大同市重載交通水泥路面病害調(diào)查與分析

李 保

(大同北高速公路管理有限公司，山西 大同 037000)

從1865年英國在蘇格蘭因佛內(nèi)斯修建的第一條水泥路面開始，現(xiàn)代水泥路面在很多國家開始發(fā)展起來。在歐美國家高速公路網(wǎng)中，水泥混凝土路面總量占一半左右，從使用效果來看，絕大多數(shù)水泥混凝土路面使用現(xiàn)狀達到了設計要求，部分水泥混凝土路面使用壽命達到50 a以上，特別是德國、比利時等國的水泥混凝土路面表現(xiàn)出非常優(yōu)異的長期使用性能。我國高等級公路水泥路面主要集中在山西省、內(nèi)蒙自治區(qū)、河北省、廣西省、廣東省等地，總里程數(shù)不足5000 km，近年來，很多路也已被加鋪。筆者所在大同地區(qū)目前仍有超過200 km高速公路水泥混凝土路面在運營，本文結(jié)合相關檢測數(shù)據(jù)和路面病害調(diào)查結(jié)果分析大同市周邊高速公路水泥路面的服役性能，以期為我國水泥路面的建設提供參考。

1 調(diào)研方法

1.1 調(diào)研路段

2019年度對大同北公司所轄公路部分路段進行了全面檢測，檢測路段長度共計485.054 km，按照《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)相關規(guī)定進行了路面技術狀況評定。

1.2 檢測設備

路面損壞、路面平整度和路面車轍檢測采用目前國內(nèi)先進的“多功能路況快速檢測系統(tǒng)(CiCS)”。CiCS系統(tǒng)由公路養(yǎng)護技術國家工程研究中心研制開發(fā)，是我國第一套具有完全自主知識產(chǎn)權和世界先進技術水平的多功能路況快速檢測設備，它能夠在正常車流速度下，一次性完成路面損壞、路面平整度、路面車轍和前方圖像等多項技術指標的檢測工作。

1.3 人工測量

對部分典型病害路段進行了人工步行測量。記錄了病害位置、病害類型、病害程度等信息。

2 水泥路面技術狀況評價

以得大高速水泥混凝土路面檢測數(shù)據(jù)為例，分析其技術狀況。

2.1 得大高速水泥混凝土路面結(jié)構

得勝口-大同高速公路是二連浩特—河口國道主干線山西境內(nèi)的一段，得大高速公路起點為省界得勝口，終點與京大高速公路馬連莊互通銜接，全長47.3 km的高速公路橫穿2.2 km的亮馬臺隧道，縱跨趙家窯水庫，平托兩道長城，是一條全封閉的四車道水泥混凝土路面高速公路，設計時速為100～120 km/h。設計標準軸載BZZ-100，設計基準期為30 a，主線路面結(jié)構為接縫設置傳力桿的28 cm水泥混凝土面層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+38 cm二灰穩(wěn)定砂礫。采用先進的水泥混凝土路面滑模施工技術施工，2005年10月建成通車。

2.2 15 a年齡期技術狀況分析

下行方向超車道、行車道、邊車道的路面狀況指數(shù)PCI隨路線樁號分布規(guī)律如圖1所示，斷板率DBL隨路線樁號分布規(guī)律如圖2所示；上行方向超車道、行車道、邊車道的PCI隨路線樁號分布規(guī)律如圖3所示，DBL隨路線樁號分布規(guī)律如圖4所示。

圖1 下行方向三個車道的PCI隨路線樁號分布

圖2 下行方向三個車道的斷板率隨路線樁號分布

圖3 上行方向三個車道的PCI隨路線樁號分布

圖4 上行方向三個車道的斷板率隨路線樁號分布

從圖1～圖4可以看出上下行方向水泥路面技術狀況(PCI和DBL)存在明顯差別，上行方向即輕交通方向技術狀況(PCI和DBL)均優(yōu)于下行重載交通方向。超車道和變車道技術狀況(PCI和DBL)均優(yōu)于行車道。檢測路段的PCI和DBL數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果匯總于表2，從表中可以看到，DBL在不同路段差異性較大，存在部分路段斷板嚴重現(xiàn)象。

表2 得大高速公路水泥混凝土路面技術路況參數(shù)匯總

3 水泥路面主要病害類型及成因分析

3.1 病害類型

從對得大高速公路水泥混凝土路面路段調(diào)查結(jié)果可以看出，主要病害發(fā)生在重載交通車道和全線橋面鋪裝層，重載交通車道的病害類型和所占比例如圖5所示。主要病害為裂縫類和破損類，接縫錯臺次之，角隅斷裂等病害較少。

圖5 得大高速公路上行線主要病害類型比例

3.2 病害原因分析

3.2.1 環(huán)境因素

圖6為大同三種天氣條件下標準厚水泥混凝土路面的溫度梯度的日變化曲線，圖7為大同地區(qū)晴天的情況下，不同厚度的水泥混凝土路面溫度梯度日變化曲線。由圖中可以看出：晴天狀況下水泥路面內(nèi)溫度梯度幅值較陰天和雨天大很多，隨著路面厚度的增加，溫度梯度的變化幅度減小，并且極值出現(xiàn)的時刻均出現(xiàn)了一定的延后。相對于國內(nèi)其他地方，大同地區(qū)水泥路面溫度梯度幅值更高，峰值可以達到80℃/m，在路面內(nèi)產(chǎn)生的溫度應力也遠高于其他地方。

圖6 大同不同天氣情況下水泥混凝土路面溫度梯度日變化曲線

圖7 大同晴天情況下水泥混凝土路面不同深度溫度梯度日變化曲線

此外，對于水泥混凝土路面而言，氣溫的交替變化，尤其是正負溫的交替作用是影響水泥混凝土耐久性的重要指標。如圖8所示，大同處于有凍且干燥地區(qū)，路基凍脹效應對路面的影響較小，但路表高頻次凍融循環(huán)對混凝土耐久性產(chǎn)生顯著影響。

圖8 大同在我國水泥混凝土路面氣候分區(qū)中的位置

3.2.2 荷載因素

得大高速公路存在大量運煤車輛，調(diào)查發(fā)現(xiàn)重載車輛軸型種類集中，前軸幾乎都是單輪組單軸型式，且由于超載時荷載重心偏后，前軸重受超載影響較小，一般在20～80 kN，前軸輪胎的充氣壓力隨輪胎的結(jié)構形式不同(斜交胎或子午胎)而略有變化，一般為0.5～0.8 MPa，通常可假定與地面的接觸壓力就等于內(nèi)部充氣壓力。車身后部的承重軸有單軸、雙聯(lián)軸或三聯(lián)軸三種類型，軸(組) 荷載隨超載程度的增加而增加，三種軸型最重荷載分別為170 kN，290 kN和430 kN。承重軸的輪胎構型基本都采用雙輪組型式，為滿足承載要求，后軸的輪胎內(nèi)壓比較高，正常情況下在0.60～0.85 MPa之間，超載比較嚴重時也可達到1.0 MPa。從路面狀況和病害情況可以看到，相同路面結(jié)構與氣候環(huán)境下，重載交通與輕載交通差異非常明顯，行車道短板率高于超車道。

4 結(jié) 語

得大高速水泥混凝土路面2005年建成通車，至今已15 a，從路面整體技術狀況來看，表現(xiàn)出了較為優(yōu)異的使用性能，由于重載交通影響，重載車道部分潮濕路基路段和橋面鋪裝混凝土出現(xiàn)了較為嚴重的斷板開裂問題，其原因在于路基凍漲融沉導致了支撐的不均勻性，重載與大溫差耦合作用增大了板內(nèi)應力水平，今后在重載水泥混凝土路面新建和養(yǎng)護設計中應予以重視。在大溫差地區(qū)應考慮車輛荷載和溫度變化綜合作用下水泥混凝土路面的極限斷裂和疲勞斷裂問題，在地下水位較高路段應考慮凍脹融沉作用可能導致的路基模量不均勻問題，在設計方法中補充和完善。