高速公路路基病害特征与应对措施

2021-09-16赵建智

中华建设 2021年9期

赵建智

高速公路路基病害是影响高速公路功能发挥的重要问题，病害发生后，小则影响行车舒适、通行速率，大则会引发生命财产安全问题，影响地区经济发展。国内每年用于保养和维护高速公路的费用较大一部分都主要是用于路基病害防治。因此，研究高速公路路基病害特征与应对措施，有助于从根本上掌握高速公路病害机理，优化防治技术和实践方案，在降低高速公路运行和维护成本的同时，保障交通运输的经济效益。

一、高速公路路基病害的特征

1.病害类型

高速公路路基的病害类型，主要受到高速公路路段区间的土质、岩层结构等影响，在不同区域内呈现出不同的形式，主要分为以下类型：①裂缝类病害。有纵向、横向和发散式裂缝，尤其在路肩、车道正中、涵洞周边等位置发生频率较高，属于高速公路路基病害中最为常见的；②沉降类病害。在路基较软、结构性较差或者是路基内结构不均匀和异常等情况下，容易产生路基材料受力不均，从而改变了预期结构属性，加上高速公路自重和行车载荷等的多重影响，导致路基内部出现塌陷、位移、中空等问题，最终导致路面异常张拉、路面开裂破损等病害发生；③位移滑塌类病害。路基自身及下部基础、周边基础结构崩散，在雨水和基础载荷等条件影响下，加剧了路基的离散现象，导致路基材料和相邻材料出现明显位移，甚至向低矮边坡、沟渠方向滑塌，直接导致道路断裂行车风险增高。

2.基本特征

高速公路工程规模大，根据交通部公布数据，至2019年底全国高速公路总里程达到14.96万公里，其中山西省高速公路通车总里程达5.3万公里，2020年四季度高峰日交通量达44万辆次，是2019年同期水平的62%。在这样大规模的高速工程中，受气候、通行流量等的综合影响，各种路基病害的发生几率增加，且一旦出现路基病害可能会快速扩散影响交通运输。而公路是我国的主要交通运输道路，倘若出现路基病害不仅有可能快速造成公路更大的破坏，还会直接影响区域经济发展。尤其是湿陷性黄土路基，破坏性较强，在受降雨等作用下，会逐渐失去稳定，使路基出现沉降、开裂，严重影响交通运输道路的通行速度和使用安全。

二、高速公路路基病害的影响因素

1.设计方案

高速公路病害与高速公路工程质量有直接关系，公路工程的整体设计方案是建立在对工程环境和项目需求的客观条件上，同时在设计方案中各种技术、材料相互搭配和融合，需要经过精细的推算和印证，并且设计方案为后续施工方案提供基础依据和要求。一旦设计方案存在问题，则会导致高速工程建设埋下质量隐患，如：路基填料与场地环境不符、路基摊铺和压实参数设置不合理而削弱施工效果等，而如何提高设计方案的科学性和可操作性则成为保障高速公路路基建设质量的关键。

2.客观条件

除了建设主体的主观因素之外，高速公路路基病害呈现出较为明显的地域性或地质性，如：我国西部地区高速公路路基病害多受冻土、喀斯特地貌等影响而出现路基损坏，中部湿陷性黄土地区者容易受汛期集中降雨影响，出现路基沉陷、滑坡等病害，而东部地区则容易受到降水、地下水位、土质等影响，出现路基变形病害。虽然在设阶段及施工阶段，建设主体能够运用各种技术和手段降低质量风险的发生概率。除了前期风险之外，不同区域所在的自然环境、社会经济环境也会持续对公路路基产生影响，例如：高频率降水会加剧路基软化、下陷、位移问题，过度干燥的气候会降低路基的结构能力，大量车辆和高负重通行会增加路基压力，提前改变路基形状。

三、高速公路路基病害的应对措施

1.优化设计方案

在设计之初，应当充分对工程区域内的各种条件进行了解和分析，包括：①地质条件，对区域内路基下部土层、地下水位、岩层厚度与强度等能够在后期对高速公路路基产生显著影响的项目进行调查并建档；②行车载荷，即高速公路建成之后的预期通行任务量，或者是类似高速公路在一定时间之类的可对比数据，用以推算高速公路运行时可能承受的载荷数值区间；③气候条件，高速公路所处区域内常年降水、霜冻、最高低温度等，能够从外界影响路基材料或者路面材料的物理属性，从而迫使路基内部结构发生变化，导致路基松散、位移等。根据前期调查结果，建立路基病害风险加权评估系统，对路基病害风险的成因、发生几率、危害程度进行先期预判，根据预判结果拟定预防措施，或者经专门的软件系统演算分析，从技术、材料等多个方面进行方案优化，在多个预设方案中找出最佳结果。

2.做好动态监测工作

监测工作是现代高速公路工程中必不可少的，基本原理为利用各种检测、监测类设备，对公路路基及病害关联项进行持续联动监控，获取数据之后再与预期数据或者理想数据进行比对，从而判断出路基的实际情况或者风险可能性。其中，前文所述的基本条件的相关数据信息作为基础，与高速公路预期的性能和参数一同作为数据库基本样值，再以后续阶段性或持续性的数据信息为实时样本进行印证，对高速公路在正常运行期间的情况进行整体分析。

根据我国《公路工程质量检验评定标准》《公路技术状况评定标准》《公路路基路面现场测试规程》等一系列技术标准建立起高速公路监测指标信息体系，对高速公路压实度、弯沉值、破损度等进行检测，以检测结果综合判定高速公路的使用值。竣工验收合格时所获取的数值作为标准数值，收入数据库以备后期调取比对，在高速公路运行期间进行周期规律性监测获取实时数值作为数据样本。

（1）压实度检测。选用土壤无核湿密度仪进行检测，基本原理如图1所示。

图1 土壤无核湿密度仪工作原理

（2）弯沉值检测。选用车载式落锤弯沉仪进行检测，基本原理如图2所示。

图2 车载式落锤弯沉仪工作原理

（3）探地雷达无损检测。相对而言，压实度检测多用于施工周期，而后期需要开展的检测内容较多，且压实度不能直观反映出路基层的问题情况；弯沉仪则更多是对高速公路在产生比较明显的病变后结果才更加可靠，在预防路基问题方面存在一定局限性。选用探地雷达进行检测，可以在可视界面中直接读取区域内或点位部分的路基情况，对于路基中空、内部开裂等病害有显著效果，因此更具实用价值。

在获取雷达检测结果时，需要对所获取的目标值进行处理，以提高检测的精准度。目前，主要使用的方法为小波去噪法，预设含高斯白噪声的信号为 iy，则yi= xi+ki•ni， ki为权重系数， ni为高斯白噪声， xi为原信号，则要使受混染信号 iy接近于原信号 ix，需要 iink• 值尽可能小，从而最大限度地排除干扰信号。此时需要采用小波变换阈值的办法，获取小波系数Z，经非线性阈值d进行修正计算，将信号的阈值和绝对值作为比较项，在阈值以下的则表示为0，在阈值之上的则维持原表示状态，如式：

小波变换之后则重新构建信号表示得到更加准确的去噪结果。

3.采取针对性的防治对策

一般病害如裂缝在5mm内的，不影响正常行车，可采用局部开窗维护，配合灌浆、更换伸缩缝等措施进行快速处理；中度病害如路基层含水量异常、局部松散出现裂缝等，裂缝宽度在5mm以上的，如果路基内渗水严重且伴随严重变形和结构性破坏的，应当封闭开挖维护，对原路基层进行换填、加固等，必要时应当同步使用碎石桩、粉喷桩等进行加固，对于路堤、边坡等易出现位移问题的，还可以通过挡土墙、挡土桩、板墙进行力学阻隔。对于路基强度严重不达标、裂缝宽度大于10mm以上，或者裂缝宽度在5mm以内但弯沉值等相关数值过度异常的，则判断路基出现大面积问题，应对整个道路进行封堵，并采取全面翻修措施，所适用的工艺技术标准与新建高速公路时标准一致。