三莎高速水泥穩(wěn)定基層拱脹病害處治

阿布力孜·艾海提

(新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

改革開放以來，我國迎來跨越式快速發(fā)展時期，道路貨物運輸量連年猛增。為應對交通量的大幅增加，路面結構設計中開始大量采用水泥穩(wěn)定類半剛性基層。然而，隨著這類半剛性基層的大規(guī)模應用，研究人員發(fā)現新疆、內蒙古、甘肅等省份一些環(huán)沙漠地帶修建的公路出現了大量水泥穩(wěn)定基層拱脹變形的新型路面病害，嚴重影響了道路路用性能和行車安全。

然而，由于半剛性基層拱脹病害近幾年才得到道路養(yǎng)護管理部門及學者的重視，現階段對于水泥穩(wěn)定基層拱脹病害的研究較少，現有研究也主要側重于溫度場作用下的拱脹研究，忽略了水泥穩(wěn)定材料含鹽量、集料級配、施工方法等其他因素作用下的拱脹變形，防拱脹方法也不能很好的抑制拱脹的發(fā)展，亟需提出一套完善的水泥穩(wěn)定基層防拱脹方法和措施。針對上述問題，依托三莎高速水泥穩(wěn)定基層拱脹病害處治專項工程，對水泥穩(wěn)定基層防拱脹措施進行研究，旨在預防且減少未來建設中基層拱脹變形，保證公路行車舒適性和安全性，減少后期養(yǎng)護投入。

S13線(原S215線)三岔口至莎車高速公路建設項目，位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)境內，路線大致呈南北走向，北起阿克蘇至喀什高速公路項目的三岔口互通式立體交叉，經過巴楚縣、麥蓋提縣、莎車縣，跨越國道315線及喀什至和田鐵路后，路線終點在莎車縣烏達力克鄉(xiāng)北部與“喀什至葉城”一級公路相接，主線全長233.616 km。全線為新建整體式高速公路，設計車速120 km/h，路基寬度28 m。

項目路面結構采用4 cm細粒式SBS改性瀝青混凝土表面層(AC-13C)+5 cm中粒式瀝青混凝土中面層(AC-20C)+7 cm粗粒式瀝青混凝土下面層(AC-25F)+1cm瀝青表面處治下封層+32 cm 4.5%水泥穩(wěn)定砂礫基層+19～26 cm厚天然砂礫底基層。路基則采用30 cm天然砂礫上路床+機織土工布+風積沙填筑。

1 病害特征

(1)從水泥穩(wěn)定基層易溶鹽含量來看，產生拱脹病害的路面基層NaSO含量較未發(fā)生拱脹的基層平均高出14%，總含鹽量平均高出18%。

(2)從現場取的基層混合料樣品級配來看，拱脹病害發(fā)生路段基層級配均偏細。

(3)從當時采用的施工工藝來看，拱脹主要發(fā)生在采用分層攤鋪或分層連續(xù)攤鋪的路段，這些路段上下基層層間結合差，拱脹破壞時上、下基層分離。

2 拱脹原因

2.1 級配

國內外學者大量試驗結果表明，當其他條件相同時，半剛性基層級配越細，其拱脹變形和拱脹系數就會越大。這主要是由于隨著混合料級配變細，試件內部變得越來越密實，基層內部可容納微小變形的空間減小，造成在溫脹及鹽脹等應力的耦合作用下很容易發(fā)生拱脹變形。因此在實際工程實踐中為預防拱脹病害的產生，在水泥穩(wěn)定基層級配設計中宜選用C-B-3優(yōu)化級配如表1所示，施工中也應嚴格按照設計級配施工，保證基層材料符合設計級配范圍；此外，基層施工中也不宜過度壓實，以免骨料被過度壓碎。

表1 水泥穩(wěn)定類基層級配范圍一覽表

2.2 含鹽量

施工中如果半剛性基層采用含鹽量較高的集料或鹽漬土地基路段路基處理不恰當，均會導致半剛性基層內部的鹽漬化。半剛性基層內部隨著含鹽量的增大，濕度及溫度的變化導致基層內開始有硫酸鹽晶體析出，材料內部嵌擠作用開始增強，材料拱脹變形變得愈發(fā)顯著。因此，半剛性基層材料在料場設計，施工過程也注意加強對集料含鹽量的控制，采用含鹽量小于0.3%的集料。

2.3 應力釋放結構

應力釋放結構也是拱脹變形產生的關鍵因素之一。根據重慶交通大學夏至等人試驗研究結果，當其他條件相同時，基層設置脹縫的路段拱脹變形量和拱脹系數均明顯低于不設置脹縫的路段，且隨著脹縫寬度及深度的增加，半剛性基層拱脹變形和拱脹系數顯著降低，這是因為設置脹縫可以容納一定幅度的拱脹變形，有效釋放基層產生的拱脹應力與變形。因此防拱脹不僅考慮原材料、施工工藝等因素，還需對基層應力釋放結構進行特殊設計，半剛性基層在易發(fā)生拱脹病害的區(qū)域設置脹縫。

2.4 溫度

長安大學王選倉等學者在溫度及含鹽量對基層拱脹的影響試驗研究中發(fā)現，在相同含鹽量、環(huán)境濕度、水泥用量等條件下，這類半剛性基層材料的導熱系數隨著溫度的升高而增大，進一步影響不同深度處基層材料的溫脹變形。據研究結果，基層溫度達到30～40 ℃的范圍時，水泥穩(wěn)定基層材料拱脹系數也達到最大值，約為0～10 ℃時拱脹系數的1.25～1.17倍。這也很好揭示了水泥穩(wěn)定基層拱脹病害主要發(fā)生在春、夏季的特點。

2.5 水泥用量

宋亮、王選倉等人研究發(fā)現，隨著水泥穩(wěn)定材料中水泥用量的增大，水泥穩(wěn)定基層材料的導熱系數也隨之顯著增大，進而導致基層的拱脹開裂。這主要是由于隨著水泥用量的增加，試件內部孔隙率減少，內部結構變得越密實，從而改變水泥穩(wěn)定材料整體的導熱系數。因此在實際工程實踐中，水泥穩(wěn)定基層結構設計中應盡量采用優(yōu)化結構級配，減少水泥用量的方式來提高水泥穩(wěn)定基層材料強度，有效預防拱脹病害的發(fā)生。

3 拱脹處治設計

項目通過在路面發(fā)生拱脹的路段設置應力釋放結構，即設置消脹槽來達到修復路面病害的效果。為保證拱脹病害處治質量，項目以消脹槽寬度及苯板設置作為變量，對不同處治方式進行了現場試驗比選。

3.1 方案比選

現場隨機選取拱脹高度在(15±2.5)cm的八條脹縫，分別按四種處理方式對拱脹病害進行了處理，并布設相應的形變傳感器。方案一在產生兩道脹縫之間設置一道消脹槽，在基層內部設置寬0.5 m，深0.32 m的消脹槽，并挖除左右各2 m范圍內面層進行搭接，兩端不設置苯板，槽內基層及下、中面層采用ATB-30瀝青碎石混合料回填，上面層采用4 cm AC-13C瀝青混凝土恢復；方案二在方案一基礎上對消脹槽寬度調整為1 m；方案三則將消脹槽寬度調整為2 m，消脹槽兩端也不設置苯板；方案四在方案三的基礎上在基層內部消脹槽兩端設置苯板。具體參數設置如表2所示。

表2 試驗方案設置及技術參數一覽表

用于采集基層拱脹變形的形變傳感器分別布設在脹縫幾何中心位置，通過測試四種方案在不同時段基層內部的拱脹變形來判斷最優(yōu)處治方案。最終監(jiān)測數據如圖1所示。

圖1 不同處治方式下“拱脹—時間關系曲線”

3.2 拱脹處治設計

根據圖1中不同處治方式下的拱脹變形隨時間變化規(guī)律可知，隨脹縫寬度的增加，基層內部拱脹變形逐漸減小，在兩道拱脹裂縫之間設置消脹槽有助于基層內部拱脹應力的釋放，降低路面拱脹病害對路面破壞程度。此外，由方案三與方案四拱脹變形量對比可知，苯板的設置同樣可以顯著降低半剛性基層拱脹變形和拱脹系數，緩解路面拱起開裂，因此本次拱脹處治設計推薦采用方案四。

在拱脹處治時，為防止輕微拱脹發(fā)展成重度拱脹病害，采用與重度拱脹病害完全相同的處治方式，即先挖除拱脹處寬度為2 m范圍內的水泥穩(wěn)定砂礫與瀝青混凝土面層，基層及下、中面層回填ATB-30瀝青碎石混合料，上面層鋪設4 cm AC-13C瀝青混凝土；對于處治后重新起拱的拱脹處，按重度拱脹來處治。

3.3 后期監(jiān)測結果

項目為了進一步驗證采用的處治方案有效性，對方案四處治方式下的基層內部拱脹變形進行了后期監(jiān)測，結果如下。

圖2 方案四處治方式下“拱脹—時間關系曲線”

從監(jiān)測結果可以看出，基層內部拱脹變形在前期發(fā)展迅速，后期日趨穩(wěn)定；從該路段路面平整度指標來看，并未發(fā)現明顯隆起開裂，這表明方案四中的處治方式對減小基層拱脹變形起了有效的緩解作用，如圖2所示。

4 拱脹處治施工工藝

(1)施工準備。在施工準備階段做好原材料送檢、設備調試、拱脹及消脹槽位置調查等前期工作，施工人員核查確認路面挖除區(qū)域，并對相應路段按規(guī)范要求予以交通封閉。

(2)利用切割機等機械設備將拱脹病害處2 m范圍內的面層及水泥穩(wěn)定砂礫基層挖除，挖除后將原水泥穩(wěn)定砂礫基層底部整平并清掃干凈。

(3)基層兩側放置4 cm厚的苯板，苯板長度與開挖斷面一致，高度與基層同厚，為32 cm。

(4)基層回填ATB-30瀝青碎石混合料，利用高速液壓夯振搗密實。

(5)下、中面層回填ATB-30瀝青碎石混合料，利用大型壓路設備或高速液壓夯碾壓。

(6)上面層回填AC-13C細粒式瀝青混凝土，利用大型壓路設備碾壓，與前后面層平順相接。

(7)開放交通。待路面溫度將至50 ℃以下，將原有路面標線進行恢復后開放交通。

5 結 語

拱脹作為一種新型路面病害，出現頻率在荒漠等溫差較大地帶隨季節(jié)、氣候均呈現周期性變化。雖然國內外針對路面拱脹病害已經有了較多的研究成果，但相關標準規(guī)范的缺失，使得現有防拱脹措施效果并不理想，導致近幾年基層拱脹病害愈發(fā)嚴重。因此這些地區(qū)在修建半剛性基層瀝青路面時，在滿足各項技術指標及交通需求的同時，從設計、施工、運營養(yǎng)護階段嚴格控制原材料、結構組合、病害處治方法，避免水泥穩(wěn)定基層產生嚴重的拱脹病害。

水泥穩(wěn)定基層設計、施工是影響路面質量的關鍵環(huán)節(jié)。半剛性基層在原材料設計方面，嚴格規(guī)定施工用水礦化度要求、水泥膨脹成分要求以及集料硫酸鹽含量要求；在配合比設計方面，嚴格控制水泥穩(wěn)定基層集料級配與水泥穩(wěn)定基層配合比；施工質量控制與驗收方面，嚴格控制最佳施工時間及溫度、攤鋪方式及工程驗收標準，預防拱脹病害，提升道路耐久性，延長路面使用壽命。