高速公路裂紋分析與防治措施研究

摘要 高速公路是我國公路網絡的重要組成部分，隨著公路運行時間的增加，路面不可避免地出現裂紋導致破壞。文章通過文獻閱讀、野外調研和實測資料分析等手段，確定了高速公路路面參數裂紋的影響因素，提出了高速公路的防治措施。結果表明，高速公路產生裂紋的原因為路面混凝土表層的強度較低、面層較薄、混凝土板底缺失、來往車輛的荷載；發生板底脫空的范圍越大，路面發生的變形就越大，路面就越容易發生破壞；提出了道路裂紋防治措施，主要包括選用合適的裂縫修補材料、提高道路的傳荷能力、實施植筋加固和脫空灌漿等。

關鍵詞 高速公路；公路裂紋；影響因素；防治措施

中圖分類號 U418 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0088-03

0 引言

高速公路是我國公路網絡的重要組成部分，是專供汽車分向、分車道行駛并控制出入的干線公路，具有非常大的通行能力[1]。為了避免高速公路受到破壞，一些地方對高速公路上的大型貨車進行了交通管制，但是，隨著高速公路運行時間的增加，路面不可避免地出現裂紋導致了破壞，影響了公路的正常使用[2-3]。因此，對高速公路裂紋產生的影響因素，以及因素對路面的作用研究非常重要，可以為延長公路壽命和提出解決路面裂紋技術提供依據。

該文通過文獻閱讀、野外調研和實測資料分析等手段，確定了高速公路路面參數裂紋的影響因素，并提出了高速公路的防治措施。

1 工程概況

該文研究對象為山西北部某高速公路。公路全長15 km，設計速度為100 km/h。路基寬度為15 m（雙向四車道），水泥混凝土路面，設計南行線（下行線）的路面面層厚30 cm，北行線（上行線）的路面面層厚28 cm，面層混凝土設計彎拉強度為5 MPa，基層彎拉強度為3 MPa、抗壓強度為15 MPa。在運行三年后，公路局部路段發生不同程度的裂紋，裂紋主要分布在道路右側。該文主要分析公路裂縫的產生原因，以及防治措施。

2 影響因素分析

2.1 一般因素

結合國內外現有的研究成果[4-10]，總結了產生路面裂紋的影響因素，得出裂紋的主要影響因素如下：

（1）混凝土表面強度是影響水泥路面結構承載力和使用壽命的主要因素。

（2）混凝土表面厚度是決定道路結構使用壽命的關鍵因素。

（3）切縫深度不足會導致混凝土截面強度不符合要求，導致切縫外部出現裂縫。

（4）混凝土板底缺失時，將大幅提高內部的彎曲和拉伸應力，導致水泥混凝土路面容易破碎。

（5）路面結構也是裂紋產生的主要原因之一。

（6）車輛行駛時對路面結構的外部作用，也是造成路面結構損壞的主要原因。

2.2 影響因素分析

為了確定研究區路面裂紋的影響因素，該文選取某個存在裂痕的路段作為研究對象，通過鉆孔采樣測試其強度。測試部位分別為道路的左側和右側中心，采樣數量為左右各20個。路段左右兩側的強度測試結果如表1所示：

通過表1可以發現，道路右側的強度小于公路左側，且采樣結果表明右側路面的強度不滿足設計的大于左側路面的范圍要求，說明該文研究對象的影響因素包括混凝土表層的強度。以下對研究對象的混凝土表層厚度進行抽芯檢測，相關數據如表2所示：

通過表2可以發現，道路右側混凝土表層的設計厚度和實際厚度均小于公路左側，兩側的設計厚度相差7.14%。采樣結果表明，右側路面的厚度不滿足設計厚度的范圍更廣，說明混凝土表層的厚度也是研究區域內路面裂紋產生的重要因素。

對左右兩側路面的切縫深度進行檢測后發現，切縫深度占面板厚度的比例均為0.25，說明切縫深度不是右側路面產生裂紋的主要影響因素。

根據2.1節所述，對右側道路的混凝土板底進行彎沉檢測，若水泥路面的彎沉值超過0.2 mm，則可判定為板塊脫空。在調查中發現左側路面無板塊脫空現象，右側路面發現一縱向裂縫區域存在板塊脫空現象。因此，混凝土板底存在缺失也是造成右側路面裂紋產生的原因之一。

對路面結構展開調查，調查對象為路面的隔離層。隔離層的主要功能是降低因面層與基層變形導致的面板或基層開裂。調查結果表明，兩側均為蠟質隔離層，說明路面結構不是右側路面產生的主要影響因素。

對于道路交通量展開調查，左右兩側道路的車流量相差不大，但是左側來車與右側來車的載貨量不同。左側車輛一般為空車，而右側車輛為裝滿貨物的車輛。根據對來往車輛進行調研發現，右側車輛為北上送貨車輛，左側車輛為卸貨后的返回車輛，因此兩側道路受到車輛的荷載不同。所以，車輛行駛時對路面結構施加的外部作用也是導致右側路面產生裂紋的重要原因之一。

綜上所述，高速公路右側路面產生裂紋的原因如下：路面混凝土表層的強度較低、面層較薄、混凝土板底缺失、來往車輛對路面的荷載等。前兩個原因是路面混凝土的內因，在沒有外因影響下其本身不會發生破壞，而第3個因素則是產生路面裂紋的外因，在車輛荷載作用下若路面強度無法滿足要求時，路面發生破壞從而產生裂紋。因而，以下將從車輛荷載對路面作用的角度出發，揭示不同影響因素下混凝土路面產生裂紋的機理。

3 影響規律分析

該文選用有限元軟件GEOSTUDIO的SIGMA/W模塊分析車輛荷載下的路面應力及應變，考慮工況：（1）相同荷載條件下不同強度和厚度的應力應變分析；（2）相同強度和厚度條件不同荷載作用下的道路應力應變分析。模型中的混凝土均為各向同性、均質的彈性材料，模型寬度為8 m，具體參數如表3所示。另外，由于軟件功能限制，該文未對板底脫空進行分析。

建立的計算模型如圖1所示：

對模型左右兩側的水平位移，以及模型底部的水平與垂直位移進行固定。假設車輛寬度為1 m，其荷載位于道路路面，則不同工況下的應力應變情況如圖2所示：

從圖2可以看出，道路厚度和坡面荷載對應力云圖變化的影響較大，而不同路面強度變化下的應力變化較小，這說明當道路強度達到設計要求后，在一定單位的荷載作用下路面發生破壞的可能性較小。根據應力整體變化情況可以發現，在路面強度達到設計要求后，路面的影響因素由大到小依次為路面厚度、路面荷載和路面強度等級。

當板底脫空時，可以將道路看作是一個兩端固定的梁的結構，其最大撓度可以表示如下：

δmax=（ql4）/（384EI） （1）

式中，q——荷載大小（kN）；l——板底的脫空長度（m）；E——路面的彈性模量（MPa）；I——慣性矩（m2）。

從式（1）可以看出，發生板底脫空的范圍越大，路面發生的變形就越大，路面就越容易遭到破壞。另外，道路材料也是板底脫空后道路是否發生破壞的關鍵因素，道路的彈性模量越大，強度等級越高，道路越不容易發生破壞。

4 防治措施研究

該文研究提出的公路防治措施是基于公路裂紋的影響因素而確定，主要從提高公路強度、減小荷載對路面的作用和解決板底脫空等三個方面進行，主要防治措施如下：

4.1 選擇合適的裂縫修復材料

裂縫修復材料可分為加固材料和密封材料，具體選擇取決于裂縫的原因和路面結構。當裂縫通過路面時，應使用加固材料；當表面出現裂縫，但路面結構強度仍符合要求時，應選擇密封材料。

4.2 提高道路的傳荷能力

通過采用增強材料修復、斜植傳力桿法、切槽安裝傳力桿法、帶蓋法和設置傳力桿、拉桿的全深度補塊法，提高道路縱向裂紋的傳荷能力。

4.3 植筋加固

對于面板上有一個裂縫，裂縫部分沒有明顯下沉（縱向裂縫），可以選擇使用植筋灌漿封閉法。在進行植筋加固前，應確認面板是否存在間隙。如果面板有間隙，應灌漿間隙，然后進行植筋加固。

4.4 脫空灌漿

當水泥混凝土路面板存在縱向裂縫時，應進行灌漿處理。施工工藝主要包括鉆孔、封閉灌漿和填充孔。

5 結論

基于文獻收集和測量數據分析，該文確定了高速公路路面參數裂縫的影響因素，并分析了因素與路面變化的關系。最后，在分析結果的基礎上提出了預防和控制措施，主要結論如下：

（1）高速公路右側路面出現裂縫的原因包括路面混凝土表面強度低、表面層薄、混凝土板底部缺失，以及車輛對路面的負荷。

（2）當路面強度達到設計要求后，路面的影響因素由大到小依次為路面厚度、路面荷載、路面強度等級。

（3）在板底脫空時，脫空范圍越大，路面的變形越大，則路面越容易受到損壞。此外，道路材料也是板底脫空后道路損壞的關鍵因素。道路彈性模量越大，強度等級就越高，則道路損壞的可能性就越小。

（4）該文從提高高速公路強度、降低荷載、解決板底脫空等三個方面提出了養護措施，主要包括選擇合適的裂縫修復材料、提高道路的傳荷能力、實施植筋加固和脫空灌漿等。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-11

作者簡介：宮志文（1991—），男，本科，助理工程師，研究方向：公路維護與管理。