沈 瑜，王新新，王博偉

(1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023)

西部寒旱地區(qū)公路路面開裂病害分析

沈 瑜1，王新新2，王博偉1

(1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023)

西部寒旱地區(qū)海拔較高、氣候惡劣，在干濕凍融循環(huán)、冷熱交替、水分和外部荷載等因素的影響下工程地質(zhì)會發(fā)生變化，使得公路發(fā)生不同種類和程度的病害影響，路面開裂是公路病害最常見的類型。對于西部寒旱地區(qū)公路路面開裂病害的類型和成因進(jìn)行分析，包括低溫收縮開裂、變形開裂、剪切開裂、反射開裂、疲勞開裂等，對西部寒旱地區(qū)公路施工技術(shù)措施進(jìn)行研究。

西部寒旱地區(qū)；低溫收縮開裂；變形開裂；剪切開裂；反射開裂；疲勞開裂

0 引言

西北寒旱地區(qū)主要指中國氣候寒冷、干旱地區(qū)，中國西北部大部分屬于這種地區(qū)，主要包括新疆省全部區(qū)域、青藏高原北部和東北部地區(qū)、甘肅省大部分區(qū)域、寧夏省全部區(qū)域、青海省全部地區(qū)、內(nèi)蒙古西部以及陜西省北部地區(qū)，干寒地區(qū)最低平均氣溫在-30℃～-10℃之間，氣候寒冷干燥。寒旱地區(qū)地處中國西北部，受海洋氣流影響較小，加之這些地區(qū)海拔較高，高原地形作用明顯，因此造成了干旱寒冷的氣候背景。寒旱地區(qū)海拔較高，高山環(huán)繞，鹽堿地分布廣泛，由于干燥、寒冷、溫差、強(qiáng)紫外線和大風(fēng)等氣候特征形成了干濕凍融循環(huán)、冷熱交替等典型的自然條件，長久的低溫會使地質(zhì)形成凍土情況。

在西部寒旱地區(qū)修筑公路，由于干濕凍融循環(huán)、冷熱交替、水分和外部荷載等因素的影響[1]，工程地質(zhì)會發(fā)生變化，使得公路發(fā)生不同種類和程度的病害影響，不同的原因造成不同的病害表現(xiàn)形式，例如路基凍脹、路面沉陷、翻漿和路面開裂等。特別在全球環(huán)境變暖和人類活動日益頻繁的形式下，西部寒旱地區(qū)沿線的地質(zhì)情況出現(xiàn)復(fù)雜性和多變性等情況。所以，對西部寒旱地區(qū)公路病害的類型進(jìn)行分析，以緩解公路病害的發(fā)生是當(dāng)前迫切需要解決的問題。路面開裂是公路病害最常見的類型，本文對于西部寒旱地區(qū)公路路面開裂病害的類型和成因進(jìn)行分析。

1 西部寒旱地區(qū)公路路面開裂病害類型

1.1 低溫收縮開裂

西部寒旱地區(qū)最低平均氣溫在-30℃～-10℃之間，而且低溫氣候持續(xù)時間長。瀝青材料對溫度的敏感性很強(qiáng)[2]，溫度降低時，瀝青混合料的粘滯流動性減小，瀝青的強(qiáng)度增大，瀝青材料開始收縮。當(dāng)路面體積收縮率超過粘滯流動允許的范圍時，會在路面產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度驟降時，瀝青路面產(chǎn)生的收縮應(yīng)力會超過瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，造成表面開裂。路面在瀝青強(qiáng)度變化的過程中就會造成低溫收縮路面開裂現(xiàn)象。西部寒旱地區(qū)發(fā)生氣溫驟降的概率比其他地區(qū)要高很多，所以低溫收縮開裂是西部寒旱地區(qū)公路常見病害之一。西部寒旱地區(qū)海拔高，受到紫外線輻射強(qiáng)度大，瀝青路面老化嚴(yán)重，抗低溫強(qiáng)度變差，也是寒旱地區(qū)公路路面容易產(chǎn)生低溫收縮開裂的原因之一。

低溫收縮開裂的表現(xiàn)形式以路面橫向裂縫為主，其它有大塊狀裂縫或者縱向裂縫。裂縫大小和覆蓋范圍根據(jù)路面瀝青的質(zhì)量、面層的混合材料和基礎(chǔ)材料的特性不同而變化。橫向裂縫有的橫向貫穿整個路面，見圖1；有的是路面邊緣處開始的不貫穿裂縫，邊緣處裂縫寬度大，向路面中間延伸逐漸變窄直至消失；有的是路面中間裂縫，由中間向邊緣處的裂縫寬度逐漸變窄。

圖1 橫向裂縫

1.2 變形開裂

在西部寒旱地區(qū)，干濕凍融循環(huán)是常見的自然現(xiàn)象。西部冬季氣溫驟降，造成公路路基低溫凍結(jié)，路面扯裂或凍脹隆起；隨著天氣氣溫轉(zhuǎn)暖，路基土層顆粒之間冰晶融化，由淺土層開始融化，深土層繼續(xù)凍結(jié)，凍結(jié)層變成不透水層。不透水層造成淺土層中的水分不能及時排出，水分的增多使得土壤松軟，路基強(qiáng)度驟降，承載力下降，在外部行車負(fù)荷下，公路路基發(fā)生變形，并導(dǎo)致路面下沉開裂，嚴(yán)重時甚至形成翻漿。所以，變形開裂也是西部寒旱地區(qū)常見的裂縫病害之一。

變形開裂的表現(xiàn)形式為路面下沉，形成路面凹坑、開裂或者網(wǎng)狀開裂。當(dāng)路基變形程度較輕時，主要表現(xiàn)為路面整體下降，但沉降量較小，路面基本平整，有時會有小凹坑。當(dāng)路基變形程度嚴(yán)重時，路基沉降量大，引起瀝青層面開裂或隆起，隨著負(fù)載外力的反復(fù)作用和內(nèi)力的時延，造成開裂嚴(yán)重形成網(wǎng)裂。

1.3 剪切開裂

西部寒旱地區(qū)路面的剪切開裂發(fā)生在陡坡路段的概率較大。在行車外力作用下，瀝青面層底部彎拉開裂和路基的剪切滑移破壞容易造成公路路面的剪切開裂[3]。此外，瀝青路面老化造成的瀝青面層穩(wěn)定性差、抗剪切強(qiáng)度弱[4]，所以瀝青面層與路基粘結(jié)力不足，在外部車輛加速或者緊急剎車時容易對公路路面形成剪切開裂。

剪切開裂的表現(xiàn)形式是瀝青面層變形，路面結(jié)構(gòu)層裸露出路面。而且剪切開裂通常呈現(xiàn)方向性，在下坡路段，裂縫端部指向車輛行駛方向；在上坡路段，裂縫端部指向車輛行駛相反的方向。所以，公路路面左右兩側(cè)的剪切開裂也會呈現(xiàn)不同的形式。

1.4 反射開裂

反射開裂會在三種情況下產(chǎn)生：一是在公路混凝土路面需要補(bǔ)強(qiáng)時，需要在舊路面上加蓋一層瀝青罩面。如果下層舊混凝土位移產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力超出上層瀝青罩面的抗拉強(qiáng)度時，新鋪的瀝青罩面就會產(chǎn)生裂縫[5]，這是反射裂縫的形式之一；二是路面鋪設(shè)時半剛性基層材料上需要加鋪瀝青面層，半剛性基層對于溫度和濕度變化敏感，在其強(qiáng)度形成過程中，需要在其上層進(jìn)行施工、碾壓，所以半剛性基層容易產(chǎn)生低溫收縮裂縫和干縮裂縫。這些裂縫擴(kuò)展到瀝青路面面層會形成反射裂縫；三是半剛性基層在行車荷載的作用下產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，當(dāng)彎拉應(yīng)力超出上層瀝青罩面的抗拉強(qiáng)度時，半剛性基層底部會發(fā)生開裂。隨著行車碾壓反復(fù)作用，裂縫會擴(kuò)展到瀝青罩面層，形成反射開裂。

在西部寒旱地區(qū)，氣溫會發(fā)生驟變，容易導(dǎo)致半剛性基層的低溫收縮裂縫；寒旱地區(qū)空氣濕度小，容易產(chǎn)生干縮裂縫，所以反射開裂也是西部寒旱地區(qū)公路病害之一。

瀝青面層反射開裂的表現(xiàn)形式主要為橫向裂縫，裂縫在瀝青面層的某位置產(chǎn)生，然后向兩側(cè)延伸，大裂縫伴有支縫，裂縫間距較均勻。

1.5 疲勞開裂

瀝青路面內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層都有空隙，在行車荷載的反復(fù)作用和溫濕度的循環(huán)作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫濕度應(yīng)力會發(fā)生變化。當(dāng)溫度應(yīng)力小于瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度時，會對路面產(chǎn)生撕扯力，但是初期不會導(dǎo)致路面開裂，只是當(dāng)溫濕度應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生的累積效應(yīng)達(dá)到一定程度，超過疲勞強(qiáng)度時會在路面結(jié)構(gòu)薄弱的部位產(chǎn)生疲勞開裂[6]，并由公路內(nèi)部的空隙產(chǎn)生的微裂縫，在荷載和溫濕度作用下逐漸嚴(yán)重。

疲勞裂縫的產(chǎn)生與行車荷載、溫濕度循環(huán)、公路材料等有關(guān)。西部寒旱地區(qū)溫度驟變，氣候干旱，導(dǎo)致溫濕應(yīng)力變化大。同時，寒旱地區(qū)氣候惡劣，導(dǎo)致瀝青路面過早老化，混合料的抗疲勞性能差，也容易導(dǎo)致疲勞開裂。所以，疲勞開裂也是西部寒旱地區(qū)公路的病害之一。

疲勞開裂的表現(xiàn)形式在初期表現(xiàn)為行車軌跡沿線的平行縱向裂縫，而寬度細(xì)微；隨著公路運(yùn)營時間日久和車輛載荷反復(fù)作用，在縱向裂縫上會再出現(xiàn)橫向或者斜向上的裂縫，嚴(yán)重時會形成網(wǎng)狀裂縫。

2 西部寒旱地區(qū)公路施工技術(shù)措施分析

通過對西部寒旱地區(qū)公路路面開裂進(jìn)行分析，結(jié)合路面施工技術(shù)，應(yīng)該對于施工過程中的工程技術(shù)措施進(jìn)行改進(jìn)：一、在施工原始材料方面，應(yīng)該選擇高標(biāo)號的改性瀝青、粘附性好的集料，以提高路面的抗低溫性能；二、在原材料混合方面，把握瀝青混合料的低溫抗裂性和穩(wěn)定性，采用密度配類型的礦質(zhì)混合料，必要時應(yīng)該摻入抗脫落劑，提升路面的抗疲勞和抗彎拉能力；三、在公路的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該在瀝青面層下設(shè)置中間層，以抵抗反射裂縫；四、在公路的施工過程中，應(yīng)該規(guī)范施工環(huán)節(jié)，寒旱地區(qū)的施工應(yīng)該保證溫度，低溫條件下施工應(yīng)按照規(guī)范進(jìn)行每一層的保溫處理。

3 結(jié)語

西部寒旱地區(qū)海拔較高、氣候惡劣，為了保障寒旱地區(qū)公路的正常運(yùn)營，本文分析干濕凍融循環(huán)、冷熱交替、水分和外部荷載等因素對公路材料和工程的影響，在此基礎(chǔ)上分析了西部寒旱地區(qū)公路路面開裂病害的類型，包括低溫收縮開裂、變形開裂、剪切開裂、反射開裂、疲勞開裂等，然后闡述了西部寒旱地區(qū)公路施工技術(shù)措施，為公路的維護(hù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]高明,李向全,王振興,等.高寒多年凍土地區(qū)公路病害的成因及防治[J].公路,2014(7):75-78.

[2]李紀(jì)德,許開成,龔瓊波.半剛性基層瀝青路面低溫收縮開裂性能研究[J].鐵道建筑,2006(11):104-105.

[3]蘇應(yīng)全,馮永平,周志剛,等.碎石基層瀝青路面性能非線性分析[J].公路與汽運(yùn),2015(3):88-91.

[4]艾長發(fā),邱延峻,黃兵,等.高寒地區(qū)瀝青路面開裂形態(tài)與成因分析[J].公路,2006(2):51-56.

[5]黃旭.雙絞合鋼絲網(wǎng)加筋新老路面結(jié)合部的抗反射開裂力學(xué)分析[D].湖南長沙:長沙理工大學(xué),2011.

[6]張偉.基于耗散能理論的瀝青路面溫度疲勞開裂分析[J].城市道橋與防洪,2010(5):164-166.

U418.6

B

1009-7716（2017）08-0059-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.018

2017-04-11

國家自然科學(xué)基金項目（51541902,51669010,61162016, 61202314）；甘肅省自然基金項目（1506RJZA082）

沈瑜（1982-），女，山東濟(jì)寧人，副教授，從事智能交通與信息處理研究工作。