半填半挖式山區農村公路水泥混凝土路面病害分析

李發興，鄭少鵬，谷永云，程志豪，陳 黎

(1.普洱交通建設集團有限責任公司，云南 普洱 666500；2.云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650200；3.云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650051)

0 引言

山區農村公路由于地形條件的限制，其橫截面多處于一面臨山體、一面臨山谷的結構形式(如圖1所示)，其路基多為半填半挖結構形式，路面結構中一邊為填方路基，一邊為挖方路基(如圖2所示)。山區農村公路靠近山谷一側路基為填方路基，由于存在臨空面，因此在施工過程中對壓實機具與臨空面的安全距離有明確要求，同時山區農村公路的臨坡面易受到雨水的沖刷及浸入，影響路基的穩定性，從而對路面整體結構產生影響，進而誘發路面病害[1-3]。農村公路路面材料多采用水泥混凝土，對其強度及厚度均有嚴格要求，然而，由于路基穩定性引發的水泥混凝土路面病害頻繁發生，尤其是在半填半挖路基結構形式上，其影響因素較為復雜[4-5]。本文針對山區半填半挖式農村公路水泥混凝土路面病害進行分析，研究其成因，探索內外環境多因素條件下病害誘發機理，進一步提出病害防治措施，為山區農村公路新建及養護提供理論支撐。

圖1 山區農村公路結構形式示意圖

圖2 半填半挖路基示意圖

1 水泥混凝土路面典型病害類型

針對云南某山區農村公路進行試驗研究，所調研的農村公路路面結構型式均為“面層+調平層+土路基”，其中，路面寬度均為4 m，路面面層厚度為20 cm，均為水泥混凝土路面面層，調平層為10 cm級配碎石，路基為半填半挖式。該農村公路水泥混凝土路面鋪筑完成并開放交通兩年后，開始逐漸出現縱向裂縫病害，尤其是在靠近山谷一側更為明顯，路面兩側雨水易匯集，排水不暢。

在試驗過程中發現，該山區農村公路水泥混凝土路面發生了較大的縱向裂縫，并逐漸向臨近山谷一側發展為較大的錯臺，其長度達到20 m，平均裂縫寬度為1 cm，最大裂縫寬度為2 cm，最大錯臺高度達到了3 cm。

該農村水泥混凝土路面在出現縱向裂縫后不斷發展，并且呈“Y”字形逐漸擴展，尤其是臨近山谷一側發展更為嚴重。其主要裂縫寬度為1 cm，發展出的裂縫為0.5 cm，最大錯臺高度為3 cm。根據調研結果可以發現，該山區半填半挖農村水泥混凝土路面的典型病害為臨山谷一側縱向開裂，之后逐漸向兩側發展，尤其是向山谷一側發展居多，并沿山谷一側形成較大的錯臺病害。

2 病害成因分析

該山區農村水泥混凝土路面出現較為嚴重的縱向開裂病害，其成因復雜，主要可分為路面內部結構及外界環境兩個部分[6]。其中，路面內部影響因素主要包括水泥混凝土面層及路基土，而外界環境則主要受雨水及車輛荷載的影響。在該農村公路水泥混凝土材料強度及厚度均滿足要求的條件下，其內部影響因素主要集中在路基土方面，而在所調研路段均設置了限高架及限重標志，未發現有重載和超載車輛大量通行。因此，分析認為影響該農村水泥混凝土路面病害形成的主要因素為路面結構內部路基土的穩定性及外界雨水的沖刷和侵蝕影響，具體表現為局部路段路基強度不足、排水不暢而局部水毀，從而誘發路基不均勻沉降以及承載力不足，最終發展成為水泥混凝土路面縱向開裂病害，并進一步演化。

從現場調研分析，水泥混凝土路面縱向開裂病害的產生，與外界雨水的影響有直接關系：在公路靠近山體一側未設置排水溝等設施，因其排水不暢，雨水通過其邊部滲透進入路面結構中，侵蝕土路基，導致路基承載能力下降，產生不均勻沉降；加之靠近山谷一側屬于填方型路基，其穩定性受到更嚴重的影響。因此，使得水泥混凝土路面板產生縱向開裂；進而在車輛荷載的反復作用條件下，縱向開裂進一步發展，并形成錯臺。

3 病害處治方法

針對水泥混凝土路面縱向開裂問題，主要從路面板及路基兩個方面進行處治。對于破損嚴重的路面板采取換板處理，而對于路面板整體性較好、連續縱向開裂和不均勻沉陷的問題，則采用瀝青砂AC-5恢復路面平整度，或采用聚合物改性水泥混凝土恢復路面。路基處理方式可以分為注漿和換填兩種，但注漿時可能會由于土基的松散而出現跑冒現象[7-9]。因此，分析認為，對于路基損壞特別嚴重的路段，最佳的處治方案為路基換填。同時，為了改善公路排水性能，應在其靠近山體一側修復排水溝，減少雨水對路基的侵蝕，增強路基的承載能力。

3.1 路基處治方法

3.1.1 路基換填

對于路基穩定性損壞特別嚴重的路段，建議采用路基換填方式進行處置。路基換填材料宜采用換填片石，換填深度為40～50 cm，碾壓密實無明顯沉降后，鋪筑10 cm級配碎石調平層。試驗過程中換填深度為40～50 cm，基本滿足一次壓實厚度，因此可以采用一次性水平填筑，石塊最大厚度不得超過一次壓實厚度的2/3，大面向下、小面向上，擺放平穩，緊密靠攏，所有縫隙以小石塊或碎石嵌塞，用壓路機碾壓將片石壓入軟基中直到不再有下沉為止。

3.1.2 路基注漿

對于因路基強度不足造成路面開裂、錯臺的路段采用壓力注漿進行處理。處治范圍為路面對應的范圍，注漿處理深度應≥80 cm。注漿孔布置排距宜為2.0 m，孔距為2.5 m，如圖3所示。注漿孔路基填土及以下孔段應采用干法作業成孔，孔徑為75 mm，注漿孔均為豎直鉆孔。注漿時，為了保證路基與路面整體性效應，將注漿頂面保持與路面面層齊平(如圖4所示)，使得混凝土路面面層板與路基在注漿的作用下形成整體結構，以提高路面結構的整體承載能力。

圖3 注漿孔平面分布示意圖(cm)

圖4 注漿孔連結路基與面層板示意圖(cm)

3.2 路面病害處治

3.2.1 換板處治

對于已經開裂成3個及以上塊狀，出現較為嚴重的裂縫的混凝土板進行換板處理；對于水泥混凝土板塊破碎嚴重或伴有沉陷、唧漿，或連續多塊板破碎的，需同時對路基進行處治。

對水泥混凝土板進行換板時，應對更換的板邊緣進行全厚度整體清除，同時對路基進行注漿或者是換填處理，達到規定的壓實度后方可澆筑新的混凝土板。一般采用現場澆筑的方式對破碎的混凝土板進行換板處理，接縫處應采用熱瀝青或環氧樹脂類材料進行處理。新澆筑的混凝土板均需養護至規定強度方可開放交通[10-11]。

3.2.2 錯臺處治

針對高差>10 mm的嚴重錯臺，可采取瀝青砂或聚合物改性水泥混凝土進行處治。采用瀝青砂填補前應在下沉板面上進行密集刻槽，矩形槽深為3～4 mm，槽寬為3～5 mm，槽間距為12～25 mm，清除路面雜物和灰塵，并噴灑一層熱瀝青或乳化瀝青，修補整個下沉板面，修補后應與原路面高度一致，恢復原路面平整度。當采用聚合物改性水泥混凝土修補時，應將錯臺下沉板鑿除2～3 cm深，或對下沉板進行密集刻槽，矩形槽深為3～4 mm，槽寬為3～5 mm，槽間距為12～25 mm，清除路面雜物和灰塵，或將注漿孔保留路面板厚度的2/3不注漿，而用聚合物改性水泥混凝土填充注漿孔，修補后應與原路面高度一致，形成加柱式路面結構體系。

3.2.3 裂縫處治

研究過程中，路面縱向裂縫寬度最大處均>3 mm，平均寬度在1 cm左右，并伴隨錯臺同時出現，針對該種情況，宜采用與錯臺同步修補的方式，并在錯臺修補前，先進行灌縫處理，順著裂縫擴寬成3～4 cm的溝槽，槽深為路面板厚，采用瀝青砂填補料或聚合物改性水泥混凝土填充到擴縫內。裂縫處治后在反復荷載和外界環境條件下，易造成老化和開裂，應在1～2年時間內重新灌縫。平時應注意巡檢，一旦由于特殊情況出現灌縫材料開裂等損壞情況，應及時修補[12]。

綜合上述分析，針對該山區半填半挖農村公路出現的縱向開裂典型病害，應從路基和面層兩個層面進行分析和處置，同時應完善路面結構兩側排水措施，在靠近山體一側設置排水溝，防止雨水匯集、浸泡路基，并且應在臨近山谷一側對土路肩進行夯實，向外設2%的坡度，以迅速排除雨水，必要時在集匯水的最不利位置設置排水圓管涵、鋼管等措施，減少雨水對路面結構產生的影響，保障路面結構的穩定性和耐久性。

4 結語

通過對某山區半填半挖式農村公路水泥混凝土路面病害調研分析，揭示了其主要病害的成因及影響機理，提出了針對路面病害的處治措施，得出以下主要結論：

(1)該山區半填半挖式農村公路水泥混凝土路面病害主要表現為縱向開裂，并在靠近山谷一側形成較大的錯臺。

(2)縱向開裂病害主要由路基承載力不足所導致，其直接影響因素為排水不暢導致雨水匯集、侵蝕路基，使路基不均勻沉降導致路面開裂，進而發展為錯臺、破碎板等病害。

(3)研究提出采用換填、注漿加固路基，采用換板、路面面層恢復措施整體修復路面結構病害，并提出加強路面兩側排水設施的具體要求，指出采用“路基換填+路面換板+改善排水措施”為路面病害最佳處治方案。