农村公路施工中水稳基层裂缝的防治措施研究

冯海翔

摘要 某农村公路工程的水泥稳定碎石基层出现了较多的横纵向裂缝，宽度在0～10 mm之间。经过分析，裂缝成因为路基不均匀沉降、施工材料干性收缩。为了提高施工质量，针对相关问题进行研究，制定了可行的施工预防措施和裂缝治理措施。对于未施工的路段，预防措施为检验材料性能、治理湿陷性黄土路基、夯实级配碎石垫层和水稳基层。对于已经开裂的路段，根据裂缝宽度和深浅，分别采取灌注改性乳化沥青或注入水泥浆液的加固措施，以达到延长道路的使用年限、节约农村道路建设资金等目的，更好地服务于三农。

关键词 农村公路；水稳基层裂缝；防治措施

中图分类号 U416文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0109-03

0 引言

杨凌地处渭河流域关中平原腹地，渭河陕西段中上游地区。地貌特征较为明显，分为黄土塬区和河谷阶地区两个地貌单元。渭河沿岸一级阶地为平原地形，地下2 m左右以沙层为主，二级、三级阶梯以湿陷性黄土为主，所以在路基施工方案中应有所区别。另外，全区300多公里农村道路，水泥混凝土路面占比65%、沥青路面占比35%。农村公路工程的等级多为三级、四级，结构上可分为面层、水稳基层、级配碎石底基层（垫层）以及土质基层。受到施工材料、路基沉降、温度、养护措施等因素的综合影响，水稳基层容易出现结构开裂，严重影响工程质量，研究裂缝成因及防治措施具有显著的工程应用价值和社会经济价值。

1 农村公路水稳基层裂缝调查

农村公路包括县道、乡（镇）道、村道，公路等级从二级到四级。常见的农村公路结构形式为土基旧路面、级配碎石、水泥稳定碎石层（简称水稳层）、面层[1]。公路面层具有多种技术方案，包括水泥混凝土面层、沥青混凝土面层、沥青碎石面层、泥结碎石面层等。研究过程以黄土塬区新建的农村公路为调查对象，该道路设计长度为11.35 km，第一阶段的施工长度为4.0 km；在水泥稳定碎石基层施工阶段，以人工徒步巡检的方式采集水稳层在前期施工阶段产生的裂缝，裂缝数量达到431条，具体情况见表1所示。

2 农村公路水稳基层裂缝成因分析

2.1 农村公路水稳基层设计特点

水泥稳定碎石基层施工材料由水泥和碎石集料经混合搅拌而成，此类施工材料的优点为强度高、易于板结，必要时可在混合料中添加粉煤灰。该项目水泥稳定碎石级配设计如表2所示。从设计强度来看，农村公路主要为轻交通，底基层的压实度设计为≥96%，抗压强度设计为4.0 MPa；水稳基层的压实度设计为≥97%，抗压强度为5.0 MPa[2]。水稳基层的设计厚度为200 mm。

2.2 裂缝成因分析

2.2.1 地基不均匀沉降

由于湿陷性黄土的特性，路基在路面经雨水浸泡或农灌水浸泡后，容易产生收缩，导致路基自然下沉，这由地质原因引起；还有路基压实度不够、施工过程中质量控制不严等造成的路基下沉。

经检测，一类裂缝和二类裂缝的水稳基层标高与设计标高存在不同程度的差异，说明相关路段的路基出现了不均匀沉降。当路基沉降量过大时，水稳基层内部可产生较大的应力，造成结构开裂。此类裂缝具有一定的发展性，如果路基继续沉降，裂缝将进一步增大，而若路基沉降到位，裂缝可进入稳定状态，不再扩大。

2.2.2 水稳层施工材料收缩

（1）水稳基层收缩原理分析。水泥稳定碎石基层的施工材料由水泥和碎石集料组成，并且碎石集料占比较高。在硬化过程中，水稳层水分流失速度较快，如果不能及时补充水分，则容易产生干缩效应，引起干缩应力，进而造成水稳基层结构开裂，并且此类裂缝的宽度通常较小[3]。

（2）干缩裂缝宽度理论推导。将水稳基层因干缩效应而产生的应变记为ε，则应变的计算方法如式（1）所示：

（1）

式中，αd——干缩系数；Δw——失水率；αT——温度系数；ΔT——降温幅度。水泥稳定碎石基层可视作半刚性结构，可通过理论推导计算出干缩裂缝的宽度。假设某段水稳基层的长度、厚度和宽度分别为L、h、W，在水稳基层结构内任意点x处截取一个长度单元，将其长度记为dx，根据极限平衡原理，可得到如下力学模型：

（2）

式中，σx——水平拉应力；dσx——水平拉力应变；τ——层间剪应力。进一步推导可知，dσx/dx=τ/h。对于水平拉应力σx，其计算方法可表示为σx=E·dδσ/dx，其中参数E为水泥稳定碎石基层的弹性模量，δσ为约束变位[4]。对表达式σx=E·dδσ/dx进行求导，并且将求导后的结果代入dσx/dx=τ/h中，可得到式（3）：

对式（3）进行积分运算，可得到dδσ/dx=τx/hE+c0，其中c0为积分运算中得到的常量。结合σx=E·dδσ/dx，可推导出干缩裂缝的宽度，计算方法如下：

式中，L——干缩裂缝的宽度。

3 农村公路水稳基层裂缝防治措施

3.1 施工预防技术措施

3.1.1 土质路基施工技术要点

根据多年工程施工经验，土质路基夯实程度不足或者岩土条件较差，是造成路基不均匀沉降的常见因素。为了预防路基不均匀沉降，必须加强土质路基的夯实施工，技术措施如下：

（1）强化工程地质勘察，掌握不良地质条件。软土地质、湿陷性黄土属于常见的不良工程地质因素，结合该项目的实际情况，部分农村公路邻近农村涝池或处于低洼地带，导致地下水含量较高，形成了淤泥质软土层和软弱黏土层，对路基稳定性和承载力造成了影响。

（2）结合地质条件制定合理的施工方案。针对部分路段的软土路基，该项目采取渭河天然砂砾换填法进行处理，但整体效果欠佳，出现了路基不均匀沉降的问题。经过分析，造成该问题的主要原因为换填层厚度不足，如果继续采取换填法，将会导致工程造价过高。由此可见，在路基施工阶段，应当结合地质条件，采取科学、有效的施工方法，该项目可采用建筑垃圾换填，既可以节约成本，还能促进环保节能发展。该项技术已经应用于西安外环高速项目建设，并经过陕西交通行业多年科技攻关和工程实践，于2021年8月由交通运输部发布了《公路工程利用建筑垃圾技术规范》，作为公路工程行业推荐性标准，自2021年11月1日起施行[5]。

对于非软土路段，应强化土质路基的夯实施工，布置测点，定期监测路基沉降量，直至达到稳定，再开展级配碎石底基层和水泥稳定碎石层施工。

（3）严格检查土质路基的施工质量。土质路基质量检测项目包括弯沉量、纵断高程、中线偏位、路基宽度、表面平整度、横向坡度等。在施工过程中，应当使用符合要求的全站仪、水准仪以及其他测量工具，检查各项指标的施工成果，确保质量达标。

3.1.2 级配碎石底基层施工技术要点

（1）控制级配碎石的质量。该农村公路土质路基和水稳基层之间为级配碎石底基层，其作用是充当水稳基层的垫层。级配碎石渭河鹅卵石由机械设备破碎加工而成，该道路属于三级公路，要求垫层施工的级配碎石达到表3中的规定。除了检查碎石的配比，还需检测其含泥量，渭河碎石在加工过程中，泥石筛分质量过差，导致含泥量过高，是一大弊病。过高的含泥量会导致底基层强度不足，容易引起沉降和开裂。

（2）摊铺。待卸料结束之后，利用平地机或者装载机将级配碎石摊铺平整，再以人工方式刮出路拱。人工作业时应注意是否出现粗细集料高度离析的现象，一旦发现，必须予以处理。初步摊铺完成后，利用振动机快速碾压路面，以暴露出不平整的区域，然后由工作人员对相关区域进行找平和摊铺，直至达到平整度要求。

（3）碾压。当达到一定的摊铺厚度时，即可开展碾压作业，如果总体摊铺厚度较大，可采用分层碾压的施工方案。碾压次数为4～8遍，第1遍为压路机静压，起到初步的定型作用，其余碾压施工均采用振动压路机，至少振动碾压3遍。碾压过程可能会出现松散、离析现象，此时应挖除相关部位的碎石，以新料进行换填，再完成碾压施工。

3.1.3 水泥稳定碎石基层施工技术要点

（1）检验水泥稳定碎石混合料的性能。为保证施工质量、避免水稳基层结构开裂，在作业之前，应开展一系列性能试验，确保施工材料达到设计要求，试验内容包括水泥性能、集料性能、混合料击实试验、无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、混合料干缩试验等[6]。以干缩试验为例，部分细小的裂缝由混合料干缩应力引起，在作业前可通过干缩试验测定混合料的干缩系数，为后期的养护环节提供依据。干缩试验的方法为制作试件，尺寸为0.1m×0.1m×0.4m，试验环境的温度和湿度分别为25 ℃和50%，应按照一定的时间间隔检测试件的含水量，直至基本不变为止。最后计算出平均干缩系数，计算方法为式（5）：

式中，ε0——试件的初始干缩应变；εi——试件第i次的干缩应变；ω0——试件的初始含水量；ωi——试件第i次检测的含水量；αavg——平均干缩系数。通过该参数可判断施工材料的干缩效应，有利于防止干缩裂缝。另外，集料是决定水稳基层结构强度的重要因素，对集料的技术要求见表4所示：

（2）技术要点。水稳基层的施工流程为测量放样—支设模板—清扫下承层—混合料拌和—混合料运输—喷洒水泥净浆—混合料摊铺—混合料碾压—施工缝处理—土工布覆盖养护—质量检测。强化各工序的施工质量，能够有效预防水稳基层开裂。在摊铺阶段，纵向搭接宽度不应低于5 cm，通常设计为5～10 cm，以10 cm为宜。在碾压阶段，分为初压、复压和终压三个步骤，使用钢轮压路机分别开展静压和振动压，最后由胶轮压路机再静压1遍。

3.2 工程治理技术措施

该项目第一施工阶段出现了较多的裂缝，分为四种类别，应采取技术措施进行裂缝治理。三类、四类裂缝宽度小、深度浅，修补措施为灌注改性乳化沥青，并且在表面铺设纤维格栅。一类、二类裂缝宽度和深度都较大，如果路基已经沉降到位，可采取注浆加固措施。另外，在施工过程中，对于水稳施工缝，可采取人工拌和纯水泥浆单独进行灌缝处理，然后进行加固补强。

4 研究成果讨论

（1）该农村公路的结构为湿陷性黄土路基、级配碎石垫层、水泥稳定碎石基层以及面层。通过调查发现，第一阶段的4.0 km水稳基层路段上出现了431条裂缝，大部分为小裂缝，但也存在宽度较大的纵向和横向裂缝。造成水稳基层开裂的主要原因为地基不均匀沉降、施工材料干缩。

（2）为了避免后续施工出现同样的问题，应制定更加有效的施工方案。具体的技术措施为减排路基土壤毛细水、将换填法改为建筑垃圾换填。严格控制土质基层、级配碎石垫层、水泥稳定碎石基层的碾压夯实效果。施工前应检测集料、水泥、级配碎石以及混合料的性能。

（3）对于已经出现的裂缝，应及时进行治理，宽度小、深度浅的裂缝可灌注改性乳化沥青，并且在表面铺设纤维格栅。对于宽度和深度都较大的裂缝，可在地基充分沉降后进行注浆加固。

5 结语

裂缝问题不仅影响了路面的美观性，还对整个公路的承载能力以及使用寿命产生了严重影响。裂缝问题并非偶然，其产生往往与材料、施工工艺以及环境因素等多方面有关。为了深入探究裂缝产生的原因，研究人员对裂缝进行了详细的分类和统计。结果显示，大部分裂缝为小裂缝，宽度在1～2 mm之间，这些裂缝可能是施工过程中温度、湿度等环境因素的变化而引起。同时，研究人员也发现存在少量宽度超过5 mm的较大裂缝，这些裂缝可能由材料不合格或施工不当所导致。为了解决这些裂缝问题，研究人员提出了两种技术路径：在施工阶段严格检查原材料和混合料的性能，确保材料达标；对于已经产生的裂缝，采取灌注水泥浆液或者改性乳化沥青的方法进行修补。通过上述措施从根本上解决了裂缝问题，提高了公路的质量与寿命。

参考文献

[1]杨涛. 公路工程施工中水稳基层裂缝的防治[J]. 工程建设与设计， 2023（12）： 163-165.

[2]祝争艳， 周文， 刘海婷， 等. 半刚性基层裂缝注浆材料性能及其机理研究[J]. 公路工程， 2020（6）： 185-189+237.

[3]盛孝钦. 水稳基层裂缝成因分析及防治措施技术总结[J]. 价值工程， 2022（12）： 49-51.

[4]李莉波. 二级公路水稳碎石基层裂缝成因及防治技术[J]. 四川建材， 2020（8）： 122-123.

[5]曹建波. 公路水稳碎石基层裂缝治理技术分析[J]. 科学技术创新， 2021（16）： 155-156.

[6]马强强. 公路工程施工中水稳基层裂缝的防治[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2023（31）： 157-159.