淺談廣州市北二環高速公路破損情況及原因分析

中交第二公路勘察設計研究院有限公司 / 張晨 程磊 張航 余航

引言

本文通過結合北二環高速公路改擴建工程實例，針對公路路面的破損情況進行合理地分析，并將路面承載力與其他指標的相關性進行交叉評價，能夠幫助相關人員進一步了解高速公路典型病害的發生機理，后期采取良好的修復措施，延長公路的運行壽命。

1 案例概況

本項目起于廣深高速相交的火村互通，東部和二環高速公路連接，公路北部經過崗、長平后轉向西經太和、人和等鄉鎮，最終和廣清高速相交的龍山實現互通。為了更好地了解該公路改擴建項目路面的基本情況，我司相關人員對既有道路進行了實地勘察。

2 路面破損和性能評價分析

2.1 路面結構現狀

經查閱建設期竣工圖紙及歷年養護、大修圖紙，整理后北二環的路面結構如下表所示。

針對不同類型的路面病害進行統計分析后得知，路面破損指數PCI為92.31，路面病害主要表現為橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀修補，局部存在龜裂與坑槽病害，具體見表二。

表一 北二環高速公路路面結構

表二 北二環高速病害統計分析

經過計算，病害密集段落的橫縫間距率高達5～15m（每百米6～20條不等），且與縱縫交錯并伴隨支縫。

2.2 路面彎沉檢測

在2021年1月份，檢測人員對北二環高速公路硬路肩與行車道進行彎沉檢測，進而更好地掌握路面承載力，為了更好地展示項目地的路面承載力，在彎沉測試過程當前，對傳感器進行了合理的布設，傳感器的布設位置分別是0、20cm、30cm、45cm、60cm、90cm、120cm、150cm、180cm，這樣能夠得到有效的彎沉盆，并反算各結構層模量。

結合各個測點單點彎沉值，通過準確計算可以得出各個路段的路表彎沉代表值，并以1km作為一個評價單元，進行準確的統計，因荷載中心彎沉值和遠端彎沉值與路面結構的強度、土基回彈模量具有比較強的線性關系，故分析其數據樣本中的變異系數及標準差能夠較為準確地反映路面的受力情況。

FWD測試原理圖

經實測路面整體的彎沉代表值為12.5（0.01mm），設計彎沉為20.4（0.01mm）；彎沉盆反演模量后表明瀝青面層模量在6127MPa，基層模量在5787MPa，底基層模量在3372MPa，土基模量在192MPa。但各單元的彎沉代表值及反算模量的標準差在3～15之間變化，經對比，標準差較大段落與裂縫密集段落有顯著的正比關系，說明雖然彎沉代表值未超過設計值，各結構層模量也在合理范圍內，但不意味著路面結構層受力良好。

2.3 路面鉆芯取樣

結合路面的實際破損情況及彎沉標準差較大段落，進行鉆芯取樣，檢測頻率為全幅1個/km，確保覆蓋硬路肩與行車道。在此次鉆芯取樣過程當中，總共取芯40個，病害處20個，完好處20個。根據鉆芯取樣結果可以得知，路面出現的橫向裂縫，主要表現為面層、基層開裂，且縫痕下寬上窄，為典型的反射型裂縫；縱向裂縫主要表現為上、中面層開裂，基層完好，且縫痕上寬下窄，多為輪跡帶，為疲勞型裂縫；但在局部完好部位，也發生了基層開裂現象。觀察取芯孔壁的情況能夠得知，病害處芯樣的結構層間粘結較差，且有粒料剝落、啃邊現象，可能由于公路運營年限較長，其自身的膠結能力不斷下降，使得基層的強度逐漸衰減。

2.4 無側限抗壓強度

考慮到北二環高速公路位于廣東地區，屬于亞熱帶氣候，常年處于梅雨季節，故進行強度測試的時候將試件泡水24h模擬最不利的水環境條件，然后開展無側限抗壓強度試驗。經實測，易發生橫向裂縫病害處芯樣的無側限抗壓強度為12.5～16.2MPa，較少病害處或無病害處的測試結果在5～8MPa之間。

2.5 原因淺談

根據檢測結果北二環的路表彎沉遠未超過設計值，但路面病害依然很多，局部橫縫達到了20條/百米，且彎沉代表值、反演回彈模量標準差較大段落與橫縫密集段具有很好的吻合度，現場鉆芯取樣的情況及橫縫密集段與完好處的無側限抗壓強度表明路面反射型橫縫的產生與材料有很大的關系。

橫向裂縫：在高速公路建設時期，由于基層水泥的使用量比較高，使得基層的施工強度與承載能力均比較高，但是高強度、高承載力不一定意味著最好的路用性能，這是由于較高強度的半剛性基層會導致較大的干縮、溫度裂縫的產生，從而導致面層產生反射裂縫，同時雨水會從裂縫中下滲，并聚集在面層和基層中間，降低了瀝青層與半剛性基層層間的鏈接狀態，從而加速了路面結構的破壞。加之重載交通的情況下，基層作為主要受力層失去了抵抗拉應力的能力，在開裂位置將應力傳遞給面層，形成面層在開裂縫處的應力集中。特別是在冬季，溫度梯度高，瀝青面層的模量較大，它僅能承受較小的溫度應力，裂縫處的應力集中現象使交通荷載產生在瀝青面層下部的拉應力比沒有裂縫的部位要大，容易超過瀝青混凝土的極限拉伸應變，致使瀝青面層也跟著開裂。此外，因為瀝青層厚度薄，攤鋪溫度高，下承層溫度低，巨大溫度差異，導致攤鋪的混合料在接觸面上熱量快速的散失，攤鋪層下部溫度快速降低，瀝青稠度迅速升高，使攤鋪層底部壓實效果較差更容易導致基層裂縫向面層的蔓延。

縱向裂縫：由于上面層疲勞開裂后，在動水壓力作用下，水分聚集在上面層內部，在交通荷載的作用下，這些聚集在面層內部的有壓水反復侵蝕瀝青和集料，導致瀝青膜的剝落，瀝青膜在真空吸力等因素作用下，移動到路面頂部，加劇了水進一步侵蝕到基層的可能性，導致基層開裂、松散。其中還有一個問題不能忽視，那就是層間分離，造成瀝青面層層面粘結不好的原因有好幾方面。我們認為主要有兩點：第一點就是前面提到的裂縫開裂后水的進入會形成層與層之間的軟弱夾層，荷載作用下加劇了層間的分離；第二點就是瀝青混合料攤鋪過程中，由于每個瀝青層的厚度較薄，攤鋪溫度很高，而下承層溫度很低，巨大的溫度差異，使攤鋪的混合料在接觸面上熱量迅速散失，攤鋪層下部溫度迅速降低，瀝青稠度又迅速升高，使攤鋪層底部難以壓實。

3 結語

綜上所述，本文主要對高速公路的路面破損情況及原因進行淺要分析，結合最終的檢測結果可以得知，反射型橫向裂縫處的基層無側限抗壓強度較大，是因為水泥用量過高，使得路面出現嚴重的干縮、溫縮裂縫。同時，在路面病害密集段落，其彎沉值代表值、反算模量的標準差要高于正常路面，故對路面承載力的評價不能單一的靠全線彎沉值判定，需要對不同病害進行段落劃分，并結合多種指標進行綜合分析。