戈壁地區瀝青路面拱脹原因分析及防治措施

楊子昂

（華杰工程咨詢有限公司，北京100029）

1 工程概況

該項目位于內蒙古額濟納旗，主線采用雙向四車道一級公路標準設計。項目區主要為荒漠戈壁地貌區，地形平坦、地層簡單，地層上部為第四系上更新世沖洪積成因的礫砂，含少量圓礫，下部為新近系河湖相沉積的泥巖、砂巖、砂礫巖。地基承載力標準值約200～400kPa，承載力較高，總體評價沿線路基工程地質條件相對較好。

項目地處北溫帶超干旱荒漠區，屬于溫帶大陸性干旱氣候，氣候具有干熱多風、降水稀少、冬冷夏熱、溫差較大、光照充足的特點。年平均氣溫10.3℃，最低氣溫零下31.7℃，最高氣溫44.6℃，年平均降水量37.4mm，年蒸發量為3505.7mm。

干旱是阿拉善盟地區發生最頻繁、影響最嚴重的氣象災害。受地理位置和氣候類型影響，該地區降水量少，且季節分配極不均，加之蒸發量大，大風多，因此干旱災害經常發生，其中春旱發生頻率最高，危害也最嚴重，其次是夏旱和秋旱。

擬建項目的施工時間段主要受氣候條件影響，冬季寒冷、春季風大，適宜施工的季節為4月中上旬至11月初，適宜瀝青路面施工的季節為6～9月份。

項目區地表水和地下水不發育，勘察期未見地表徑流，鉆孔深度范圍內未見地下水。根據調查和取水樣分析，項目區附近地表水和地下水對混凝土具有弱腐蝕性。根據土的易溶鹽含量試驗報告，項目區土體對混凝土具有微腐蝕性，個別區域土體對混凝土具有弱或中腐蝕性。根據《中國季節性凍土標準凍深線圖》，項目區標準凍深1.2～1.4m，根據當地氣象資料，項目區最大凍深1.6m。

2 舊路檢測

該項目現有走廊帶為二級公路，路基寬為12m，路面寬為9.0m。既有瀝青路面現狀結構層為4cm 中粒式瀝青混凝土+20cm 水泥、設計強度為0.8MPa 石灰綜合穩定砂礫基層+20cm 天然砂礫墊層。

經對全線舊路彎沉檢測，大部分彎沉值在40～60（0.01mm）間，極少數點彎沉值大于100（0.01mm）以上，舊路彎沉檢測平均值約44～57（0.01mm），總體狀態良好，計算得到舊路的回彈模量196.5MPa。

鉆芯取樣結果顯示，現狀道路采用單層瀝青混凝土路面，基層采用水泥穩定砂礫，路面面層、基層厚度不均勻，離散性較大，該路段水泥穩定砂礫松散。取樣發現，面層集料組成級配偏細，粗集料聚集，且原材料含泥量大，反射性裂縫及疲勞裂縫貫通基層。不易取出芯樣或取出的芯樣呈現裂縫發育，建議對基層進行補強設計。路面表層最大拱脹高度約15cm，嚴重影響行車安全及舒適性，拱起處基層與面層脫離，伴隨著面層出現帶狀反射裂縫和路基不均勻沉降產生的縱向裂縫。全線公路PSSI 評定為次，見表1。

為了全面了解路面各結構層厚度及不同病害在結構層的破壞情況，選擇典型病害位置，在路面拱脹處進行人工挖坑，逐層挖開路面面層和基層。挖坑的過程中，測量路面不同結構層的厚度。挖坑面積大小約為1m×0.5m，深度挖至路床頂，并進行結構層厚度測量、壓實度試驗。挖探結果顯示，現狀路面各結構層厚度離散性較大，面層塊狀松散嚴重，基層強度低。路床頂面填料無不良土質，填筑密實，壓實度基本可達到96%以上，路基承載能力優良。

3 不良地質

項目沿線主要的不良地質現象為風積沙、鹽漬土。

風積沙：項目區地處河西走廊內陸地區，氣候干燥，多風沙，春夏秋季多風，見圖1。沙塵暴是春冬季項目區比較常見的現象，沙塵天氣時空氣混濁，能見度很小。受風沙影響，擬建項目局部路段有風積沙現象，路基、橋涵易遭風蝕危害及沙埋危害。風蝕常使路肩變窄，嚴重時造成路面啃邊、掏空。依據調查結果，該項目風積沙主要分布于植被稀少或零星分布少量駱駝刺等戈壁植物地區，舊路路段一側或兩側分布松散堆積狀半流動沙丘，堆積沙約10～30cm 厚，最厚處可達1m，局部分布固定沙丘，厚度約40～80cm，沙丘下部有植被生長，是固定沙丘的起源和根本。

圖1 風積沙照片

鹽漬土：該項目路線通過沖積平原區。河流或洪流流經上游露出鹽漬地層，將鹽分帶至下游沖積平原或洪積扇上，經蒸發和多次累積形成沖洪積鹽漬土層，見圖2。鹽分主要集中在近地表（0～1m）深度內，1m 以下土層含鹽量相對減少。地表分布侵染狀白色鹽霜，經取樣分析主要為硫酸鹽鹽漬土，為弱～中等鹽漬土。

圖2 鹽漬土照片

4 路面拱脹現場調查及原因分析

經調查，現有道路瀝青路面病害主要有：網裂、橫向裂縫、縱向裂縫、沉陷、拱脹等，見圖3。舊路路面拱脹現象尤為嚴重，局部路段拱脹高度為10～20cm，脹縫間距為150～250m。

圖3 舊路路面病害

根據相關研究成果分析，項目路面病害的主要原因有以下幾方面.

4.1 設計方面原因

受經濟條件限制，現有公路建設時期采用較薄的單層式瀝青面層，加上瀝青質量、集料選擇等方面問題，如現狀路瀝青路面黏附性不足，也誘發開裂病害的出現。集中表現為高溫抗車轍、低溫抗開裂能力差，這與全線病害分布是對應的。

水泥穩定砂礫中，水泥用量小、抗裂性差，導致該項目半剛性基層橫向裂縫普遍發育，影響了路面的耐久性，從現場路面裂縫的外觀形狀和發展狀況看，疲勞開裂及半剛性基層溫縮裂縫較為明顯。

4.2 施工控制方面原因

路基填料各異，壓實機具、工藝控制不夠嚴格。路面骨料生產工藝不合理、針片狀含量高、級配控制偏差大。該地水質、石料、砂礫料等易溶鹽含量較大，混合后具有膨脹性[1]，當膨脹變形量足夠大時，路面表層拱起形成脹縫，降低了路面的使用性能。

4.3 大氣環境及溫度方面的原因

結合取芯結果分析，路面受溫差影響較大，路表的溫度變化率在降溫過程中處于最大值，導致溫度裂縫總是由公路表面向下延伸[2]。此外，由于長時間的使用，導致公路表面的瀝青層出現老化現象，降低了瀝青路面層的抗裂縫能力。由于冬季寒冷，夏季炎熱，長期的極端氣溫和急劇頻繁的溫差變化，降低了瀝青混凝土性狀，誘發路面開裂、車轍等病害[3]。路面基層拱脹現象較為嚴重，拱脹破損間距150～250m，平均間距約200m，拱脹病害主要與溫度梯度導致的半剛性基層溫縮、干縮裂縫應力得不到及時有效釋放有關[4]。水穩碎石混合料在不同溫度下的膨脹性不同，膨脹性隨溫度的增高呈拋物線分布。根據相關文獻[5]分析，水穩材料的膨脹性在40～50℃時達到最大值，這與額濟納旗夏天的地表溫度相符。溫度較低時，混合料膨脹性較小，基層產生的變形較小，隨著溫度不斷提升，混合料膨脹性增大，基層產生的膨脹變形相應增大。因此，額濟納旗戈壁地區水穩基層會在冬季低溫開裂，夏季升溫隆起[6]。

4.4 車輛荷載等行車條件

根據交通量OD 調查分析，標準斷面大型客車和貨車交通量為1441 輛/日，交通量年增長率為6.0%，方向系數為55.0%，車道系數為65.0%。設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量為4,376,639 輛。

該項目沿線拖掛車運載量大，根據溫度-荷載-時間轉換關系，超載加速了瀝青路面拱脹等病害，嚴重縮短了瀝青路面使用壽命，具體數據見表2。

表2 貨車、拖掛所占比例

5 工程防治措施

項目路面結構采用4cmAC-16 上面層+6cmAC-20 下面層+8cmATB-25 基層+20cm 水穩碎石下基層+20cm 水穩碎石底基層。為防止水泥穩定碎石基層受熱拱脹，該項目對不同路段分別采取消脹槽、預切脹縫、橡膠消能條等處置方式，選取先期開工點作為試驗段，驗證三種設計方案的合理性[7]。

5.1 消脹槽

消脹槽寬100cm、深20cm，切槽并挖除槽內水泥穩定碎石基層后，采用ATB-25 瀝青碎石填塞。距橋頭100m 處設置脹縫，一般路段設置間距為200m。豎曲線變坡點適當加密設置，見圖4。

圖4 基層消脹槽設計圖

5.2 預切脹縫

在基層設置預切脹縫。脹縫寬2～3cm、槽深40cm，切縫并清除縫內水泥穩定碎石后，采用瀝青填塞。距橋頭50m 處設置脹縫，一般路段設置間距為100m。豎曲線變坡點適當加密設置，見圖5。

圖5 水穩層脹縫設計圖

5.3 橡膠消能槽

消能槽寬8cm、深48cm，切槽并清除槽內水泥穩定碎石后，填充橡膠消能條。ATB-25 上基層完成后，進行消能槽施工。距橋頭100m 處設置脹縫，一般路段設置間距為200m。豎曲線變坡點可適當加密設置，見圖6。

圖6 橡膠消能槽設計圖

6 結語

瀝青路面拱脹是戈壁荒漠地區公路常見的病害形式。在高溫作用下，水穩基層受熱膨脹變形，具有較強的溫度應力，當溫度應力大于材料的抗拉強度時，基層會產生拱脹裂縫，隨著基層不斷拱脹變形，會將瀝青面層頂起，導致路面拱脹破壞。路面拱脹是自然形成的“減速帶”，嚴重影響路面的使用壽命及行車安全性，因路面拱脹病害防治難度較大，在公路設計時必須要引起重視。戈壁荒漠區，路面設計時應重視拱脹防治，制定施工可行、效果良好的工程方案，促進西部地區公路建設的優質發展。