戈壁地区沥青路面拱胀原因分析及防治措施

杨子昂

（华杰工程咨询有限公司，北京100029）

1 工程概况

该项目位于内蒙古额济纳旗，主线采用双向四车道一级公路标准设计。项目区主要为荒漠戈壁地貌区，地形平坦、地层简单，地层上部为第四系上更新世冲洪积成因的砾砂，含少量圆砾，下部为新近系河湖相沉积的泥岩、砂岩、砂砾岩。地基承载力标准值约200～400kPa，承载力较高，总体评价沿线路基工程地质条件相对较好。

项目地处北温带超干旱荒漠区，属于温带大陆性干旱气候，气候具有干热多风、降水稀少、冬冷夏热、温差较大、光照充足的特点。年平均气温10.3℃，最低气温零下31.7℃，最高气温44.6℃，年平均降水量37.4mm，年蒸发量为3505.7mm。

干旱是阿拉善盟地区发生最频繁、影响最严重的气象灾害。受地理位置和气候类型影响，该地区降水量少，且季节分配极不均，加之蒸发量大，大风多，因此干旱灾害经常发生，其中春旱发生频率最高，危害也最严重，其次是夏旱和秋旱。

拟建项目的施工时间段主要受气候条件影响，冬季寒冷、春季风大，适宜施工的季节为4月中上旬至11月初，适宜沥青路面施工的季节为6～9月份。

项目区地表水和地下水不发育，勘察期未见地表径流，钻孔深度范围内未见地下水。根据调查和取水样分析，项目区附近地表水和地下水对混凝土具有弱腐蚀性。根据土的易溶盐含量试验报告，项目区土体对混凝土具有微腐蚀性，个别区域土体对混凝土具有弱或中腐蚀性。根据《中国季节性冻土标准冻深线图》，项目区标准冻深1.2～1.4m，根据当地气象资料，项目区最大冻深1.6m。

2 旧路检测

该项目现有走廊带为二级公路，路基宽为12m，路面宽为9.0m。既有沥青路面现状结构层为4cm 中粒式沥青混凝土+20cm 水泥、设计强度为0.8MPa 石灰综合稳定砂砾基层+20cm 天然砂砾垫层。

经对全线旧路弯沉检测，大部分弯沉值在40～60（0.01mm）间，极少数点弯沉值大于100（0.01mm）以上，旧路弯沉检测平均值约44～57（0.01mm），总体状态良好，计算得到旧路的回弹模量196.5MPa。

钻芯取样结果显示，现状道路采用单层沥青混凝土路面，基层采用水泥稳定砂砾，路面面层、基层厚度不均匀，离散性较大，该路段水泥稳定砂砾松散。取样发现，面层集料组成级配偏细，粗集料聚集，且原材料含泥量大，反射性裂缝及疲劳裂缝贯通基层。不易取出芯样或取出的芯样呈现裂缝发育，建议对基层进行补强设计。路面表层最大拱胀高度约15cm，严重影响行车安全及舒适性，拱起处基层与面层脱离，伴随着面层出现带状反射裂缝和路基不均匀沉降产生的纵向裂缝。全线公路PSSI 评定为次，见表1。

为了全面了解路面各结构层厚度及不同病害在结构层的破坏情况，选择典型病害位置，在路面拱胀处进行人工挖坑，逐层挖开路面面层和基层。挖坑的过程中，测量路面不同结构层的厚度。挖坑面积大小约为1m×0.5m，深度挖至路床顶，并进行结构层厚度测量、压实度试验。挖探结果显示，现状路面各结构层厚度离散性较大，面层块状松散严重，基层强度低。路床顶面填料无不良土质，填筑密实，压实度基本可达到96%以上，路基承载能力优良。

3 不良地质

项目沿线主要的不良地质现象为风积沙、盐渍土。

风积沙：项目区地处河西走廊内陆地区，气候干燥，多风沙，春夏秋季多风，见图1。沙尘暴是春冬季项目区比较常见的现象，沙尘天气时空气混浊，能见度很小。受风沙影响，拟建项目局部路段有风积沙现象，路基、桥涵易遭风蚀危害及沙埋危害。风蚀常使路肩变窄，严重时造成路面啃边、掏空。依据调查结果，该项目风积沙主要分布于植被稀少或零星分布少量骆驼刺等戈壁植物地区，旧路路段一侧或两侧分布松散堆积状半流动沙丘，堆积沙约10～30cm 厚，最厚处可达1m，局部分布固定沙丘，厚度约40～80cm，沙丘下部有植被生长，是固定沙丘的起源和根本。

图1 风积沙照片

盐渍土：该项目路线通过冲积平原区。河流或洪流流经上游露出盐渍地层，将盐分带至下游冲积平原或洪积扇上，经蒸发和多次累积形成冲洪积盐渍土层，见图2。盐分主要集中在近地表（0～1m）深度内，1m 以下土层含盐量相对减少。地表分布侵染状白色盐霜，经取样分析主要为硫酸盐盐渍土，为弱～中等盐渍土。

图2 盐渍土照片

4 路面拱胀现场调查及原因分析

经调查，现有道路沥青路面病害主要有：网裂、横向裂缝、纵向裂缝、沉陷、拱胀等，见图3。旧路路面拱胀现象尤为严重，局部路段拱胀高度为10～20cm，胀缝间距为150～250m。

图3 旧路路面病害

根据相关研究成果分析，项目路面病害的主要原因有以下几方面.

4.1 设计方面原因

受经济条件限制，现有公路建设时期采用较薄的单层式沥青面层，加上沥青质量、集料选择等方面问题，如现状路沥青路面黏附性不足，也诱发开裂病害的出现。集中表现为高温抗车辙、低温抗开裂能力差，这与全线病害分布是对应的。

水泥稳定砂砾中，水泥用量小、抗裂性差，导致该项目半刚性基层横向裂缝普遍发育，影响了路面的耐久性，从现场路面裂缝的外观形状和发展状况看，疲劳开裂及半刚性基层温缩裂缝较为明显。

4.2 施工控制方面原因

路基填料各异，压实机具、工艺控制不够严格。路面骨料生产工艺不合理、针片状含量高、级配控制偏差大。该地水质、石料、砂砾料等易溶盐含量较大，混合后具有膨胀性[1]，当膨胀变形量足够大时，路面表层拱起形成胀缝，降低了路面的使用性能。

4.3 大气环境及温度方面的原因

结合取芯结果分析，路面受温差影响较大，路表的温度变化率在降温过程中处于最大值，导致温度裂缝总是由公路表面向下延伸[2]。此外，由于长时间的使用，导致公路表面的沥青层出现老化现象，降低了沥青路面层的抗裂缝能力。由于冬季寒冷，夏季炎热，长期的极端气温和急剧频繁的温差变化，降低了沥青混凝土性状，诱发路面开裂、车辙等病害[3]。路面基层拱胀现象较为严重，拱胀破损间距150～250m，平均间距约200m，拱胀病害主要与温度梯度导致的半刚性基层温缩、干缩裂缝应力得不到及时有效释放有关[4]。水稳碎石混合料在不同温度下的膨胀性不同，膨胀性随温度的增高呈抛物线分布。根据相关文献[5]分析，水稳材料的膨胀性在40～50℃时达到最大值，这与额济纳旗夏天的地表温度相符。温度较低时，混合料膨胀性较小，基层产生的变形较小，随着温度不断提升，混合料膨胀性增大，基层产生的膨胀变形相应增大。因此，额济纳旗戈壁地区水稳基层会在冬季低温开裂，夏季升温隆起[6]。

4.4 车辆荷载等行车条件

根据交通量OD 调查分析，标准断面大型客车和货车交通量为1441 辆/日，交通量年增长率为6.0%，方向系数为55.0%，车道系数为65.0%。设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为4,376,639 辆。

该项目沿线拖挂车运载量大，根据温度-荷载-时间转换关系，超载加速了沥青路面拱胀等病害，严重缩短了沥青路面使用寿命，具体数据见表2。

表2 货车、拖挂所占比例

5 工程防治措施

项目路面结构采用4cmAC-16 上面层+6cmAC-20 下面层+8cmATB-25 基层+20cm 水稳碎石下基层+20cm 水稳碎石底基层。为防止水泥稳定碎石基层受热拱胀，该项目对不同路段分别采取消胀槽、预切胀缝、橡胶消能条等处置方式，选取先期开工点作为试验段，验证三种设计方案的合理性[7]。

5.1 消胀槽

消胀槽宽100cm、深20cm，切槽并挖除槽内水泥稳定碎石基层后，采用ATB-25 沥青碎石填塞。距桥头100m 处设置胀缝，一般路段设置间距为200m。竖曲线变坡点适当加密设置，见图4。

图4 基层消胀槽设计图

5.2 预切胀缝

在基层设置预切胀缝。胀缝宽2～3cm、槽深40cm，切缝并清除缝内水泥稳定碎石后，采用沥青填塞。距桥头50m 处设置胀缝，一般路段设置间距为100m。竖曲线变坡点适当加密设置，见图5。

图5 水稳层胀缝设计图

5.3 橡胶消能槽

消能槽宽8cm、深48cm，切槽并清除槽内水泥稳定碎石后，填充橡胶消能条。ATB-25 上基层完成后，进行消能槽施工。距桥头100m 处设置胀缝，一般路段设置间距为200m。竖曲线变坡点可适当加密设置，见图6。

图6 橡胶消能槽设计图

6 结语

沥青路面拱胀是戈壁荒漠地区公路常见的病害形式。在高温作用下，水稳基层受热膨胀变形，具有较强的温度应力，当温度应力大于材料的抗拉强度时，基层会产生拱胀裂缝，随着基层不断拱胀变形，会将沥青面层顶起，导致路面拱胀破坏。路面拱胀是自然形成的“减速带”，严重影响路面的使用寿命及行车安全性，因路面拱胀病害防治难度较大，在公路设计时必须要引起重视。戈壁荒漠区，路面设计时应重视拱胀防治，制定施工可行、效果良好的工程方案，促进西部地区公路建设的优质发展。