農(nóng)村公路施工中水穩(wěn)基層裂縫的防治措施研究

馮海翔

摘要 某農(nóng)村公路工程的水泥穩(wěn)定碎石基層出現(xiàn)了較多的橫縱向裂縫，寬度在0～10 mm之間。經(jīng)過分析，裂縫成因?yàn)槁坊痪鶆虺两?、施工材料干性收縮。為了提高施工質(zhì)量，針對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行研究，制定了可行的施工預(yù)防措施和裂縫治理措施。對(duì)于未施工的路段，預(yù)防措施為檢驗(yàn)材料性能、治理濕陷性黃土路基、夯實(shí)級(jí)配碎石墊層和水穩(wěn)基層。對(duì)于已經(jīng)開裂的路段，根據(jù)裂縫寬度和深淺，分別采取灌注改性乳化瀝青或注入水泥漿液的加固措施，以達(dá)到延長道路的使用年限、節(jié)約農(nóng)村道路建設(shè)資金等目的，更好地服務(wù)于三農(nóng)。

關(guān)鍵詞 農(nóng)村公路；水穩(wěn)基層裂縫；防治措施

中圖分類號(hào) U416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0109-03

0 引言

楊凌地處渭河流域關(guān)中平原腹地，渭河陜西段中上游地區(qū)。地貌特征較為明顯，分為黃土塬區(qū)和河谷階地區(qū)兩個(gè)地貌單元。渭河沿岸一級(jí)階地為平原地形，地下2 m左右以沙層為主，二級(jí)、三級(jí)階梯以濕陷性黃土為主，所以在路基施工方案中應(yīng)有所區(qū)別。另外，全區(qū)300多公里農(nóng)村道路，水泥混凝土路面占比65%、瀝青路面占比35%。農(nóng)村公路工程的等級(jí)多為三級(jí)、四級(jí)，結(jié)構(gòu)上可分為面層、水穩(wěn)基層、級(jí)配碎石底基層（墊層）以及土質(zhì)基層。受到施工材料、路基沉降、溫度、養(yǎng)護(hù)措施等因素的綜合影響，水穩(wěn)基層容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，研究裂縫成因及防治措施具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 農(nóng)村公路水穩(wěn)基層裂縫調(diào)查

農(nóng)村公路包括縣道、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）道、村道，公路等級(jí)從二級(jí)到四級(jí)。常見的農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)形式為土基舊路面、級(jí)配碎石、水泥穩(wěn)定碎石層（簡(jiǎn)稱水穩(wěn)層）、面層[1]。公路面層具有多種技術(shù)方案，包括水泥混凝土面層、瀝青混凝土面層、瀝青碎石面層、泥結(jié)碎石面層等。研究過程以黃土塬區(qū)新建的農(nóng)村公路為調(diào)查對(duì)象，該道路設(shè)計(jì)長度為11.35 km，第一階段的施工長度為4.0 km；在水泥穩(wěn)定碎石基層施工階段，以人工徒步巡檢的方式采集水穩(wěn)層在前期施工階段產(chǎn)生的裂縫，裂縫數(shù)量達(dá)到431條，具體情況見表1所示。

2 農(nóng)村公路水穩(wěn)基層裂縫成因分析

2.1 農(nóng)村公路水穩(wěn)基層設(shè)計(jì)特點(diǎn)

水泥穩(wěn)定碎石基層施工材料由水泥和碎石集料經(jīng)混合攪拌而成，此類施工材料的優(yōu)點(diǎn)為強(qiáng)度高、易于板結(jié)，必要時(shí)可在混合料中添加粉煤灰。該項(xiàng)目水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配設(shè)計(jì)如表2所示。從設(shè)計(jì)強(qiáng)度來看，農(nóng)村公路主要為輕交通，底基層的壓實(shí)度設(shè)計(jì)為≥96%，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為4.0 MPa；水穩(wěn)基層的壓實(shí)度設(shè)計(jì)為≥97%，抗壓強(qiáng)度為5.0 MPa[2]。水穩(wěn)基層的設(shè)計(jì)厚度為200 mm。

2.2 裂縫成因分析

2.2.1 地基不均勻沉降

由于濕陷性黃土的特性，路基在路面經(jīng)雨水浸泡或農(nóng)灌水浸泡后，容易產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致路基自然下沉，這由地質(zhì)原因引起；還有路基壓實(shí)度不夠、施工過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)等造成的路基下沉。

經(jīng)檢測(cè)，一類裂縫和二類裂縫的水穩(wěn)基層標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高存在不同程度的差異，說明相關(guān)路段的路基出現(xiàn)了不均勻沉降。當(dāng)路基沉降量過大時(shí)，水穩(wěn)基層內(nèi)部可產(chǎn)生較大的應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)開裂。此類裂縫具有一定的發(fā)展性，如果路基繼續(xù)沉降，裂縫將進(jìn)一步增大，而若路基沉降到位，裂縫可進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，不再擴(kuò)大。

2.2.2 水穩(wěn)層施工材料收縮

（1）水穩(wěn)基層收縮原理分析。水泥穩(wěn)定碎石基層的施工材料由水泥和碎石集料組成，并且碎石集料占比較高。在硬化過程中，水穩(wěn)層水分流失速度較快，如果不能及時(shí)補(bǔ)充水分，則容易產(chǎn)生干縮效應(yīng)，引起干縮應(yīng)力，進(jìn)而造成水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)開裂，并且此類裂縫的寬度通常較小[3]。

（2）干縮裂縫寬度理論推導(dǎo)。將水穩(wěn)基層因干縮效應(yīng)而產(chǎn)生的應(yīng)變記為ε，則應(yīng)變的計(jì)算方法如式（1）所示：

（1）

式中，αd——干縮系數(shù)；Δw——失水率；αT——溫度系數(shù)；ΔT——降溫幅度。水泥穩(wěn)定碎石基層可視作半剛性結(jié)構(gòu)，可通過理論推導(dǎo)計(jì)算出干縮裂縫的寬度。假設(shè)某段水穩(wěn)基層的長度、厚度和寬度分別為L、h、W，在水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)內(nèi)任意點(diǎn)x處截取一個(gè)長度單元，將其長度記為dx，根據(jù)極限平衡原理，可得到如下力學(xué)模型：

（2）

式中，σx——水平拉應(yīng)力；dσx——水平拉力應(yīng)變；τ——層間剪應(yīng)力。進(jìn)一步推導(dǎo)可知，dσx/dx=τ/h。對(duì)于水平拉應(yīng)力σx，其計(jì)算方法可表示為σx=E·dδσ/dx，其中參數(shù)E為水泥穩(wěn)定碎石基層的彈性模量，δσ為約束變位[4]。對(duì)表達(dá)式σx=E·dδσ/dx進(jìn)行求導(dǎo)，并且將求導(dǎo)后的結(jié)果代入dσx/dx=τ/h中，可得到式（3）：

對(duì)式（3）進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到dδσ/dx=τx/hE+c0，其中c0為積分運(yùn)算中得到的常量。結(jié)合σx=E·dδσ/dx，可推導(dǎo)出干縮裂縫的寬度，計(jì)算方法如下：

式中，L——干縮裂縫的寬度。

3 農(nóng)村公路水穩(wěn)基層裂縫防治措施

3.1 施工預(yù)防技術(shù)措施

3.1.1 土質(zhì)路基施工技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)多年工程施工經(jīng)驗(yàn)，土質(zhì)路基夯實(shí)程度不足或者巖土條件較差，是造成路基不均勻沉降的常見因素。為了預(yù)防路基不均勻沉降，必須加強(qiáng)土質(zhì)路基的夯實(shí)施工，技術(shù)措施如下：

（1）強(qiáng)化工程地質(zhì)勘察，掌握不良地質(zhì)條件。軟土地質(zhì)、濕陷性黃土屬于常見的不良工程地質(zhì)因素，結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際情況，部分農(nóng)村公路鄰近農(nóng)村澇池或處于低洼地帶，導(dǎo)致地下水含量較高，形成了淤泥質(zhì)軟土層和軟弱黏土層，對(duì)路基穩(wěn)定性和承載力造成了影響。

（2）結(jié)合地質(zhì)條件制定合理的施工方案。針對(duì)部分路段的軟土路基，該項(xiàng)目采取渭河天然砂礫換填法進(jìn)行處理，但整體效果欠佳，出現(xiàn)了路基不均勻沉降的問題。經(jīng)過分析，造成該問題的主要原因?yàn)閾Q填層厚度不足，如果繼續(xù)采取換填法，將會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)過高。由此可見，在路基施工階段，應(yīng)當(dāng)結(jié)合地質(zhì)條件，采取科學(xué)、有效的施工方法，該項(xiàng)目可采用建筑垃圾換填，既可以節(jié)約成本，還能促進(jìn)環(huán)保節(jié)能發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于西安外環(huán)高速項(xiàng)目建設(shè)，并經(jīng)過陜西交通行業(yè)多年科技攻關(guān)和工程實(shí)踐，于2021年8月由交通運(yùn)輸部發(fā)布了《公路工程利用建筑垃圾技術(shù)規(guī)范》，作為公路工程行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)，自2021年11月1日起施行[5]。

對(duì)于非軟土路段，應(yīng)強(qiáng)化土質(zhì)路基的夯實(shí)施工，布置測(cè)點(diǎn)，定期監(jiān)測(cè)路基沉降量，直至達(dá)到穩(wěn)定，再開展級(jí)配碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石層施工。

（3）嚴(yán)格檢查土質(zhì)路基的施工質(zhì)量。土質(zhì)路基質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目包括彎沉量、縱斷高程、中線偏位、路基寬度、表面平整度、橫向坡度等。在施工過程中，應(yīng)當(dāng)使用符合要求的全站儀、水準(zhǔn)儀以及其他測(cè)量工具，檢查各項(xiàng)指標(biāo)的施工成果，確保質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3.1.2 級(jí)配碎石底基層施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）控制級(jí)配碎石的質(zhì)量。該農(nóng)村公路土質(zhì)路基和水穩(wěn)基層之間為級(jí)配碎石底基層，其作用是充當(dāng)水穩(wěn)基層的墊層。級(jí)配碎石渭河鵝卵石由機(jī)械設(shè)備破碎加工而成，該道路屬于三級(jí)公路，要求墊層施工的級(jí)配碎石達(dá)到表3中的規(guī)定。除了檢查碎石的配比，還需檢測(cè)其含泥量，渭河碎石在加工過程中，泥石篩分質(zhì)量過差，導(dǎo)致含泥量過高，是一大弊病。過高的含泥量會(huì)導(dǎo)致底基層強(qiáng)度不足，容易引起沉降和開裂。

（2）攤鋪。待卸料結(jié)束之后，利用平地機(jī)或者裝載機(jī)將級(jí)配碎石攤鋪平整，再以人工方式刮出路拱。人工作業(yè)時(shí)應(yīng)注意是否出現(xiàn)粗細(xì)集料高度離析的現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)，必須予以處理。初步攤鋪完成后，利用振動(dòng)機(jī)快速碾壓路面，以暴露出不平整的區(qū)域，然后由工作人員對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行找平和攤鋪，直至達(dá)到平整度要求。

（3）碾壓。當(dāng)達(dá)到一定的攤鋪厚度時(shí)，即可開展碾壓作業(yè)，如果總體攤鋪厚度較大，可采用分層碾壓的施工方案。碾壓次數(shù)為4～8遍，第1遍為壓路機(jī)靜壓，起到初步的定型作用，其余碾壓施工均采用振動(dòng)壓路機(jī)，至少振動(dòng)碾壓3遍。碾壓過程可能會(huì)出現(xiàn)松散、離析現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)挖除相關(guān)部位的碎石，以新料進(jìn)行換填，再完成碾壓施工。

3.1.3 水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）檢驗(yàn)水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能。為保證施工質(zhì)量、避免水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)開裂，在作業(yè)之前，應(yīng)開展一系列性能試驗(yàn)，確保施工材料達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)內(nèi)容包括水泥性能、集料性能、混合料擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、混合料干縮試驗(yàn)等[6]。以干縮試驗(yàn)為例，部分細(xì)小的裂縫由混合料干縮應(yīng)力引起，在作業(yè)前可通過干縮試驗(yàn)測(cè)定混合料的干縮系數(shù)，為后期的養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)提供依據(jù)。干縮試驗(yàn)的方法為制作試件，尺寸為0.1m×0.1m×0.4m，試驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度分別為25 ℃和50%，應(yīng)按照一定的時(shí)間間隔檢測(cè)試件的含水量，直至基本不變?yōu)橹?。最后?jì)算出平均干縮系數(shù)，計(jì)算方法為式（5）：

式中，ε0——試件的初始干縮應(yīng)變；εi——試件第i次的干縮應(yīng)變；ω0——試件的初始含水量；ωi——試件第i次檢測(cè)的含水量；αavg——平均干縮系數(shù)。通過該參數(shù)可判斷施工材料的干縮效應(yīng)，有利于防止干縮裂縫。另外，集料是決定水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素，對(duì)集料的技術(shù)要求見表4所示：

（2）技術(shù)要點(diǎn)。水穩(wěn)基層的施工流程為測(cè)量放樣—支設(shè)模板—清掃下承層—混合料拌和—混合料運(yùn)輸—噴灑水泥凈漿—混合料攤鋪—混合料碾壓—施工縫處理—土工布覆蓋養(yǎng)護(hù)—質(zhì)量檢測(cè)。強(qiáng)化各工序的施工質(zhì)量，能夠有效預(yù)防水穩(wěn)基層開裂。在攤鋪階段，縱向搭接寬度不應(yīng)低于5 cm，通常設(shè)計(jì)為5～10 cm，以10 cm為宜。在碾壓階段，分為初壓、復(fù)壓和終壓三個(gè)步驟，使用鋼輪壓路機(jī)分別開展靜壓和振動(dòng)壓，最后由膠輪壓路機(jī)再靜壓1遍。

3.2 工程治理技術(shù)措施

該項(xiàng)目第一施工階段出現(xiàn)了較多的裂縫，分為四種類別，應(yīng)采取技術(shù)措施進(jìn)行裂縫治理。三類、四類裂縫寬度小、深度淺，修補(bǔ)措施為灌注改性乳化瀝青，并且在表面鋪設(shè)纖維格柵。一類、二類裂縫寬度和深度都較大，如果路基已經(jīng)沉降到位，可采取注漿加固措施。另外，在施工過程中，對(duì)于水穩(wěn)施工縫，可采取人工拌和純水泥漿單獨(dú)進(jìn)行灌縫處理，然后進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

4 研究成果討論

（1）該農(nóng)村公路的結(jié)構(gòu)為濕陷性黃土路基、級(jí)配碎石墊層、水泥穩(wěn)定碎石基層以及面層。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，第一階段的4.0 km水穩(wěn)基層路段上出現(xiàn)了431條裂縫，大部分為小裂縫，但也存在寬度較大的縱向和橫向裂縫。造成水穩(wěn)基層開裂的主要原因?yàn)榈鼗痪鶆虺两?、施工材料干縮。

（2）為了避免后續(xù)施工出現(xiàn)同樣的問題，應(yīng)制定更加有效的施工方案。具體的技術(shù)措施為減排路基土壤毛細(xì)水、將換填法改為建筑垃圾換填。嚴(yán)格控制土質(zhì)基層、級(jí)配碎石墊層、水泥穩(wěn)定碎石基層的碾壓夯實(shí)效果。施工前應(yīng)檢測(cè)集料、水泥、級(jí)配碎石以及混合料的性能。

（3）對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行治理，寬度小、深度淺的裂縫可灌注改性乳化瀝青，并且在表面鋪設(shè)纖維格柵。對(duì)于寬度和深度都較大的裂縫，可在地基充分沉降后進(jìn)行注漿加固。

5 結(jié)語

裂縫問題不僅影響了路面的美觀性，還對(duì)整個(gè)公路的承載能力以及使用壽命產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。裂縫問題并非偶然，其產(chǎn)生往往與材料、施工工藝以及環(huán)境因素等多方面有關(guān)。為了深入探究裂縫產(chǎn)生的原因，研究人員對(duì)裂縫進(jìn)行了詳細(xì)的分類和統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，大部分裂縫為小裂縫，寬度在1～2 mm之間，這些裂縫可能是施工過程中溫度、濕度等環(huán)境因素的變化而引起。同時(shí)，研究人員也發(fā)現(xiàn)存在少量寬度超過5 mm的較大裂縫，這些裂縫可能由材料不合格或施工不當(dāng)所導(dǎo)致。為了解決這些裂縫問題，研究人員提出了兩種技術(shù)路徑：在施工階段嚴(yán)格檢查原材料和混合料的性能，確保材料達(dá)標(biāo)；對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫，采取灌注水泥漿液或者改性乳化瀝青的方法進(jìn)行修補(bǔ)。通過上述措施從根本上解決了裂縫問題，提高了公路的質(zhì)量與壽命。

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