出现突然性破坏现象；根据道路管理部门反映，即使基层修筑的平整，依然会出现脱空的现象，从而导致裂缝的产生。

（3）病害中非结构设计控制的病害占到了很大比例。现行路面结构设计方法中作为结构设计所控制的断裂是以板中部横向开裂形式为主的疲劳断裂，但福建省的路面病害中除了板中横向开裂外，还出现了非结构设计所控制的断裂或病害。板中裂缝只占到了1/5左右，同时还出现了横向裂缝、纵向裂缝、板角裂缝为主的非结构设计所控制的病害，并且三者病害出现数量大致相当。

2 福建水泥路面病害成因分析

水泥路面病害的产生基本都是多种因素综合作用，总结起来，水泥混凝土路面过早破坏一般和以下几个方面有关：①设计的路面结构与服务的交通特性不匹配；②水泥路面设计不合要求；③施工质量；④养护不足。福建省水泥路面病害的产生主要取决于前面三个原因，其中重载交通、汽车超限超载是导致路面过早破坏的诱导因素，暴露了以往路面设计、施工中的薄弱环节。本节主要从重载交通情况、水泥路面的设计、施工以及福建省水泥路面自身存在问题分析水泥路面病害产生的原因。

2.1 重载交通情况严重

近年来福建省各地经济发展迅速，道路的交通量和交通荷载特性发生了显著变化。但限于水泥路面研究不足，交通荷载的统计与预估观测精度未受重视，计算和预估水平很低，很难准确计算预估各条道路准确的交通量等交通特性。很多地区基本都是按照特重交通、重交通几个等级来设计路面，10余年用一种典型结构。而实际上路面的破坏与交通特性、轴型类型等有很大关系，规范使用的轴载换算公式不能反映多种路面情况。

福建地区基础建设任务重，各种矿藏、大型厂矿，直接导致重载交通现象十分突出。重载交通的含义是：货车比例高，轴载重，超载多，对路面结构和路基的稳定性要求高[2]。由图4所示南平环城路轴载调查图可以看出，货车占75.5%，货车中又以图5所示后一轴解放大货车占最大比例，此种车辆对路面损害最为严重。

图4 南平环城路重载交通车辆车型分布

图5 福建省重载交通车辆

重载交通下高轴载、高轮胎压力、多轮轴载综合作用以及车辆的专用化带来了断板、唧泥以及脱空等问题。由于水泥路面基础不扎实、排水不畅，在过大压力下导致路基沉陷，积水、冲刷脱空、断板等多个问题相互联系在一起，进一步加剧了水泥路面的破坏。传统的路面结构设计理论、施工和研究发展的速度跟不上现代交通的发展速度，并且目前规范对车辆超载超限估计不足，重载、超载对路面结构的受力和使用产生了与规范设计预期的明显不同的影响，从而使得我国现行设计理论不适用于重载道路的路面设计。然而目前我国也无专门的重载道路路面专用设计标准和规范，因此必须对新交通形式下的水泥路面结构和技术性能进行研究，通过科学研究并采取相应的措施来改善路面质量。

2.2 水泥路面设计理论与研究的不足

水泥混凝土板搁置在基层、底基层、土基上，各层位功能存在相互作用，是一个复杂的受力结构。目前，我国水泥混凝土路面设计理论和研究水平对于描述其受力机理、传力构造设置还存在很多不足[3]，直接导致设计、施工和材料选择上的盲区。

2.2.1 现有路面分析设计方法的不足

（1）没有专门的水泥混凝土路面分析程序。水泥混凝土路面存在多种工况，但我国目前在水泥混凝土路面多种工况下的设计计算可利用的工具有限[4]。大型通用有限元程序存在建模周期长、费时多等特点，很难实用化。而相比之下，美国则在此方面已积累了很多成果，而且已有很多专用的有限元程序。Kenslab、EverFE、Jslab、islab2000已进入实用化。

（2）没有考虑固化翘曲。国外已在很早以前已开始关注发现路面的固化翘曲现象，并在设计中得到应用，然而我国这方面的还处于起步阶段[5]。实际上考虑固化翘曲的影响可以解决很多目前我国规范无法解释的现象，特定路段的特定路面结构在一定的交通荷载下会产生特定的病害类型。

（3）基层设计和要求研究不足。基层无厚度设计方法；强度、刚度、抗疲劳的耐久性、耐冲刷特性。抗冲刷能力不足；无明确的设计方法和控制指标；界面特性研究存在缺陷。

2.2.2 路面破坏外在因素的性状描述不准确

水泥混凝土路面破坏的外部因素主要是严酷的环境因素（温度场、湿度场）和重复的重交通动力荷载作用。但目前我国设计规范对温度场的描述过于简单，也导致诸如福建省的病害特点无法解释。

目前规范中温度应力是与荷载应力分离计算然后合并在一起，实际上这里忽视了温度场与荷载的耦合作用影响。事实上，这两种应力计算方法有很大不同。虽然目前囿于研究水平，路面设计方法只是单纯相加，但可以想象，这种计算方法是不能准确描述荷载作用特性的。并且福建各地大部分地区温度场计算过分倚重规范，没有建立自己地区气候公式，使得计算误差无从得知。

2.2.3 早期龄期行为及对长期结构性能的影响显著

近年来，许多国外学者发现，水泥混凝土路面施工阶段的质量和早期性能（铺筑后的72h），对于路面的长期行为十分重要[6]。了解水泥路面的早期龄期行为，以及对路面长期结构性能的影响十分重要。路面设计、材料和配合比设计、环境、施工工艺等因素均影响路面水泥混凝土路面的早期龄期行为，而在这些因素综合作用下形成的路面早期龄期状态，将直接影响路面长期性能，如：接缝和裂缝的张开量、固化翘曲、水分散失诱发的表面开裂等。目前无论从水泥路面的设计，还是施工，没有深入的挖掘和理解路面混凝土铺筑时的72h内的早期龄期性状对长期性能的影响关系，从而在施工时，对环境因素的考虑、养生、锯缝、配合比、材料组成等方面存在很大的盲目性。

2.3 施工与材料变异性问题考虑不足

虽然我国水泥混凝土路面机械化水平在不断提高，但由于材料来源的局限性，材料变异性大带来的水泥混凝土路面问题仍然突出，欠振、漏振面板欠密实，路基变异性大，处理不足导致基层顶面弯沉变异性大等问题往往导致同一块面板取芯劈裂强度仍然变异性很大。

材料供应精细化程度不高，水泥的路用品质要求不严，水泥混凝土路面中的外加剂和掺和料使用混乱，混凝土配合比精度不够，新拌混凝土搅拌不充分、色泽不一。不少路面因局部混凝土质量较差，存在着强度偏低，磨损相当严重，表面裸露骨料，局部成坑，平整度严重劣化等现象。

2.4 福建省本地区自身存在问题

近几年福建省水泥路面材料要求趋严格，并且严格控制厚度和强度，其中路面厚度，需达到24cm以上。积极推广采用外加剂，采用材料机械化计量，推广采用三辊轴机械施工降低变异性，重视嵌缝料的研发和及时灌缝，加大科研力度。目前建造和养护工艺水平较以前有较大改变和提高，但福建省水泥混凝土路面仍然存在自身的不足。

2.4.1 福建地区环境恶劣

福建地处亚热带气候、气温高、降雨量大；这些对于道路施工和基层冲刷都极为不利。接缝处密封不好，排水不畅，导致了基层、路基软化，造成唧泥、错台和啃边，路面平整度差，行车舒适性差[7]。

2.4.2 基层支撑欠稳固

福建山岭众多，道路路基填方、挖方、半填半挖的形式众多，路基沉陷，路基和基层支撑欠稳固。路面板出现了大量的断板破坏，这是因为支撑变形量超出了路面板所能容忍的限度。软基和填挖方交替处理不好，填方路基局部软化甚至塌陷造成的断板破坏。基层石灰土、水泥土等材料抗冲刷能力不足，大量使用“两黑一白”渗透水的“蓄水槽”横断面结构，水破坏导致路面断板的情况相当严重。

2.4.3 路面结构薄弱

根据对福建省福州、南平的调查，发现两地的水泥混凝土路面结构类型如表5所示。这些路面结构不适应超重轴载重交通量，结构种类单一，总体结构偏弱，按原行《水泥混凝土路面设计规范》明显存在弯拉强度和设计板厚不足的问题。

表5 福建省福州、南平水泥混凝土路面结构类型

2.4.4 设计方面的问题

目前福建省内道路设计不够精细，不能区分不同路基支撑条件和不同交通轴载情况下的路面结构不同，十几年使用一套标准设计图。

路面基层无厚度设计方法，路面结构单一，没有考虑路面早期龄期施工对路面长期性能的影响。

如图6所示，福建省内水泥路面结构的缩缝处均未设置传力杆，导致重载下传荷能力不足。

目前，福建省内道路路面基层抗冲刷能力不足，没有明确的设计方法和控制指标，界面特性研究存在一定的缺陷。

图6 缩缝处传荷机理

3 结语

随着福建省各地经济不断发展，福建交通行业得到了巨大的提升，但水泥路面依然是福建地区内国道、省道主要的路面结构形式。为了确保水泥路面的行车安全、舒适，应加强对水泥路面病害的调查、分析，并寻找相应的对策。通过对福建福州、南平等地的水泥混凝土路面病害情况展开调查，并结合福建省国省干线公路水泥混凝土路面病害情况发现，横向裂缝、纵向裂缝、板角裂缝为主的非结构性设计控制的病害是福建省水泥路面的主要病害。通过对病害的原因分析可以发现，重载交通、汽车超限超载是导致路面过早破坏的诱导因素，暴露了以往路面设计、施工中的薄弱环节。同时，福建省在气候、地基方面存在天然的不足，在设计上也存在路面结构薄弱等问题。基于此，开展福建地区重载交通荷载统计、进一步精细路面结构设计来适应新的交通发展需求已越发的重要。

[1]蒋应军，戴学臻，陈忠达，等.重载水泥混凝土路面损坏机理及对策研究，公路交通科技，2005，22（7）：31-35.

[2]戴学臻，蒋应军.水泥混凝土路面重载与重载交通的界定方法.公路，2009，2，56-60.

[3]蒋应军，戴经梁.传力杆与混凝土界面的接触应力.中国公路学报，2007，20（2）：29-34+5.

[4]冯德成，权磊，田波等.水泥混凝土路面固化翘曲试验研究，建筑材料学报，2013，16（5）：812-816.

[5]杨卉.水泥混凝土路面早期断裂原因及预防措施探析.交通标准化，2013，(1).

[6]周玉民，谈至明，田波.基于薄板单元的水泥混凝土路面荷载应力分析，同济大学学报（自然科学版），2010，38（5）：685-691.

[7]王荣，胡昌斌.高温气候重载水泥混凝土路面典型结构受力特性研究，武夷学院学报，2013，32（5）：99-104.