复合水硬性材料在处治高速公路桥头跳车中的应用

于 悦

（山东高速交通建设集团股份有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

截至2020年年末，我国高速公路车道里程共计72.31万公里，同2019年增加5.36万公里[1]。我国公路桥梁共有91.28万座，全长达6628.55万延米，桥梁密度约1座/4.5km。伴随高速公路及桥梁快速建设而来的桥头跳车现象逐渐引起人们的重视。

所谓桥头跳车是一种由于桥梁纵坡突变引起的车辆异常行驶状态，即车辆在行驶至路桥衔接区域处由于路面不均匀沉陷受到冲击而引起车辆颠簸甚至跳跃的现象。根据相关数据显示，当路桥衔接处高度差为15mm时将导致桥头跳车，且传统维修方法耗资巨大[2]。

1 高速公路桥头跳车病害成因分析

1.1 地基强度差异

一般情况下，桥涵、路基等施工由地基基础，路面结构层及填土路基等部分构成，其中桥涵、通道等构造物的刚性大，对地基强度要求高。而天然地基承载力较差，在施工过程中须坚固处理方可实现较小沉降或不沉降。但由于施工过程中工期限制及不可控因素导致某些台背路堤未采取足够的加固措施，强度较弱，两者的强度差异使桥台和台后路堤产生差异沉降，引发桥头跳车的发生。

1.1.1 地基沉降

路堤不均匀沉降是引起桥头跳车病害的主要原因之一。在地下水位较高的地区，地基土以软土为主，而由于软土具有天然含水量较高、有机质含量高、压缩性较高、渗透性差等特点，其天然结构极易受到外界扰动而被破坏，从而导致其承载能力降低。同时在高填方路段路基自重较大，故对地基产生相应的附加应力，又由于施工机械及运输车辆的自身荷载，极易引起软土地基的变形固结沉降引发桥头跳车。

1.1.2 路面结构层压缩沉降

随着公路等级的提高，路面结构层的厚度也随之增加。我国在台背路堤回填材料一般选用砂性土、石屑等透水性较好的材料作为填料，其孔隙比较大。一般情况下桥梁工程作为控制性工程，是工期的关键节点，在桥台施工完成后立即进行台背回填施工。因作业空间的限制，大型压实机械无法靠近台背施工，而小型压实机械功率较小压实度等指标很难达到相关技术要求，导致台背填料颗粒间的孔隙率大，路堤密度较小，路堤整体不达标。公路路面施工完成通车后，在路堤自重和行车振动及车辆自身荷载共同作用下，加之台背回填高度较高，随着通车时间增长台背填料的密实度进一步增大，桥台台背填土发生压缩沉降变形，造成桥梁和桥头路面出现差异沉降，从而引起桥头跳车现象。

1.1.3 路桥结构刚度差异

桥梁作为刚性结构，桥梁桥台或承台下方有坚实的支撑，一般由钢筋混凝土浇筑，对基础承载能力的要求较高，桥梁在车辆及自重荷载作用下桥台的沉降变形可忽略；而台背路基属于柔性或半刚性结构，在相同车辆荷载及自重荷载作用下，其路堤、路面垫层、基层随着车辆振动碾压及自重影响下密实度会逐渐增大，导致桥头台背处产生不均匀沉降。由于桥台两侧结构抗变形能力不同，桥梁几乎不产生沉降，而台背沉降较大，由于这种刚度的差异产生的沉降差造成路桥衔接处路面遭到破坏，造成桥头跳车现象的发生。

1.2 排水不畅及填土流失

桥台与路堤连接区域存在一定缝隙，若路面排水不畅或路面结构防水较差，雨水无法及时地从路表面及时排走，便会沿着路堤与桥台台背之间的缝隙渗入到路基中，路面各结构层和路堤填料都会遭受到雨水的冲刷侵蚀，原有土质结构承载能力大大降低，造成路堤桥台衔接处路面局部沉陷，从而导致桥头跳车病害的发生。

1.3 施工质量方面

施工作为工程建设中的重要环节，施工质量把控不严格也是造成桥头跳车病害的主要原因之一，由于施工质量引起桥头跳车现象主要原因有以下几个方面：(1）工期紧张，施工单位为追求工程进度而无法保证作业质量，台背填土速度过快，路堤填土没有充分时间自然沉降；(2）施工过程中，没有严格地控制松铺厚度，在施工面较窄的作业面无法使用大型机械碾压，导致压实度不达标，路堤整体密实度不合格；(3）回填料未达到规格要求，未按要求控制填料的含水量等行为。

1.4 设计方面

设计不当及施工措施不当也是造成桥头跳车的原因之一。在进行勘察时由于经费、人员不足等原因对施工区域地质勘测不完全，在进行路线设计时软弱地基区域的路基处理方案不当等原因，都会大概率引发通车后台背路面不均匀沉降；其次对于桥梁基础的设计、选用不同的回填材料也会对工后沉降产生差异影响等。

除上述设计、施工、不可抗力等影响因素外，还有很多因素引起桥头路面不均匀沉陷从而导致桥头跳车现象，例如冰冻、车辆超载、交通量集中、搭板布置形式及搭板长度不合理等因素。

2 复合有机水硬性材料处治高速公路桥头跳车技术

复合有机水硬性材料处治桥头跳车是在对微表处混合料充分理解的基础上充分研究拓展性应用。该工艺技术采用微表处施工方法，逐层填充，最后在路面上整体做微表处罩面的原则。即先测量原路面高程，结合测量数据确定桥头不均匀沉陷路段的具体位置及沉陷高差，然后针对沉陷部位采用微表处改良施工技术进行分层摊铺的方法进行填充，直至填充完后路面高程与原设计路面高程基本一致，最后对沉陷部位及桥头进行整体罩面。该技术较传统铣刨重铺处治桥头跳车具有工艺流程简洁、交通封闭时间短、不需铣刨、冷拌冷铺、节能减排且造价低的特点。

2.1 复合有机水硬性材料处理桥头跳车工艺原材料技术要求

2.1.1 粗集料

复合有机水硬性材料处理桥头跳车粗集料可采用近立方体颗粒的玄武岩、花岗岩等石料，石质应坚硬、清洁、干燥，表面粗糙、不含风化颗粒，其规格应为3～6mm、5～10mm、10～15mm；细集料可采用坚硬、清洁、干燥、无风化、无杂质并有适当级配的机制砂，石质为石灰岩，其规格应为0～3mm，同时符合《公路沥青路面预防养护技术规范》（JTG/T 5142-01—2021）中10.2.3的要求。

2.1.2 改性乳化沥青

复合有机水硬性材料中有机黏结料采用SBR改性乳化沥青，其技术指标应符合表2的规定。改性乳化沥青宜贮存在具备搅拌功能的密封罐内，贮存时间不宜超过两周。

2.1.3 水泥

调平层可采用普通硅酸盐水泥，水泥掺加量应通过混合料配合比设计试验确定，其技术指标应符合《公路沥青路面预防养护技术规范》（JTG/T 5142-01—2021）中10.2.5的规定，不得使用快凝水泥、早强水泥。

2.1.4 水和添加剂

施工用水为饮用水或纯净天然水。常用的添加剂包括无机类添加剂、有机类添加剂等，添加剂的掺加不得对稀浆混合料路用性能产生不利影响，未经验证的添加剂，不得在施工中采用。

2.2 复合有机水硬性材料处治高速公路桥头跳车施工工艺

2.2.1 施工工艺流程

复合有机水硬性材料处治高速公路桥头跳车施工工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程

2.2.2施工过程质量控制

（1）调平层施工过程中质量控制标准见表1。

表1 调平层施工过程质量控制标准

（2）微表处罩面施工过程中对稀浆混合料的质量控制采用抽样检测，控制标准见表2。

表2 微表处罩面施工过程质量控制标准

2.2.3质量检查与验收

交工验收阶段的质量检查与验收：工程完工后，对每个桥头进行自检，确保处理段与原路面和桥头衔接平顺。检查项目、频率、质量要求及试验方法见表3。

表3 沉陷处理工后检查与验收质量标准

2.3 复合有机水硬性材料处治桥头跳车发展优势

（1）施工工艺

复合有机水硬性材料处治桥头跳车施工工艺可以概括为以下几个步骤：由施工设计至施工准备、材料及设备准备、施工、养生，直至最终开放交通几个流程。在采用复合有机水硬性材料施工过程中不存在沥青混合料运输阶段，因此不依赖于沥青拌和站从而具有高度灵活性；其次施工过程相较于传统沥青路面工艺流程简单，复合有机水硬性混合料的拌和及施工等过程可在常温条件下进行。

（2）装备能耗与成本效益

采用复合有机水硬性材料的路面建设主要涉及到原材料的运输、复合有机水硬性材料的拌和与摊铺、复合有机水硬性材料的摊铺装备等。相较于传统沥青铣刨重铺处治桥头沉陷，减少了沥青混合料运输汽车、沥青拌和站等大型器械的装备能耗，降低了施工造价成本。

（3）环保效益

国内有大量学者对传统沥青路面施工的能耗、碳排放进行了相应计算[3-4]。而相同条件与测算范围内（能耗值在280～380MJ/t、碳排放值在21～31kg/t），可得到复合有机水硬性材料半柔性路面施工较传统热拌施工能耗、碳排放降幅均达到71.20%，并且复合有机水硬性材料的使用全过程均在常温条件下，有害气体几乎不会产生；颗粒物会在上料、搅拌过程中产生，实际测得颗粒物排放值为0.47mg/m3，远低于二级标准值3.5mg/m3[5]。

3 结语

复合有机水硬性材料结构刚柔并济，摆脱了沥青软化点指标对于材料热稳定性的限制，并且能够有效预防水损害，提高路面使用性能与寿命；其次，此技术施工工艺简单，能够显著降低施工成本，提高施工效率；并且采用复合有机水硬性材料处治桥头跳车节能减排，对环境友好；综上，采用复合有机水硬性材料处治桥头跳车能够更好地发挥高速公路的运输效益，对高速公路的养护具有良好的环保与经济效益。