三莎高速水泥稳定基层拱胀病害处治

阿布力孜·艾海提

(新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

改革开放以来，我国迎来跨越式快速发展时期，道路货物运输量连年猛增。为应对交通量的大幅增加，路面结构设计中开始大量采用水泥稳定类半刚性基层。然而，随着这类半刚性基层的大规模应用，研究人员发现新疆、内蒙古、甘肃等省份一些环沙漠地带修建的公路出现了大量水泥稳定基层拱胀变形的新型路面病害，严重影响了道路路用性能和行车安全。

然而，由于半刚性基层拱胀病害近几年才得到道路养护管理部门及学者的重视，现阶段对于水泥稳定基层拱胀病害的研究较少，现有研究也主要侧重于温度场作用下的拱胀研究，忽略了水泥稳定材料含盐量、集料级配、施工方法等其他因素作用下的拱胀变形，防拱胀方法也不能很好的抑制拱胀的发展，亟需提出一套完善的水泥稳定基层防拱胀方法和措施。针对上述问题，依托三莎高速水泥稳定基层拱胀病害处治专项工程，对水泥稳定基层防拱胀措施进行研究，旨在预防且减少未来建设中基层拱胀变形，保证公路行车舒适性和安全性，减少后期养护投入。

S13线(原S215线)三岔口至莎车高速公路建设项目，位于新疆维吾尔自治区喀什地区境内，路线大致呈南北走向，北起阿克苏至喀什高速公路项目的三岔口互通式立体交叉，经过巴楚县、麦盖提县、莎车县，跨越国道315线及喀什至和田铁路后，路线终点在莎车县乌达力克乡北部与“喀什至叶城”一级公路相接，主线全长233.616 km。全线为新建整体式高速公路，设计车速120 km/h，路基宽度28 m。

项目路面结构采用4 cm细粒式SBS改性沥青混凝土表面层(AC-13C)+5 cm中粒式沥青混凝土中面层(AC-20C)+7 cm粗粒式沥青混凝土下面层(AC-25F)+1cm沥青表面处治下封层+32 cm 4.5%水泥稳定砂砾基层+19～26 cm厚天然砂砾底基层。路基则采用30 cm天然砂砾上路床+机织土工布+风积沙填筑。

1 病害特征

(1)从水泥稳定基层易溶盐含量来看，产生拱胀病害的路面基层NaSO含量较未发生拱胀的基层平均高出14%，总含盐量平均高出18%。

(2)从现场取的基层混合料样品级配来看，拱胀病害发生路段基层级配均偏细。

(3)从当时采用的施工工艺来看，拱胀主要发生在采用分层摊铺或分层连续摊铺的路段，这些路段上下基层层间结合差，拱胀破坏时上、下基层分离。

2 拱胀原因

2.1 级配

国内外学者大量试验结果表明，当其他条件相同时，半刚性基层级配越细，其拱胀变形和拱胀系数就会越大。这主要是由于随着混合料级配变细，试件内部变得越来越密实，基层内部可容纳微小变形的空间减小，造成在温胀及盐胀等应力的耦合作用下很容易发生拱胀变形。因此在实际工程实践中为预防拱胀病害的产生，在水泥稳定基层级配设计中宜选用C-B-3优化级配如表1所示，施工中也应严格按照设计级配施工，保证基层材料符合设计级配范围；此外，基层施工中也不宜过度压实，以免骨料被过度压碎。

表1 水泥稳定类基层级配范围一览表

2.2 含盐量

施工中如果半刚性基层采用含盐量较高的集料或盐渍土地基路段路基处理不恰当，均会导致半刚性基层内部的盐渍化。半刚性基层内部随着含盐量的增大，湿度及温度的变化导致基层内开始有硫酸盐晶体析出，材料内部嵌挤作用开始增强，材料拱胀变形变得愈发显著。因此，半刚性基层材料在料场设计，施工过程也注意加强对集料含盐量的控制，采用含盐量小于0.3%的集料。

2.3 应力释放结构

应力释放结构也是拱胀变形产生的关键因素之一。根据重庆交通大学夏至等人试验研究结果，当其他条件相同时，基层设置胀缝的路段拱胀变形量和拱胀系数均明显低于不设置胀缝的路段，且随着胀缝宽度及深度的增加，半刚性基层拱胀变形和拱胀系数显著降低，这是因为设置胀缝可以容纳一定幅度的拱胀变形，有效释放基层产生的拱胀应力与变形。因此防拱胀不仅考虑原材料、施工工艺等因素，还需对基层应力释放结构进行特殊设计，半刚性基层在易发生拱胀病害的区域设置胀缝。

2.4 温度

长安大学王选仓等学者在温度及含盐量对基层拱胀的影响试验研究中发现，在相同含盐量、环境湿度、水泥用量等条件下，这类半刚性基层材料的导热系数随着温度的升高而增大，进一步影响不同深度处基层材料的温胀变形。据研究结果，基层温度达到30～40 ℃的范围时，水泥稳定基层材料拱胀系数也达到最大值，约为0～10 ℃时拱胀系数的1.25～1.17倍。这也很好揭示了水泥稳定基层拱胀病害主要发生在春、夏季的特点。

2.5 水泥用量

宋亮、王选仓等人研究发现，随着水泥稳定材料中水泥用量的增大，水泥稳定基层材料的导热系数也随之显著增大，进而导致基层的拱胀开裂。这主要是由于随着水泥用量的增加，试件内部孔隙率减少，内部结构变得越密实，从而改变水泥稳定材料整体的导热系数。因此在实际工程实践中，水泥稳定基层结构设计中应尽量采用优化结构级配，减少水泥用量的方式来提高水泥稳定基层材料强度，有效预防拱胀病害的发生。

3 拱胀处治设计

项目通过在路面发生拱胀的路段设置应力释放结构，即设置消胀槽来达到修复路面病害的效果。为保证拱胀病害处治质量，项目以消胀槽宽度及苯板设置作为变量，对不同处治方式进行了现场试验比选。

3.1 方案比选

现场随机选取拱胀高度在(15±2.5)cm的八条胀缝，分别按四种处理方式对拱胀病害进行了处理，并布设相应的形变传感器。方案一在产生两道胀缝之间设置一道消胀槽，在基层内部设置宽0.5 m，深0.32 m的消胀槽，并挖除左右各2 m范围内面层进行搭接，两端不设置苯板，槽内基层及下、中面层采用ATB-30沥青碎石混合料回填，上面层采用4 cm AC-13C沥青混凝土恢复；方案二在方案一基础上对消胀槽宽度调整为1 m；方案三则将消胀槽宽度调整为2 m，消胀槽两端也不设置苯板；方案四在方案三的基础上在基层内部消胀槽两端设置苯板。具体参数设置如表2所示。

表2 试验方案设置及技术参数一览表

用于采集基层拱胀变形的形变传感器分别布设在胀缝几何中心位置，通过测试四种方案在不同时段基层内部的拱胀变形来判断最优处治方案。最终监测数据如图1所示。

图1 不同处治方式下“拱胀—时间关系曲线”

3.2 拱胀处治设计

根据图1中不同处治方式下的拱胀变形随时间变化规律可知，随胀缝宽度的增加，基层内部拱胀变形逐渐减小，在两道拱胀裂缝之间设置消胀槽有助于基层内部拱胀应力的释放，降低路面拱胀病害对路面破坏程度。此外，由方案三与方案四拱胀变形量对比可知，苯板的设置同样可以显著降低半刚性基层拱胀变形和拱胀系数，缓解路面拱起开裂，因此本次拱胀处治设计推荐采用方案四。

在拱胀处治时，为防止轻微拱胀发展成重度拱胀病害，采用与重度拱胀病害完全相同的处治方式，即先挖除拱胀处宽度为2 m范围内的水泥稳定砂砾与沥青混凝土面层，基层及下、中面层回填ATB-30沥青碎石混合料，上面层铺设4 cm AC-13C沥青混凝土；对于处治后重新起拱的拱胀处，按重度拱胀来处治。

3.3 后期监测结果

项目为了进一步验证采用的处治方案有效性，对方案四处治方式下的基层内部拱胀变形进行了后期监测，结果如下。

图2 方案四处治方式下“拱胀—时间关系曲线”

从监测结果可以看出，基层内部拱胀变形在前期发展迅速，后期日趋稳定；从该路段路面平整度指标来看，并未发现明显隆起开裂，这表明方案四中的处治方式对减小基层拱胀变形起了有效的缓解作用，如图2所示。

4 拱胀处治施工工艺

(1)施工准备。在施工准备阶段做好原材料送检、设备调试、拱胀及消胀槽位置调查等前期工作，施工人员核查确认路面挖除区域，并对相应路段按规范要求予以交通封闭。

(2)利用切割机等机械设备将拱胀病害处2 m范围内的面层及水泥稳定砂砾基层挖除，挖除后将原水泥稳定砂砾基层底部整平并清扫干净。

(3)基层两侧放置4 cm厚的苯板，苯板长度与开挖断面一致，高度与基层同厚，为32 cm。

(4)基层回填ATB-30沥青碎石混合料，利用高速液压夯振捣密实。

(5)下、中面层回填ATB-30沥青碎石混合料，利用大型压路设备或高速液压夯碾压。

(6)上面层回填AC-13C细粒式沥青混凝土，利用大型压路设备碾压，与前后面层平顺相接。

(7)开放交通。待路面温度将至50 ℃以下，将原有路面标线进行恢复后开放交通。

5 结 语

拱胀作为一种新型路面病害，出现频率在荒漠等温差较大地带随季节、气候均呈现周期性变化。虽然国内外针对路面拱胀病害已经有了较多的研究成果，但相关标准规范的缺失，使得现有防拱胀措施效果并不理想，导致近几年基层拱胀病害愈发严重。因此这些地区在修建半刚性基层沥青路面时，在满足各项技术指标及交通需求的同时，从设计、施工、运营养护阶段严格控制原材料、结构组合、病害处治方法，避免水泥稳定基层产生严重的拱胀病害。

水泥稳定基层设计、施工是影响路面质量的关键环节。半刚性基层在原材料设计方面，严格规定施工用水矿化度要求、水泥膨胀成分要求以及集料硫酸盐含量要求；在配合比设计方面，严格控制水泥稳定基层集料级配与水泥稳定基层配合比；施工质量控制与验收方面，严格控制最佳施工时间及温度、摊铺方式及工程验收标准，预防拱胀病害，提升道路耐久性，延长路面使用寿命。