高速公路路基病害特征與應(yīng)對(duì)措施

趙建智

高速公路路基病害是影響高速公路功能發(fā)揮的重要問題，病害發(fā)生后，小則影響行車舒適、通行速率，大則會(huì)引發(fā)生命財(cái)產(chǎn)安全問題，影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。國(guó)內(nèi)每年用于保養(yǎng)和維護(hù)高速公路的費(fèi)用較大一部分都主要是用于路基病害防治。因此，研究高速公路路基病害特征與應(yīng)對(duì)措施，有助于從根本上掌握高速公路病害機(jī)理，優(yōu)化防治技術(shù)和實(shí)踐方案，在降低高速公路運(yùn)行和維護(hù)成本的同時(shí)，保障交通運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。

一、高速公路路基病害的特征

1.病害類型

高速公路路基的病害類型，主要受到高速公路路段區(qū)間的土質(zhì)、巖層結(jié)構(gòu)等影響，在不同區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出不同的形式，主要分為以下類型：①裂縫類病害。有縱向、橫向和發(fā)散式裂縫，尤其在路肩、車道正中、涵洞周邊等位置發(fā)生頻率較高，屬于高速公路路基病害中最為常見的；②沉降類病害。在路基較軟、結(jié)構(gòu)性較差或者是路基內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻和異常等情況下，容易產(chǎn)生路基材料受力不均，從而改變了預(yù)期結(jié)構(gòu)屬性，加上高速公路自重和行車載荷等的多重影響，導(dǎo)致路基內(nèi)部出現(xiàn)塌陷、位移、中空等問題，最終導(dǎo)致路面異常張拉、路面開裂破損等病害發(fā)生；③位移滑塌類病害。路基自身及下部基礎(chǔ)、周邊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)崩散，在雨水和基礎(chǔ)載荷等條件影響下，加劇了路基的離散現(xiàn)象，導(dǎo)致路基材料和相鄰材料出現(xiàn)明顯位移，甚至向低矮邊坡、溝渠方向滑塌，直接導(dǎo)致道路斷裂行車風(fēng)險(xiǎn)增高。

2.基本特征

高速公路工程規(guī)模大，根據(jù)交通部公布數(shù)據(jù)，至2019年底全國(guó)高速公路總里程達(dá)到14.96萬公里，其中山西省高速公路通車總里程達(dá)5.3萬公里，2020年四季度高峰日交通量達(dá)44萬輛次，是2019年同期水平的62%。在這樣大規(guī)模的高速工程中，受氣候、通行流量等的綜合影響，各種路基病害的發(fā)生幾率增加，且一旦出現(xiàn)路基病害可能會(huì)快速擴(kuò)散影響交通運(yùn)輸。而公路是我國(guó)的主要交通運(yùn)輸?shù)缆?，倘若出現(xiàn)路基病害不僅有可能快速造成公路更大的破壞，還會(huì)直接影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。尤其是濕陷性黃土路基，破壞性較強(qiáng)，在受降雨等作用下，會(huì)逐漸失去穩(wěn)定，使路基出現(xiàn)沉降、開裂，嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸?shù)缆返耐ㄐ兴俣群褪褂冒踩?/p>

二、高速公路路基病害的影響因素

1.設(shè)計(jì)方案

高速公路病害與高速公路工程質(zhì)量有直接關(guān)系，公路工程的整體設(shè)計(jì)方案是建立在對(duì)工程環(huán)境和項(xiàng)目需求的客觀條件上，同時(shí)在設(shè)計(jì)方案中各種技術(shù)、材料相互搭配和融合，需要經(jīng)過精細(xì)的推算和印證，并且設(shè)計(jì)方案為后續(xù)施工方案提供基礎(chǔ)依據(jù)和要求。一旦設(shè)計(jì)方案存在問題，則會(huì)導(dǎo)致高速工程建設(shè)埋下質(zhì)量隱患，如：路基填料與場(chǎng)地環(huán)境不符、路基攤鋪和壓實(shí)參數(shù)設(shè)置不合理而削弱施工效果等，而如何提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可操作性則成為保障高速公路路基建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.客觀條件

除了建設(shè)主體的主觀因素之外，高速公路路基病害呈現(xiàn)出較為明顯的地域性或地質(zhì)性，如：我國(guó)西部地區(qū)高速公路路基病害多受凍土、喀斯特地貌等影響而出現(xiàn)路基損壞，中部濕陷性黃土地區(qū)者容易受汛期集中降雨影響，出現(xiàn)路基沉陷、滑坡等病害，而東部地區(qū)則容易受到降水、地下水位、土質(zhì)等影響，出現(xiàn)路基變形病害。雖然在設(shè)階段及施工階段，建設(shè)主體能夠運(yùn)用各種技術(shù)和手段降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率。除了前期風(fēng)險(xiǎn)之外，不同區(qū)域所在的自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境也會(huì)持續(xù)對(duì)公路路基產(chǎn)生影響，例如：高頻率降水會(huì)加劇路基軟化、下陷、位移問題，過度干燥的氣候會(huì)降低路基的結(jié)構(gòu)能力，大量車輛和高負(fù)重通行會(huì)增加路基壓力，提前改變路基形狀。

三、高速公路路基病害的應(yīng)對(duì)措施

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)當(dāng)充分對(duì)工程區(qū)域內(nèi)的各種條件進(jìn)行了解和分析，包括：①地質(zhì)條件，對(duì)區(qū)域內(nèi)路基下部土層、地下水位、巖層厚度與強(qiáng)度等能夠在后期對(duì)高速公路路基產(chǎn)生顯著影響的項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)查并建檔；②行車載荷，即高速公路建成之后的預(yù)期通行任務(wù)量，或者是類似高速公路在一定時(shí)間之類的可對(duì)比數(shù)據(jù)，用以推算高速公路運(yùn)行時(shí)可能承受的載荷數(shù)值區(qū)間；③氣候條件，高速公路所處區(qū)域內(nèi)常年降水、霜凍、最高低溫度等，能夠從外界影響路基材料或者路面材料的物理屬性，從而迫使路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致路基松散、位移等。根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果，建立路基病害風(fēng)險(xiǎn)加權(quán)評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)路基病害風(fēng)險(xiǎn)的成因、發(fā)生幾率、危害程度進(jìn)行先期預(yù)判，根據(jù)預(yù)判結(jié)果擬定預(yù)防措施，或者經(jīng)專門的軟件系統(tǒng)演算分析，從技術(shù)、材料等多個(gè)方面進(jìn)行方案優(yōu)化，在多個(gè)預(yù)設(shè)方案中找出最佳結(jié)果。

2.做好動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作

監(jiān)測(cè)工作是現(xiàn)代高速公路工程中必不可少的，基本原理為利用各種檢測(cè)、監(jiān)測(cè)類設(shè)備，對(duì)公路路基及病害關(guān)聯(lián)項(xiàng)進(jìn)行持續(xù)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控，獲取數(shù)據(jù)之后再與預(yù)期數(shù)據(jù)或者理想數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而判斷出路基的實(shí)際情況或者風(fēng)險(xiǎn)可能性。其中，前文所述的基本條件的相關(guān)數(shù)據(jù)信息作為基礎(chǔ)，與高速公路預(yù)期的性能和參數(shù)一同作為數(shù)據(jù)庫(kù)基本樣值，再以后續(xù)階段性或持續(xù)性的數(shù)據(jù)信息為實(shí)時(shí)樣本進(jìn)行印證，對(duì)高速公路在正常運(yùn)行期間的情況進(jìn)行整體分析。

根據(jù)我國(guó)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》等一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立起高速公路監(jiān)測(cè)指標(biāo)信息體系，對(duì)高速公路壓實(shí)度、彎沉值、破損度等進(jìn)行檢測(cè)，以檢測(cè)結(jié)果綜合判定高速公路的使用值?？⒐を?yàn)收合格時(shí)所獲取的數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，收入數(shù)據(jù)庫(kù)以備后期調(diào)取比對(duì)，在高速公路運(yùn)行期間進(jìn)行周期規(guī)律性監(jiān)測(cè)獲取實(shí)時(shí)數(shù)值作為數(shù)據(jù)樣本。

（1）壓實(shí)度檢測(cè)。選用土壤無核濕密度儀進(jìn)行檢測(cè)，基本原理如圖1所示。

圖1 土壤無核濕密度儀工作原理

（2）彎沉值檢測(cè)。選用車載式落錘彎沉儀進(jìn)行檢測(cè)，基本原理如圖2所示。

圖2 車載式落錘彎沉儀工作原理

（3）探地雷達(dá)無損檢測(cè)。相對(duì)而言，壓實(shí)度檢測(cè)多用于施工周期，而后期需要開展的檢測(cè)內(nèi)容較多，且壓實(shí)度不能直觀反映出路基層的問題情況；彎沉儀則更多是對(duì)高速公路在產(chǎn)生比較明顯的病變后結(jié)果才更加可靠，在預(yù)防路基問題方面存在一定局限性。選用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，可以在可視界面中直接讀取區(qū)域內(nèi)或點(diǎn)位部分的路基情況，對(duì)于路基中空、內(nèi)部開裂等病害有顯著效果，因此更具實(shí)用價(jià)值。

在獲取雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果時(shí)，需要對(duì)所獲取的目標(biāo)值進(jìn)行處理，以提高檢測(cè)的精準(zhǔn)度。目前，主要使用的方法為小波去噪法，預(yù)設(shè)含高斯白噪聲的信號(hào)為 iy，則yi= xi+ki?ni， ki為權(quán)重系數(shù)， ni為高斯白噪聲， xi為原信號(hào)，則要使受混染信號(hào) iy接近于原信號(hào) ix，需要 iink? 值盡可能小，從而最大限度地排除干擾信號(hào)。此時(shí)需要采用小波變換閾值的辦法，獲取小波系數(shù)Z，經(jīng)非線性閾值d進(jìn)行修正計(jì)算，將信號(hào)的閾值和絕對(duì)值作為比較項(xiàng)，在閾值以下的則表示為0，在閾值之上的則維持原表示狀態(tài)，如式：

小波變換之后則重新構(gòu)建信號(hào)表示得到更加準(zhǔn)確的去噪結(jié)果。

3.采取針對(duì)性的防治對(duì)策

一般病害如裂縫在5mm內(nèi)的，不影響正常行車，可采用局部開窗維護(hù)，配合灌漿、更換伸縮縫等措施進(jìn)行快速處理；中度病害如路基層含水量異常、局部松散出現(xiàn)裂縫等，裂縫寬度在5mm以上的，如果路基內(nèi)滲水嚴(yán)重且伴隨嚴(yán)重變形和結(jié)構(gòu)性破壞的，應(yīng)當(dāng)封閉開挖維護(hù)，對(duì)原路基層進(jìn)行換填、加固等，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)同步使用碎石樁、粉噴樁等進(jìn)行加固，對(duì)于路堤、邊坡等易出現(xiàn)位移問題的，還可以通過擋土墻、擋土樁、板墻進(jìn)行力學(xué)阻隔。對(duì)于路基強(qiáng)度嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)、裂縫寬度大于10mm以上，或者裂縫寬度在5mm以內(nèi)但彎沉值等相關(guān)數(shù)值過度異常的，則判斷路基出現(xiàn)大面積問題，應(yīng)對(duì)整個(gè)道路進(jìn)行封堵，并采取全面翻修措施，所適用的工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與新建高速公路時(shí)標(biāo)準(zhǔn)一致。

四、結(jié)語

高速公路路基病害是最為常見的病害類型，對(duì)此類問題的防治不僅要在施工環(huán)節(jié)做好相關(guān)工作，還需要在日常管理與維護(hù)中加大力度，遏制小規(guī)模病害向大規(guī)模病害發(fā)展的趨勢(shì)，確保高速公路始終在安全指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，保障高速公路正常運(yùn)行。