京沪高速临沂段路面病害原因浅析

京沪高速临沂段路面病害原因浅析

摘要：根据对京沪高速临沂段路面病害现场调研结果，结合大修过程中发现的问题，重点从裂缝和水损害两方面分析了路面病害产生的原因，认为路面结构、层间连接和超载是引起路面裂缝的主要原因；裂缝、绿化带和挖方路段裂隙水是水源进入路面结构的主要途径。

关键词：裂缝、路面结构、层间连接、水损害

A Preliminary Analysis of the Road Damages in Beijing to Shanghai (the Linyi Section) Highway and the Maintenance Program

Abstract: This thesis has a exhaustive study the reasons of road damages in the two sids which were cracks and water damages,when some problems were found througe the repairing,according to investigation results of the road damages in Beijing to Shanghai (the Linyi Section) Highway. It is consided that the pavement structure ,the interlayer connection and the overload were the main reasons which caused the cracks;the ways that the water entered the pavement are througe the cracks,the greenbelt or the fracture of the excavation sections.

Keywords: cracks,pavement structure, interlayer connection, water damage

1 引言

京沪高速公路临沂段全长84公里， 1998年开工，2000年竣工。路面结构为4cmSMA-13上面层+5cmAC-20中面层+6cmAC-25下面层+18cm水泥稳定碎石+16cm水泥稳定砂掺碎石+16cm水泥稳定砂掺碎石。2008年5月-9月进行了路面大修，下面通过对京沪高速临沂段病害现场调研，以及大修过程中的一些现象的分析，对路面病害的成因进行了分析，并对其维修方案进行了叙述。

2 路面病害类型

京沪高速临沂段主要病害有横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝、龟裂、沉陷、车辙、坑槽、波浪拥包、和修补。图1为京沪高速大修某合同段路面损害的主要类型，由图可以看出京沪高速临沂段路面病害主要为裂缝和沉陷，为此路面病害原因分析主要从裂缝产生原因和水损坏两份方面分析。

图1 京沪高速大修某合同段路面损害主要类型

3 病害原因浅析

3.1裂缝产生原因

3.1.1路面结构的影响

我国的路面结构大都采用半刚性基层，特别是20世纪90年代后，半刚性基层沥青路面几乎成为我国新建高等级公路唯一可选的结构。但是大量半刚性路面使用实践表明，无论北方还是南方，我国半刚性路面横向开裂已经成为道路病害之一。大量的裂缝严重影响了路面的使用功能。

通过对某等级路结构进行了基层开裂的力学响应分析可以得出结论，半刚性基层一旦出现裂缝，路表的代表弯沉就开始增加，但是增加的幅度不大。而当基层出现裂缝，横缝间距为10m时，基层层底的拉应力提高了4倍。横缝间距在4～6m之间，面层层底剪应力增加了7倍。因此，半刚性基层一旦横裂以后，在行车荷载的作用下，沥青面层层底将产生很大的剪应力，所以沥青面层的反射裂缝主要是由半刚性基层开裂引发的剪胀型破坏。半刚性沥青路面的结构疲劳破坏发生在板体开裂后，随裂缝密度增大，尽管弯沉变化不大，面层的结构应力发生根本性的变化，由基层层底的拉应力控制转化为沥青面层底部的剪应力控制，面层疲劳破坏的也就越快。尤其重要的是，反射开裂后不断加速的水损坏是高强度半刚性基层最致命的问题之一。

3.1.2层间连接

京沪高速临沂段面层和基层之间的层间连接很差，大部分路段用挖掘机挖除时，面层能构被大面积的掀起。另外不仅面层和基层之间存在层间连接不好的问题，在两层水稳之间，层间连接也存在不连续的现象。

我国公路的设计和计算都是建立在层间完全连续的基础上的。在高速公路在刚建成时，由于粘层的存在，各层之间保持连续状态，但通车一两年后，在重载作用下，尤其是半刚性基层的存在，层间在揉搓作用下逐渐的由连续状态变为半滑动半连续状态。下面通过有限元计算分析层间完全连续和不连续两种状态下，路面结构内部应力的变化情况

图2不同界面连接条件时路面结构应力分布

（轮压0.7MPa）

图3不同界面连接条件时路面结构应力分布

（轮压1.4MPa）

界面条件影响结构层应力的分布和应力位置的变化。无论路基处理与否、轮压大小，界面连续条件下，面层底部都是压应力；只有基层内部出现零应力轴。层间滑动条件下，面层、基层、底基层内皆出现零应力轴；零应力轴不随界面条件和轮压大小而变。界面条件影响结构层应力的分布和最大应力位置的变化。如果界面连续状况良好，路面结构层由于层间约束而整体协同工作。层间滑动时，行车荷载作用下，不仅每层都是独立的薄板进行应力的传递，极易在刚度大的层内产生拉应力集中，轮载越大，应力集中现象越严重，同时还存在层间的揉搓，更易产生水损坏而加速界面恶化。

3.1.3超载的影响

尽管缺乏等级公路超限超载问题的系统资料，毫无疑问，超限超载车辆仍然是等级公路的“第一杀手”。临沂是山东的商品集散地，京沪高速又是连接北京和上海的重要交通要道，重载车辆极多。我国的轴载标准是100KN，在调研过程总发现实际上达到200KN,300KN的也不在少数。

一般来讲，超载车对于路面的损坏首先体现在轴载换算次数上，按照国际上公认的轴载换算方程（AASHO试验路研究成果，N=），对于柔性基层，换算指数n=4，对于半刚性基层，随着上下层模量比的不同，标准轴载换算指数n变化在4-15之间。一辆后轴重分别为300KN的超载车换算成100KN的标准轴重，当半刚性基层水泥剂量大、强度较高时，其轴载可达数千甚至几十万辆；而对于柔性基层，只相当于81辆标准车。

超载对拉应力的影响主要表现在基层，随着载荷的增加，拉应力逐渐增加，当超载达到300％时，基层层底拉应力由标准轴载时的0.1659增加到0.4555，增幅达2.75倍。拉应变和拉应力一样主要影响在基层，但是拉应变的增长规律不同于拉应变，当荷载超过200KN时，基层层底的拉应变反而下降。

超载车辆的影响，加上层间不能完全连续，各层底部都形成拉拉应力区。水泥稳定类基层抵抗完拉应力的能力较差，便形成了疲劳裂缝。

3.2路面水损害

水损坏是本合同段的主要损坏水损坏的发生主要取决于三个因素：一是水源，二是水分进入路面结构的通道，三是路面结构抗水损坏的能力。按照水损坏首先发生的位置和顺序，水损坏分两种基本类型，一种是自上而下的水损坏，另一种是自下而上的水损坏。

3.2.1自上而下的水损坏

国际上又称为经典的水损坏，它往往发生在初期，并局限于表面层的松散和坑槽，如果及时修补，路面功能很快会恢复。在降雨的过程中，雨水首先渗入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中。在大量行车荷载的压应力和高速行驶时的真

空泵吸附用下，反复产生的动水压力逐渐使沥青从集料表面剥落，局部沥青混凝土变得松散，碎石被车轮甩出，形成坑槽。

3.2.2自下而上的水损坏

水是水损坏的主要原因，水进入路面面层几乎是不可避免的。水从各种途径进入结构层后，不能从下基层排走，只能结构层的界面间扩散，集聚。在行车荷载的作用下反复冲刷界面，形成灰浆，最终在路面结构薄弱处喷出路面，形成唧浆。路面水进入路面的途径有：

（1）通过面层的空隙进入结构层，由于沥青混合料孔隙率较大，夏季的雨水或冬季的雪水会通过沥青混合料的空隙进入路面接构层。

（2）面层裂缝给水的进入提供了通畅的渠道，形成的水损坏也更为严重。与前一种水损坏相比，这种水损坏产生的后果更严重，而且一旦发生，难以修复。

当路面存在薄弱环节，例如由于离析造成上下有联通的空隙，或者表面有裂缝，表面的水就会从这些路面薄弱的环节进入路面内部。由于半刚性基层过分致密，不能迅速将水排出时，水滞留在沥青层和基层的界面上。在汽车荷载的作用下，滞留在结构层间的水形成动水，反复冲刷，形成灰浆。灰浆从上下联通的空隙中被荷载挤出，形成唧浆。被挤出的灰浆可能喷射到数米以外，尤其是有重载车高速通过时，这种集中的冲击力很大。在发生唧浆的路段，两侧的护栏被喷出的泥浆污染。

若基层也出现了裂缝，路表渗入的水会继续渗入基层中。如果基层层间连接不好，水会在上下基层的界面间流动、冲刷，形成唧浆。

图4 k102+496基层铣刨前，上下基层间的水在铣刨机荷载的作用下，还在不断的冒出白浆。

图5 k102+496上基层铣刨后，层间水的流动情况。

（3）中央绿化带的绿化浇水，以及从中央分隔带渗入路面的水。通过对整段路的调查发现， k93+554沿桩号增大的方向，行车道面层被铣刨后重新修过。行车道唧浆现象并不严重，超车道上唧浆现象反而比较严重。而且多数出现唧浆现象的位置并未发现裂缝等病害，只在唧浆位置出现一个空洞。在面层开挖后，距离中央分隔带2.5m左右的范围内出现大面积的块状裂缝，且有唧浆现象。上基层铣刨后发现下基层有不同程度的横向裂缝和块状裂缝，且下基层表面含水量

较大。

图6 k103+092面层开挖后，中央分隔带2.5m范围内形成的块状裂缝。

图7 k104+097-103超车道上基层铣刨后可以发现上基层底部已经完全松散，基本无强度可言。上下基层间有被水冲刷过的痕迹。

中央分隔带绿化浇水，大气降水等使得大量水分通过绿化带进入路基，而且外侧超高路段也将排水沟设置在中央绿化带。研究表明影响路基回弹模量的主次因素为含水量、压实度、温度。含水量对路基土的回弹模量影响最大。随含水量、压实度的降低，路基土的承载能力降低，回弹模量总体趋于降低趋势。以中湿状态作为路基设计的临界状态，路基长期出去潮湿状态，路基承载能力降低，重载作用下基层出现上述病害。

（4）挖方路段的裂隙水。

通过调研发现挖方路段水损坏破坏普遍比填方路段严重，其中很重要的一个原因是挖方破坏了山体的水力平衡，使路基下方出现水压力，而向上拥水。

（5）雨天施工过程中造成的水层间污染。

雨天施工使面层和半刚性基层间存有大量的雨水，且雨天喷洒的粘层有起不到连接面层和半刚性基层的作用。

3.3路面车辙

产生车辙的原因主要有：夏季持续高温、车辆超载和多连续大纵坡上坡路。但上述原因并不能完全解释车辙形成的原因，因为车辙并不是整段高速都存在，有的路段比较严重例如k103+920-k105+400段，虽然行车道重新铣刨、铺筑过，但仍出现了较为严重的车辙；其他路段比较轻微，有的路段几乎没有车辙。其深层次的原因还应该在材料、设计和施工方面深入研究。

3.4路面拥包

京沪高速临沂段的波浪、拥包等流动变形的表现并不明显。少数拥包的地方有明显的修补，面层挖除后并没发现基层有病害的发生。面层材料组成差，施工质量差，施工时基层表面污染严重，面层与基层结合不良，使面层材料不足以抵抗车轮水平力的作用，是产生拥包等流动变形的主要原因。认真地设计，严格地组织和管理施工，这种病害现象是很容易避免的。

4路面维修方案

（1）增加沥青层厚度。增大沥青层的厚度对防止基层裂缝向上传递是有效的，国外通常认为为了防止半刚性沥青路面的反射裂缝，沥青层的厚度不宜小于

15cm。本次京沪高速山东段大修将沥青层的厚度从15cm增加到了18cm，应该能构受到一定的效果。但增加沥青层的厚度不仅大幅度增加了建设成本，而且效果不一定明显。因此还应该把注意力集中到其他措施上。

（2）铺设沥青碎石过渡层。铺设沥青大碎石过渡层不仅增加了沥青层的厚度，而且改变了路面结构的结构形式，将路面由半刚性路面结构变成了组合式路面结构。这样可以使半刚性材料的拉应力和拉应变减小，受温度、水分等环境的影响也减小，从各方面对防止反射裂缝都有好处。

（3）连续爬坡路段中面层采用SMA－16。大量研究表明车辙的形成大都由于中下面层沥青混合料流动变形。为了减小连续爬坡路段的车辙病害，中面层采用动稳定度更大的SMA－16代替了原来的AC－20沥青混合料。

（4）水损坏严重路段设置排水管。水稳层之间大量的自由水对路面结构造成了严重的水损坏。对此在唧浆等水损坏严重的地方铺设玻璃钢加砂管，将存在与结构层间的水排出路面之外，从而减少水损坏。

参考文献

[1]《公路技术状况评定标准》（JTG H20－2007）

[2]沈金安，李福普，陈景《高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策》

[3] 沙庆林《高速公路沥青路面早期破坏现象及预防》