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戈壁地区沥青路面拱胀原因分析及防治措施

发表时间：2021/5/27 来源：《基层建设》2021年第2期作者：杨子昂

[导读] 摘要：内蒙古额济纳旗地处荒漠戈壁地貌区，地形平坦。

        华杰工程咨询有限公司北京 100029
        摘要：内蒙古额济纳旗地处荒漠戈壁地貌区，地形平坦。地层主要为第四系上更新世冲洪积成因的砾砂，承载力较高，是路基良好的持力层。然而根据近年调查发现，其境内多条国省干线，路面出现不同程度的拱胀病害，严重影响行车舒适度及安全性。文章以额济纳旗某公路设计项目为依托，调查了戈壁地区旧路路面拱胀变形的特征，分析了路面病害产生的原因，并根据工程经验，提出了在半刚性基层中设置预切胀缝、消能条、消胀槽等工程防治措施。
        关键词：戈壁地区、沥青路面、拱胀、消胀槽
        1 工程概况
        项目位于内蒙古额济纳旗，主线采用双向四车道一级公路标准设计。项目区主要为荒漠戈壁地貌区，地形平坦、地层简单，地层上部为第四系上更新世冲洪积成因的砾砂，含少量圆砾，下部为新近系河湖相沉积的泥岩、砂岩、砂砾岩。地基承载力标准值200～400kPa，承载力较高，总体评价沿线路基工程地质条件相对较好。
        项目地处北温带超干旱荒漠区，属于温带大陆性干旱气候，气候具有干热多风、降水稀少、冬冷夏热、温差较大、光照充足的特点。年平均气温为9.4℃，极端最高气温为43.7℃，极端最低气温为-32.6℃，年平均降水量为37.4mm，年蒸发量为3505.7mm。
        2 路面拱胀现场调查及原因分析
        本项目现有走廊带为二级公路，路基宽12米，路面宽9.0米。既有沥青路面现状结构层为4cm中粒式沥青混凝土+20cm水泥、石灰综合稳定砂砾基层（设计强度0.8MPa）+20cm天然砂砾垫层。
        经调查，现有道路沥青路面病害主要有：网裂，横向裂缝，纵向裂缝，沉陷，拱胀等。旧路路面拱胀现象尤为严重，局部路段拱胀高度为10～20cm，胀缝间距为150～250m。
        根据相关研究成果分析，项目路面病害的主要原因有以下几方面：
        （1）设计方面原因
        受经济条件限制，现有公路建设时期采用了较薄的单层式沥青面层，加上沥青质量、集料选择等方面的问题，如现状路沥青路面粘附性不足，也诱发了开裂病害的出现。集中表现为高温抗车辙、低温抗开裂能力差，这与全线病害分布是对应的。
        水泥稳定砂砾中，水泥用量小，抗裂性差，导致本项目半刚性基层横向裂缝普遍发育，影响了路面的耐久性，从现场路面裂缝的外观形状和发展状况看，疲劳开裂及半刚性基层温缩裂缝较为明显。
        （2）施工控制方面原因
        路基填料各异，压实机具、工艺控制不够严格。路面骨料生产工艺不合理、针片状含量高、级配控制偏差大。本地水质、石料、砂砾料等易溶盐含量较大，混合后具有膨胀性[1]，当膨胀变形量足够大时，路面表层拱起形成胀缝，降低了路面的使用性能。
        （3）大气环境及温度方面的原因
        结合取芯结果分析，路面受温差影响较大，路表的温度变化率在降温过程中处于最大值，导致温度裂缝总是由公路表面向下延伸[2]。此外，由于长时间的使用，导致公路表面的沥青层出现老化的现象，降低了沥青路面层的抗裂缝能力。本项目冬季寒冷，夏季炎热。长期的极端气温及急剧频繁的温差变化，会降低沥青混凝土性状，诱发路面开裂、车辙等病害[3]。路面基层拱胀现象较为严重，拱胀破损间距150～250m，平均间距约200m，拱胀病害主要由温度梯度导致的半刚性基层温缩、干缩裂缝应力得不到及时有效释放有关[4]。水稳碎石混合料在不同温度下的膨胀性不同，膨胀性随温度的增高呈抛物线分布。根据相关文献[5]，水稳材料的膨胀性在40～50℃时达到最大值，这与额济纳旗夏天的地表温度相符。温度较低时，混合料膨胀性较小，基层产生的变形较小，随着温度不断提升，混合料膨胀性增大，基层产生的膨胀变形相应提高。因此额济纳旗戈壁地区，水稳基层会在冬季低温开裂，夏季升温隆起。
        （4）车辆荷载等行车条件
        本项目沿线拖挂车运载量大，根据温度-荷载-时间转换关系，超载加速了沥青路面拱胀等病害，严重降低了沥青路面使用寿命。
        3 工程防治措施
        项目路面结构采用4厘米AC-16中粒式改性沥青混凝土上面层+6厘米AC-20中粒式改性沥青混凝土下面层+8厘米ATB-25密级配沥青碎石上基层+20厘米水泥稳定级配碎石下基层+20厘米水泥稳定级配碎石底基层。为防止水泥稳定碎石基层受热拱胀，本项目对不同路段分别采取消胀槽、预切胀缝、橡胶消能条等处治方式，选取先期开工点作为试验段，验证三种设计方案的合理性。
        （1）消胀槽
        消胀槽宽100cm、深20cm，切槽并挖除槽内水泥稳定碎石基层后，采用ATB-25沥青碎石填塞。距桥头100m处设置胀缝，一般路段设置间距为200m。竖曲线变坡点适当加密设置。

        图1 基层消胀槽设计图
        （2）预切胀缝
        在基层设置预切胀缝。胀缝宽2～3cm、槽深40cm，切缝并清除缝内水泥稳定碎石后，采用沥青填塞。距桥头50m处设置胀缝，一般路段设置间距为100m。竖曲线变坡点适当加密设置。

        图2 水稳层胀缝设计图
        （3）橡胶消能槽
        消能槽宽8cm、深48cm，切槽并清除槽内水泥稳定碎石后，填充橡胶消能条。ATB-25上基层完成后，进行消能槽施工。距桥头100m处设置胀缝，一般路段设置间距为200m。竖曲线变坡点可适当加密设置。

        图3 橡胶消能槽设计图
        4 结语
        沥青路面拱胀是戈壁荒漠地区公路常见的病害形式。在高温作用下，水稳基层受热膨胀变形，具有较强的温度应力[6]，当温度应力大于材料的抗拉强度时，基层会产生拱胀裂缝，随着基层不断拱胀变形，会将沥青面层顶起，导致路面拱胀破坏。路面拱胀是自然形成的“减速带”[7]，严重影响路面的使用寿命及行车安全性，固路面拱胀病害防治难度虽然较大，在公路设计时也必须要引起重视。戈壁荒漠区，路面设计时应重视拱胀防治，制定施工可行、效果良好的工程方案，促进西部地区公路建设的优质发展。
        参考文献：
        [1]廖雄文，刘风云.关于沥青砼路面水稳基层设置伸缩缝的研究[J].重庆交通学报，2005，6（3）：46-48.
        [2]赵昕，沙爱民，洪斌.半刚性基层拱胀现象的力学分析[J].公路交通科技，2008，42-46.
        [3]洪亮.干旱荒漠地区水泥稳定碎石基层抗裂性能研究[D].新疆：新疆农业大学，2013.
        [4]张兴宇.水平荷载作用下半刚性基层沥青混凝土路面开裂的扩展[J].公路工程，2016，41（5）：244-248.
        [5]黄河清.西部地区某高速公路水泥稳定碎石基层拱胀原因分析.工程与建设，2017，18（1）：78-80.
        [6]王军伟.水泥稳定碎石基层沥青路面拱起开裂研究[D].西安：长安大学，2017.
        [7]胡曾兰，李敢荣，邹桂莲.水泥稳定碎石基层优化设计及抗裂性能评价.科学技术与工程，2010，10（21）：26-29.