福建重載交通水泥路面典型病害與成因分析

■黃國凱

（福建船政交通職業學院，福州 350007）

0 引言

目前我國許多地區水泥混凝土路面狀況不好，其中一個主要原因就是道路的交通量和交通荷載特性發生了顯著變化，服務的交通特性超過設計的路面結構，使得出現路面的破壞現象[1]。除了目前我國水泥混凝土路面研究和設計理論方法自身的局限以外，福建省也有自身的區域性原因。

福建省干線公路上廣泛采用水泥混凝土路面，但隨著經濟發展，重載交通、汽車超限超載己是普遍存在的問題，這也是路面損壞的一個重要原因。很多路面出現斷裂、唧泥、錯臺等破壞，使路面使用壽命大大縮短，造成巨大的經濟損失。

為了更好的進行路面結構設計，還要有針對性考慮福建地區特有的局部成因等對路面結構的影響，因地制宜的指導福建省公路水泥路面的設計和施工。于是，本文通過對福建各地區的水泥混凝土路面病害情況展開調查，介紹了重載交通下的福建省水泥混凝土路面破壞的典型病害類型及特點，并對這些典型病害的原因進行了討論。

1 福建重載交通水泥路面典型病害

1.1 福建省各地區水泥混凝土路面病害情況

結合福建省國省干線公路水泥混凝土路面病害情況調查， 主要對福州（G104，G316，G324，S201，S202，S203，S305 路線）、南平（G205，G316，S204，S205，S302，S303 路線）、 寧德 （G104，G316，S301 路線）、 莆田（G324，G325，G326，S201，S202，S306 路線）、 漳 州（G319，G324，S201，S207，S208，S301 路線）、廈門（G319，G324，S206 路線）、三明（G205，G316，S208，S306 路線）等地的水泥混凝土路面病害展開了調查。限于篇幅，本文以福州地區和南平地區的統計分析數據為例，對水泥混凝土路面的病害情況進行介紹。

根據對福州地區的 G104，G316，G324，S201，S202，S203，S305等路線進行的調查，G104破壞總里程為75.764km，G316破壞總里程為7.204 km，G324破壞總里程為6.225 km，S201破壞總里程為74.706 km，S202破壞總里程為0.282 km，S203破壞總里程為3.919 km，S305破壞總里程為12.658 km。路面板破壞類型的統計數據、路面的典型病害類型分布見表1和表2及圖1。

表1 福州地區面板破壞類型的統計數據（單位：km）

表2 福州地區破壞程度所占比例（單位：km）

圖1 福州地區路面病害情況

根據南平地區的 G205，G316，S204，S205，S302，S303路線進行了調查，G205破壞總里程為159.609km，G316破壞總里程為132.744km，S204破壞總里程為90.581km，S205破壞總里程為 41.523km，S302破壞總里程為3.608km，S303破壞總里程為30.081km。路面板破壞類型的統計數據、路面的典型病害類型分布見表3和表4及圖2。

表3 南平地區面板破壞類型的統計數據（單位：km）

表4 南平地區破壞程度所占比例（單位：km）

圖2 南平地區路面病害情況

1.2 福建省水泥路面典型病害類型及特點

調查發現福建省水泥路面出現的主要典型病害類型有橫向裂縫、縱向裂縫、板角斷裂等。通過重點走訪、普查G316、G319、G324及南平環城路等重載交通路段，發現重載交通下的福建省水泥混凝土路面破壞有以下特點：

（1）重載道路水泥路面遠遠低于設計年限，出現過早破壞。福建省目前一般重載道路使用壽命12～13年，重車嚴重的道路使用3～5年即出現病害，并且路面板破碎現象嚴重，如圖3所示。使用壽命遠遠低于設計年限。

圖3 福建省水泥路面個別路面板破碎情況

（2）引起重載道路水泥路面出現裂縫的原因多樣。通過調查發現水泥路面使用過程中存在由于路基側向變形引起的路面開裂；使用多年并且路況較好的路段在重載交通下出現突然性破壞現象；根據道路管理部門反映，即使基層修筑的平整，依然會出現脫空的現象，從而導致裂縫的產生。

（3）病害中非結構設計控制的病害占到了很大比例。現行路面結構設計方法中作為結構設計所控制的斷裂是以板中部橫向開裂形式為主的疲勞斷裂，但福建省的路面病害中除了板中橫向開裂外，還出現了非結構設計所控制的斷裂或病害。板中裂縫只占到了1/5左右，同時還出現了橫向裂縫、縱向裂縫、板角裂縫為主的非結構設計所控制的病害，并且三者病害出現數量大致相當。

2 福建水泥路面病害成因分析

水泥路面病害的產生基本都是多種因素綜合作用，總結起來，水泥混凝土路面過早破壞一般和以下幾個方面有關：①設計的路面結構與服務的交通特性不匹配；②水泥路面設計不合要求；③施工質量；④養護不足。福建省水泥路面病害的產生主要取決于前面三個原因，其中重載交通、汽車超限超載是導致路面過早破壞的誘導因素，暴露了以往路面設計、施工中的薄弱環節。本節主要從重載交通情況、水泥路面的設計、施工以及福建省水泥路面自身存在問題分析水泥路面病害產生的原因。

2.1 重載交通情況嚴重

近年來福建省各地經濟發展迅速，道路的交通量和交通荷載特性發生了顯著變化。但限于水泥路面研究不足，交通荷載的統計與預估觀測精度未受重視，計算和預估水平很低，很難準確計算預估各條道路準確的交通量等交通特性。很多地區基本都是按照特重交通、重交通幾個等級來設計路面，10余年用一種典型結構。而實際上路面的破壞與交通特性、軸型類型等有很大關系，規范使用的軸載換算公式不能反映多種路面情況。

福建地區基礎建設任務重，各種礦藏、大型廠礦，直接導致重載交通現象十分突出。重載交通的含義是：貨車比例高，軸載重，超載多，對路面結構和路基的穩定性要求高[2]。由圖4所示南平環城路軸載調查圖可以看出，貨車占75.5%，貨車中又以圖5所示后一軸解放大貨車占最大比例，此種車輛對路面損害最為嚴重。

圖4 南平環城路重載交通車輛車型分布

圖5 福建省重載交通車輛

重載交通下高軸載、高輪胎壓力、多輪軸載綜合作用以及車輛的專用化帶來了斷板、唧泥以及脫空等問題。由于水泥路面基礎不扎實、排水不暢，在過大壓力下導致路基沉陷，積水、沖刷脫空、斷板等多個問題相互聯系在一起，進一步加劇了水泥路面的破壞。傳統的路面結構設計理論、施工和研究發展的速度跟不上現代交通的發展速度，并且目前規范對車輛超載超限估計不足，重載、超載對路面結構的受力和使用產生了與規范設計預期的明顯不同的影響，從而使得我國現行設計理論不適用于重載道路的路面設計。然而目前我國也無專門的重載道路路面專用設計標準和規范，因此必須對新交通形式下的水泥路面結構和技術性能進行研究，通過科學研究并采取相應的措施來改善路面質量。

2.2 水泥路面設計理論與研究的不足

水泥混凝土板擱置在基層、底基層、土基上，各層位功能存在相互作用，是一個復雜的受力結構。目前，我國水泥混凝土路面設計理論和研究水平對于描述其受力機理、傳力構造設置還存在很多不足[3]，直接導致設計、施工和材料選擇上的盲區。

2.2.1 現有路面分析設計方法的不足

（1）沒有專門的水泥混凝土路面分析程序。水泥混凝土路面存在多種工況，但我國目前在水泥混凝土路面多種工況下的設計計算可利用的工具有限[4]。大型通用有限元程序存在建模周期長、費時多等特點，很難實用化。而相比之下，美國則在此方面已積累了很多成果，而且已有很多專用的有限元程序。Kenslab、EverFE、Jslab、islab2000已進入實用化。

（2）沒有考慮固化翹曲。國外已在很早以前已開始關注發現路面的固化翹曲現象，并在設計中得到應用，然而我國這方面的還處于起步階段[5]。實際上考慮固化翹曲的影響可以解決很多目前我國規范無法解釋的現象，特定路段的特定路面結構在一定的交通荷載下會產生特定的病害類型。

（3）基層設計和要求研究不足。基層無厚度設計方法；強度、剛度、抗疲勞的耐久性、耐沖刷特性。抗沖刷能力不足；無明確的設計方法和控制指標；界面特性研究存在缺陷。

2.2.2 路面破壞外在因素的性狀描述不準確

水泥混凝土路面破壞的外部因素主要是嚴酷的環境因素（溫度場、濕度場）和重復的重交通動力荷載作用。但目前我國設計規范對溫度場的描述過于簡單，也導致諸如福建省的病害特點無法解釋。

目前規范中溫度應力是與荷載應力分離計算然后合并在一起，實際上這里忽視了溫度場與荷載的耦合作用影響。事實上，這兩種應力計算方法有很大不同。雖然目前囿于研究水平，路面設計方法只是單純相加，但可以想象，這種計算方法是不能準確描述荷載作用特性的。并且福建各地大部分地區溫度場計算過分倚重規范，沒有建立自己地區氣候公式，使得計算誤差無從得知。

2.2.3 早期齡期行為及對長期結構性能的影響顯著

近年來，許多國外學者發現，水泥混凝土路面施工階段的質量和早期性能（鋪筑后的72h），對于路面的長期行為十分重要[6]。了解水泥路面的早期齡期行為，以及對路面長期結構性能的影響十分重要。路面設計、材料和配合比設計、環境、施工工藝等因素均影響路面水泥混凝土路面的早期齡期行為，而在這些因素綜合作用下形成的路面早期齡期狀態，將直接影響路面長期性能，如：接縫和裂縫的張開量、固化翹曲、水分散失誘發的表面開裂等。目前無論從水泥路面的設計，還是施工，沒有深入的挖掘和理解路面混凝土鋪筑時的72h內的早期齡期性狀對長期性能的影響關系，從而在施工時，對環境因素的考慮、養生、鋸縫、配合比、材料組成等方面存在很大的盲目性。

2.3 施工與材料變異性問題考慮不足

雖然我國水泥混凝土路面機械化水平在不斷提高，但由于材料來源的局限性，材料變異性大帶來的水泥混凝土路面問題仍然突出，欠振、漏振面板欠密實，路基變異性大，處理不足導致基層頂面彎沉變異性大等問題往往導致同一塊面板取芯劈裂強度仍然變異性很大。

材料供應精細化程度不高，水泥的路用品質要求不嚴，水泥混凝土路面中的外加劑和摻和料使用混亂，混凝土配合比精度不夠，新拌混凝土攪拌不充分、色澤不一。不少路面因局部混凝土質量較差，存在著強度偏低，磨損相當嚴重，表面裸露骨料，局部成坑，平整度嚴重劣化等現象。

2.4 福建省本地區自身存在問題

近幾年福建省水泥路面材料要求趨嚴格，并且嚴格控制厚度和強度，其中路面厚度，需達到24cm以上。積極推廣采用外加劑，采用材料機械化計量，推廣采用三輥軸機械施工降低變異性，重視嵌縫料的研發和及時灌縫，加大科研力度。目前建造和養護工藝水平較以前有較大改變和提高，但福建省水泥混凝土路面仍然存在自身的不足。

2.4.1 福建地區環境惡劣

福建地處亞熱帶氣候、氣溫高、降雨量大；這些對于道路施工和基層沖刷都極為不利。接縫處密封不好，排水不暢，導致了基層、路基軟化，造成唧泥、錯臺和啃邊，路面平整度差，行車舒適性差[7]。

2.4.2 基層支撐欠穩固

福建山嶺眾多，道路路基填方、挖方、半填半挖的形式眾多，路基沉陷，路基和基層支撐欠穩固。路面板出現了大量的斷板破壞，這是因為支撐變形量超出了路面板所能容忍的限度。軟基和填挖方交替處理不好，填方路基局部軟化甚至塌陷造成的斷板破壞。基層石灰土、水泥土等材料抗沖刷能力不足，大量使用“兩黑一白”滲透水的“蓄水槽”橫斷面結構，水破壞導致路面斷板的情況相當嚴重。

2.4.3 路面結構薄弱

根據對福建省福州、南平的調查，發現兩地的水泥混凝土路面結構類型如表5所示。這些路面結構不適應超重軸載重交通量，結構種類單一，總體結構偏弱，按原行《水泥混凝土路面設計規范》明顯存在彎拉強度和設計板厚不足的問題。

表5 福建省福州、南平水泥混凝土路面結構類型

2.4.4 設計方面的問題

目前福建省內道路設計不夠精細，不能區分不同路基支撐條件和不同交通軸載情況下的路面結構不同，十幾年使用一套標準設計圖。

路面基層無厚度設計方法，路面結構單一，沒有考慮路面早期齡期施工對路面長期性能的影響。

如圖6所示，福建省內水泥路面結構的縮縫處均未設置傳力桿，導致重載下傳荷能力不足。

目前，福建省內道路路面基層抗沖刷能力不足，沒有明確的設計方法和控制指標，界面特性研究存在一定的缺陷。

圖6 縮縫處傳荷機理

3 結語

隨著福建省各地經濟不斷發展，福建交通行業得到了巨大的提升，但水泥路面依然是福建地區內國道、省道主要的路面結構形式。為了確保水泥路面的行車安全、舒適，應加強對水泥路面病害的調查、分析，并尋找相應的對策。通過對福建福州、南平等地的水泥混凝土路面病害情況展開調查，并結合福建省國省干線公路水泥混凝土路面病害情況發現，橫向裂縫、縱向裂縫、板角裂縫為主的非結構性設計控制的病害是福建省水泥路面的主要病害。通過對病害的原因分析可以發現，重載交通、汽車超限超載是導致路面過早破壞的誘導因素，暴露了以往路面設計、施工中的薄弱環節。同時，福建省在氣候、地基方面存在天然的不足，在設計上也存在路面結構薄弱等問題。基于此，開展福建地區重載交通荷載統計、進一步精細路面結構設計來適應新的交通發展需求已越發的重要。

[1]蔣應軍，戴學臻，陳忠達，等.重載水泥混凝土路面損壞機理及對策研究，公路交通科技，2005，22（7）：31-35.

[2]戴學臻，蔣應軍.水泥混凝土路面重載與重載交通的界定方法.公路，2009，2，56-60.

[3]蔣應軍，戴經梁.傳力桿與混凝土界面的接觸應力.中國公路學報，2007，20（2）：29-34+5.

[4]馮德成，權磊，田波等.水泥混凝土路面固化翹曲試驗研究，建筑材料學報，2013，16（5）：812-816.

[5]楊卉.水泥混凝土路面早期斷裂原因及預防措施探析.交通標準化，2013，(1).

[6]周玉民，談至明，田波.基于薄板單元的水泥混凝土路面荷載應力分析，同濟大學學報（自然科學版），2010，38（5）：685-691.

[7]王榮，胡昌斌.高溫氣候重載水泥混凝土路面典型結構受力特性研究，武夷學院學報，2013，32（5）：99-104.