半填半挖式山區(qū)農(nóng)村公路水泥混凝土路面病害分析

李發(fā)興，鄭少鵬，谷永云，程志豪，陳 黎

(1.普洱交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，云南 普洱 666500；2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650200；3.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650051)

0 引言

山區(qū)農(nóng)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(jié)構(gòu)形式(如圖1所示)，其路基多為半填半挖結(jié)構(gòu)形式，路面結(jié)構(gòu)中一邊為填方路基，一邊為挖方路基(如圖2所示)。山區(qū)農(nóng)村公路靠近山谷一側(cè)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(shí)機(jī)具與臨空面的安全距離有明確要求，同時山區(qū)農(nóng)村公路的臨坡面易受到雨水的沖刷及浸入，影響路基的穩(wěn)定性，從而對路面整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而誘發(fā)路面病害[1-3]。農(nóng)村公路路面材料多采用水泥混凝土，對其強(qiáng)度及厚度均有嚴(yán)格要求，然而，由于路基穩(wěn)定性引發(fā)的水泥混凝土路面病害頻繁發(fā)生，尤其是在半填半挖路基結(jié)構(gòu)形式上，其影響因素較為復(fù)雜[4-5]。本文針對山區(qū)半填半挖式農(nóng)村公路水泥混凝土路面病害進(jìn)行分析，研究其成因，探索內(nèi)外環(huán)境多因素條件下病害誘發(fā)機(jī)理，進(jìn)一步提出病害防治措施，為山區(qū)農(nóng)村公路新建及養(yǎng)護(hù)提供理論支撐。

圖1 山區(qū)農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)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(qū)農(nóng)村公路進(jìn)行試驗(yàn)研究，所調(diào)研的農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)型式均為“面層+調(diào)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(diào)平層為10 cm級配碎石，路基為半填半挖式。該農(nóng)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(xiàn)縱向裂縫病害，尤其是在靠近山谷一側(cè)更為明顯，路面兩側(cè)雨水易匯集，排水不暢。

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，該山區(qū)農(nóng)村公路水泥混凝土路面發(fā)生了較大的縱向裂縫，并逐漸向臨近山谷一側(cè)發(fā)展為較大的錯臺，其長度達(dá)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(dá)到了3 cm。

該農(nóng)村水泥混凝土路面在出現(xiàn)縱向裂縫后不斷發(fā)展，并且呈“Y”字形逐漸擴(kuò)展，尤其是臨近山谷一側(cè)發(fā)展更為嚴(yán)重。其主要裂縫寬度為1 cm，發(fā)展出的裂縫為0.5 cm，最大錯臺高度為3 cm。根據(jù)調(diào)研結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該山區(qū)半填半挖農(nóng)村水泥混凝土路面的典型病害為臨山谷一側(cè)縱向開裂，之后逐漸向兩側(cè)發(fā)展，尤其是向山谷一側(cè)發(fā)展居多，并沿山谷一側(cè)形成較大的錯臺病害。

2 病害成因分析

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

從現(xiàn)場調(diào)研分析，水泥混凝土路面縱向開裂病害的產(chǎn)生，與外界雨水的影響有直接關(guān)系：在公路靠近山體一側(cè)未設(shè)置排水溝等設(shè)施，因其排水不暢，雨水通過其邊部滲透進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)中，侵蝕土路基，導(dǎo)致路基承載能力下降，產(chǎn)生不均勻沉降；加之靠近山谷一側(cè)屬于填方型路基，其穩(wěn)定性受到更嚴(yán)重的影響。因此，使得水泥混凝土路面板產(chǎn)生縱向開裂；進(jìn)而在車輛荷載的反復(fù)作用條件下，縱向開裂進(jìn)一步發(fā)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(jìn)行處治。對于破損嚴(yán)重的路面板采取換板處理，而對于路面板整體性較好、連續(xù)縱向開裂和不均勻沉陷的問題，則采用瀝青砂AC-5恢復(fù)路面平整度，或采用聚合物改性水泥混凝土恢復(fù)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(xiàn)跑冒現(xiàn)象[7-9]。因此，分析認(rèn)為，對于路基損壞特別嚴(yán)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(yīng)在其靠近山體一側(cè)修復(fù)排水溝，減少雨水對路基的侵蝕，增強(qiáng)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(wěn)定性損壞特別嚴(yán)重的路段，建議采用路基換填方式進(jìn)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(shí)無明顯沉降后，鋪筑10 cm級配碎石調(diào)平層。試驗(yàn)過程中換填深度為40～50 cm，基本滿足一次壓實(shí)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(shí)厚度的2/3，大面向下、小面向上，擺放平穩(wěn)，緊密靠攏，所有縫隙以小石塊或碎石嵌塞，用壓路機(jī)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(qiáng)度不足造成路面開裂、錯臺的路段采用壓力注漿進(jìn)行處理。處治范圍為路面對應(yīng)的范圍，注漿處理深度應(yīng)≥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(yīng)采用干法作業(yè)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(yīng)，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(jié)構(gòu)，以提高路面結(jié)構(gòu)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(jié)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(jīng)開裂成3個及以上塊狀，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的裂縫的混凝土板進(jìn)行換板處理；對于水泥混凝土板塊破碎嚴(yán)重或伴有沉陷、唧漿，或連續(xù)多塊板破碎的，需同時對路基進(jìn)行處治。

對水泥混凝土板進(jìn)行換板時，應(yīng)對更換的板邊緣進(jìn)行全厚度整體清除，同時對路基進(jìn)行注漿或者是換填處理，達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度后方可澆筑新的混凝土板。一般采用現(xiàn)場澆筑的方式對破碎的混凝土板進(jìn)行換板處理，接縫處應(yīng)采用熱瀝青或環(huán)氧樹脂類材料進(jìn)行處理。新澆筑的混凝土板均需養(yǎng)護(hù)至規(guī)定強(qiáng)度方可開放交通[10-11]。

3.2.2 錯臺處治

針對高差>10 mm的嚴(yán)重錯臺，可采取瀝青砂或聚合物改性水泥混凝土進(jìn)行處治。采用瀝青砂填補(bǔ)前應(yīng)在下沉板面上進(jìn)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(bǔ)整個下沉板面，修補(bǔ)后應(yīng)與原路面高度一致，恢復(fù)原路面平整度。當(dāng)采用聚合物改性水泥混凝土修補(bǔ)時，應(yīng)將錯臺下沉板鑿除2～3 cm深，或?qū)ο鲁涟暹M(jìn)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?qū)⒆{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(bǔ)后應(yīng)與原路面高度一致，形成加柱式路面結(jié)構(gòu)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(xiàn)，針對該種情況，宜采用與錯臺同步修補(bǔ)的方式，并在錯臺修補(bǔ)前，先進(jìn)行灌縫處理，順著裂縫擴(kuò)寬成3～4 cm的溝槽，槽深為路面板厚，采用瀝青砂填補(bǔ)料或聚合物改性水泥混凝土填充到擴(kuò)縫內(nèi)。裂縫處治后在反復(fù)荷載和外界環(huán)境條件下，易造成老化和開裂，應(yīng)在1～2年時間內(nèi)重新灌縫。平時應(yīng)注意巡檢，一旦由于特殊情況出現(xiàn)灌縫材料開裂等損壞情況，應(yīng)及時修補(bǔ)[12]。

綜合上述分析，針對該山區(qū)半填半挖農(nóng)村公路出現(xiàn)的縱向開裂典型病害，應(yīng)從路基和面層兩個層面進(jìn)行分析和處置，同時應(yīng)完善路面結(jié)構(gòu)兩側(cè)排水措施，在靠近山體一側(cè)設(shè)置排水溝，防止雨水匯集、浸泡路基，并且應(yīng)在臨近山谷一側(cè)對土路肩進(jìn)行夯實(shí)，向外設(shè)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(shè)置排水圓管涵、鋼管等措施，減少雨水對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，保障路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

4 結(jié)語

通過對某山區(qū)半填半挖式農(nóng)村公路水泥混凝土路面病害調(diào)研分析，揭示了其主要病害的成因及影響機(jī)理，提出了針對路面病害的處治措施，得出以下主要結(jié)論：

(1)該山區(qū)半填半挖式農(nóng)村公路水泥混凝土路面病害主要表現(xiàn)為縱向開裂，并在靠近山谷一側(cè)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(dǎo)致，其直接影響因素為排水不暢導(dǎo)致雨水匯集、侵蝕路基，使路基不均勻沉降導(dǎo)致路面開裂，進(jìn)而發(fā)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(fù)措施整體修復(fù)路面結(jié)構(gòu)病害，并提出加強(qiáng)路面兩側(cè)排水設(shè)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。