西部寒旱地區公路路面開裂病害分析

沈 瑜，王新新，王博偉

(1.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070；2.洛陽理工學院，河南 洛陽 471023)

西部寒旱地區公路路面開裂病害分析

沈 瑜1，王新新2，王博偉1

(1.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070；2.洛陽理工學院，河南 洛陽 471023)

西部寒旱地區海拔較高、氣候惡劣，在干濕凍融循環、冷熱交替、水分和外部荷載等因素的影響下工程地質會發生變化，使得公路發生不同種類和程度的病害影響，路面開裂是公路病害最常見的類型。對于西部寒旱地區公路路面開裂病害的類型和成因進行分析，包括低溫收縮開裂、變形開裂、剪切開裂、反射開裂、疲勞開裂等，對西部寒旱地區公路施工技術措施進行研究。

西部寒旱地區；低溫收縮開裂；變形開裂；剪切開裂；反射開裂；疲勞開裂

0 引言

西北寒旱地區主要指中國氣候寒冷、干旱地區，中國西北部大部分屬于這種地區，主要包括新疆省全部區域、青藏高原北部和東北部地區、甘肅省大部分區域、寧夏省全部區域、青海省全部地區、內蒙古西部以及陜西省北部地區，干寒地區最低平均氣溫在-30℃～-10℃之間，氣候寒冷干燥。寒旱地區地處中國西北部，受海洋氣流影響較小，加之這些地區海拔較高，高原地形作用明顯，因此造成了干旱寒冷的氣候背景。寒旱地區海拔較高，高山環繞，鹽堿地分布廣泛，由于干燥、寒冷、溫差、強紫外線和大風等氣候特征形成了干濕凍融循環、冷熱交替等典型的自然條件，長久的低溫會使地質形成凍土情況。

在西部寒旱地區修筑公路，由于干濕凍融循環、冷熱交替、水分和外部荷載等因素的影響[1]，工程地質會發生變化，使得公路發生不同種類和程度的病害影響，不同的原因造成不同的病害表現形式，例如路基凍脹、路面沉陷、翻漿和路面開裂等。特別在全球環境變暖和人類活動日益頻繁的形式下，西部寒旱地區沿線的地質情況出現復雜性和多變性等情況。所以，對西部寒旱地區公路病害的類型進行分析，以緩解公路病害的發生是當前迫切需要解決的問題。路面開裂是公路病害最常見的類型，本文對于西部寒旱地區公路路面開裂病害的類型和成因進行分析。

1 西部寒旱地區公路路面開裂病害類型

1.1 低溫收縮開裂

西部寒旱地區最低平均氣溫在-30℃～-10℃之間，而且低溫氣候持續時間長。瀝青材料對溫度的敏感性很強[2]，溫度降低時，瀝青混合料的粘滯流動性減小，瀝青的強度增大，瀝青材料開始收縮。當路面體積收縮率超過粘滯流動允許的范圍時，會在路面產生溫度應力。當溫度驟降時，瀝青路面產生的收縮應力會超過瀝青混合料的抗拉強度，造成表面開裂。路面在瀝青強度變化的過程中就會造成低溫收縮路面開裂現象。西部寒旱地區發生氣溫驟降的概率比其他地區要高很多，所以低溫收縮開裂是西部寒旱地區公路常見病害之一。西部寒旱地區海拔高，受到紫外線輻射強度大，瀝青路面老化嚴重，抗低溫強度變差，也是寒旱地區公路路面容易產生低溫收縮開裂的原因之一。

低溫收縮開裂的表現形式以路面橫向裂縫為主，其它有大塊狀裂縫或者縱向裂縫。裂縫大小和覆蓋范圍根據路面瀝青的質量、面層的混合材料和基礎材料的特性不同而變化。橫向裂縫有的橫向貫穿整個路面，見圖1；有的是路面邊緣處開始的不貫穿裂縫，邊緣處裂縫寬度大，向路面中間延伸逐漸變窄直至消失；有的是路面中間裂縫，由中間向邊緣處的裂縫寬度逐漸變窄。

圖1 橫向裂縫

1.2 變形開裂

在西部寒旱地區，干濕凍融循環是常見的自然現象。西部冬季氣溫驟降，造成公路路基低溫凍結，路面扯裂或凍脹隆起；隨著天氣氣溫轉暖，路基土層顆粒之間冰晶融化，由淺土層開始融化，深土層繼續凍結，凍結層變成不透水層。不透水層造成淺土層中的水分不能及時排出，水分的增多使得土壤松軟，路基強度驟降，承載力下降，在外部行車負荷下，公路路基發生變形，并導致路面下沉開裂，嚴重時甚至形成翻漿。所以，變形開裂也是西部寒旱地區常見的裂縫病害之一。

變形開裂的表現形式為路面下沉，形成路面凹坑、開裂或者網狀開裂。當路基變形程度較輕時，主要表現為路面整體下降，但沉降量較小，路面基本平整，有時會有小凹坑。當路基變形程度嚴重時，路基沉降量大，引起瀝青層面開裂或隆起，隨著負載外力的反復作用和內力的時延，造成開裂嚴重形成網裂。

1.3 剪切開裂

西部寒旱地區路面的剪切開裂發生在陡坡路段的概率較大。在行車外力作用下，瀝青面層底部彎拉開裂和路基的剪切滑移破壞容易造成公路路面的剪切開裂[3]。此外，瀝青路面老化造成的瀝青面層穩定性差、抗剪切強度弱[4]，所以瀝青面層與路基粘結力不足，在外部車輛加速或者緊急剎車時容易對公路路面形成剪切開裂。

剪切開裂的表現形式是瀝青面層變形，路面結構層裸露出路面。而且剪切開裂通常呈現方向性，在下坡路段，裂縫端部指向車輛行駛方向；在上坡路段，裂縫端部指向車輛行駛相反的方向。所以，公路路面左右兩側的剪切開裂也會呈現不同的形式。

1.4 反射開裂

反射開裂會在三種情況下產生：一是在公路混凝土路面需要補強時，需要在舊路面上加蓋一層瀝青罩面。如果下層舊混凝土位移產生的彎拉應力超出上層瀝青罩面的抗拉強度時，新鋪的瀝青罩面就會產生裂縫[5]，這是反射裂縫的形式之一；二是路面鋪設時半剛性基層材料上需要加鋪瀝青面層，半剛性基層對于溫度和濕度變化敏感，在其強度形成過程中，需要在其上層進行施工、碾壓，所以半剛性基層容易產生低溫收縮裂縫和干縮裂縫。這些裂縫擴展到瀝青路面面層會形成反射裂縫；三是半剛性基層在行車荷載的作用下產生彎拉應力，當彎拉應力超出上層瀝青罩面的抗拉強度時，半剛性基層底部會發生開裂。隨著行車碾壓反復作用，裂縫會擴展到瀝青罩面層，形成反射開裂。

在西部寒旱地區，氣溫會發生驟變，容易導致半剛性基層的低溫收縮裂縫；寒旱地區空氣濕度小，容易產生干縮裂縫，所以反射開裂也是西部寒旱地區公路病害之一。

瀝青面層反射開裂的表現形式主要為橫向裂縫，裂縫在瀝青面層的某位置產生，然后向兩側延伸，大裂縫伴有支縫，裂縫間距較均勻。

1.5 疲勞開裂

瀝青路面內部各結構層都有空隙，在行車荷載的反復作用和溫濕度的循環作用下，瀝青路面結構內部的溫濕度應力會發生變化。當溫度應力小于瀝青混合料的抗拉強度時，會對路面產生撕扯力，但是初期不會導致路面開裂，只是當溫濕度應力循環產生的累積效應達到一定程度，超過疲勞強度時會在路面結構薄弱的部位產生疲勞開裂[6]，并由公路內部的空隙產生的微裂縫，在荷載和溫濕度作用下逐漸嚴重。

疲勞裂縫的產生與行車荷載、溫濕度循環、公路材料等有關。西部寒旱地區溫度驟變，氣候干旱，導致溫濕應力變化大。同時，寒旱地區氣候惡劣，導致瀝青路面過早老化，混合料的抗疲勞性能差，也容易導致疲勞開裂。所以，疲勞開裂也是西部寒旱地區公路的病害之一。

疲勞開裂的表現形式在初期表現為行車軌跡沿線的平行縱向裂縫，而寬度細微；隨著公路運營時間日久和車輛載荷反復作用，在縱向裂縫上會再出現橫向或者斜向上的裂縫，嚴重時會形成網狀裂縫。

2 西部寒旱地區公路施工技術措施分析

通過對西部寒旱地區公路路面開裂進行分析，結合路面施工技術，應該對于施工過程中的工程技術措施進行改進：一、在施工原始材料方面，應該選擇高標號的改性瀝青、粘附性好的集料，以提高路面的抗低溫性能；二、在原材料混合方面，把握瀝青混合料的低溫抗裂性和穩定性，采用密度配類型的礦質混合料，必要時應該摻入抗脫落劑，提升路面的抗疲勞和抗彎拉能力；三、在公路的結構設計中，應該在瀝青面層下設置中間層，以抵抗反射裂縫；四、在公路的施工過程中，應該規范施工環節，寒旱地區的施工應該保證溫度，低溫條件下施工應按照規范進行每一層的保溫處理。

3 結語

西部寒旱地區海拔較高、氣候惡劣，為了保障寒旱地區公路的正常運營，本文分析干濕凍融循環、冷熱交替、水分和外部荷載等因素對公路材料和工程的影響，在此基礎上分析了西部寒旱地區公路路面開裂病害的類型，包括低溫收縮開裂、變形開裂、剪切開裂、反射開裂、疲勞開裂等，然后闡述了西部寒旱地區公路施工技術措施，為公路的維護提供技術基礎。

[1]高明,李向全,王振興,等.高寒多年凍土地區公路病害的成因及防治[J].公路,2014(7):75-78.

[2]李紀德,許開成,龔瓊波.半剛性基層瀝青路面低溫收縮開裂性能研究[J].鐵道建筑,2006(11):104-105.

[3]蘇應全,馮永平,周志剛,等.碎石基層瀝青路面性能非線性分析[J].公路與汽運,2015(3):88-91.

[4]艾長發,邱延峻,黃兵,等.高寒地區瀝青路面開裂形態與成因分析[J].公路,2006(2):51-56.

[5]黃旭.雙絞合鋼絲網加筋新老路面結合部的抗反射開裂力學分析[D].湖南長沙:長沙理工大學,2011.

[6]張偉.基于耗散能理論的瀝青路面溫度疲勞開裂分析[J].城市道橋與防洪,2010(5):164-166.

U418.6

B

1009-7716（2017）08-0059-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.018

2017-04-11

國家自然科學基金項目（51541902,51669010,61162016, 61202314）；甘肅省自然基金項目（1506RJZA082）

沈瑜（1982-），女，山東濟寧人，副教授，從事智能交通與信息處理研究工作。