高速公路裂紋分析與防治措施研究

摘要 高速公路是我國公路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，隨著公路運行時間的增加，路面不可避免地出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致破壞。文章通過文獻(xiàn)閱讀、野外調(diào)研和實測資料分析等手段，確定了高速公路路面參數(shù)裂紋的影響因素，提出了高速公路的防治措施。結(jié)果表明，高速公路產(chǎn)生裂紋的原因為路面混凝土表層的強度較低、面層較薄、混凝土板底缺失、來往車輛的荷載；發(fā)生板底脫空的范圍越大，路面發(fā)生的變形就越大，路面就越容易發(fā)生破壞；提出了道路裂紋防治措施，主要包括選用合適的裂縫修補材料、提高道路的傳荷能力、實施植筋加固和脫空灌漿等。

關(guān)鍵詞 高速公路；公路裂紋；影響因素；防治措施

中圖分類號 U418 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0088-03

0 引言

高速公路是我國公路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是專供汽車分向、分車道行駛并控制出入的干線公路，具有非常大的通行能力[1]。為了避免高速公路受到破壞，一些地方對高速公路上的大型貨車進行了交通管制，但是，隨著高速公路運行時間的增加，路面不可避免地出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致了破壞，影響了公路的正常使用[2-3]。因此，對高速公路裂紋產(chǎn)生的影響因素，以及因素對路面的作用研究非常重要，可以為延長公路壽命和提出解決路面裂紋技術(shù)提供依據(jù)。

該文通過文獻(xiàn)閱讀、野外調(diào)研和實測資料分析等手段，確定了高速公路路面參數(shù)裂紋的影響因素，并提出了高速公路的防治措施。

1 工程概況

該文研究對象為山西北部某高速公路。公路全長15 km，設(shè)計速度為100 km/h。路基寬度為15 m（雙向四車道），水泥混凝土路面，設(shè)計南行線（下行線）的路面面層厚30 cm，北行線（上行線）的路面面層厚28 cm，面層混凝土設(shè)計彎拉強度為5 MPa，基層彎拉強度為3 MPa、抗壓強度為15 MPa。在運行三年后，公路局部路段發(fā)生不同程度的裂紋，裂紋主要分布在道路右側(cè)。該文主要分析公路裂縫的產(chǎn)生原因，以及防治措施。

2 影響因素分析

2.1 一般因素

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果[4-10]，總結(jié)了產(chǎn)生路面裂紋的影響因素，得出裂紋的主要影響因素如下：

（1）混凝土表面強度是影響水泥路面結(jié)構(gòu)承載力和使用壽命的主要因素。

（2）混凝土表面厚度是決定道路結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵因素。

（3）切縫深度不足會導(dǎo)致混凝土截面強度不符合要求，導(dǎo)致切縫外部出現(xiàn)裂縫。

（4）混凝土板底缺失時，將大幅提高內(nèi)部的彎曲和拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致水泥混凝土路面容易破碎。

（5）路面結(jié)構(gòu)也是裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。

（6）車輛行駛時對路面結(jié)構(gòu)的外部作用，也是造成路面結(jié)構(gòu)損壞的主要原因。

2.2 影響因素分析

為了確定研究區(qū)路面裂紋的影響因素，該文選取某個存在裂痕的路段作為研究對象，通過鉆孔采樣測試其強度。測試部位分別為道路的左側(cè)和右側(cè)中心，采樣數(shù)量為左右各20個。路段左右兩側(cè)的強度測試結(jié)果如表1所示：

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，道路右側(cè)的強度小于公路左側(cè)，且采樣結(jié)果表明右側(cè)路面的強度不滿足設(shè)計的大于左側(cè)路面的范圍要求，說明該文研究對象的影響因素包括混凝土表層的強度。以下對研究對象的混凝土表層厚度進行抽芯檢測，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示：

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，道路右側(cè)混凝土表層的設(shè)計厚度和實際厚度均小于公路左側(cè)，兩側(cè)的設(shè)計厚度相差7.14%。采樣結(jié)果表明，右側(cè)路面的厚度不滿足設(shè)計厚度的范圍更廣，說明混凝土表層的厚度也是研究區(qū)域內(nèi)路面裂紋產(chǎn)生的重要因素。

對左右兩側(cè)路面的切縫深度進行檢測后發(fā)現(xiàn)，切縫深度占面板厚度的比例均為0.25，說明切縫深度不是右側(cè)路面產(chǎn)生裂紋的主要影響因素。

根據(jù)2.1節(jié)所述，對右側(cè)道路的混凝土板底進行彎沉檢測，若水泥路面的彎沉值超過0.2 mm，則可判定為板塊脫空。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)左側(cè)路面無板塊脫空現(xiàn)象，右側(cè)路面發(fā)現(xiàn)一縱向裂縫區(qū)域存在板塊脫空現(xiàn)象。因此，混凝土板底存在缺失也是造成右側(cè)路面裂紋產(chǎn)生的原因之一。

對路面結(jié)構(gòu)展開調(diào)查，調(diào)查對象為路面的隔離層。隔離層的主要功能是降低因面層與基層變形導(dǎo)致的面板或基層開裂。調(diào)查結(jié)果表明，兩側(cè)均為蠟質(zhì)隔離層，說明路面結(jié)構(gòu)不是右側(cè)路面產(chǎn)生的主要影響因素。

對于道路交通量展開調(diào)查，左右兩側(cè)道路的車流量相差不大，但是左側(cè)來車與右側(cè)來車的載貨量不同。左側(cè)車輛一般為空車，而右側(cè)車輛為裝滿貨物的車輛。根據(jù)對來往車輛進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，右側(cè)車輛為北上送貨車輛，左側(cè)車輛為卸貨后的返回車輛，因此兩側(cè)道路受到車輛的荷載不同。所以，車輛行駛時對路面結(jié)構(gòu)施加的外部作用也是導(dǎo)致右側(cè)路面產(chǎn)生裂紋的重要原因之一。

綜上所述，高速公路右側(cè)路面產(chǎn)生裂紋的原因如下：路面混凝土表層的強度較低、面層較薄、混凝土板底缺失、來往車輛對路面的荷載等。前兩個原因是路面混凝土的內(nèi)因，在沒有外因影響下其本身不會發(fā)生破壞，而第3個因素則是產(chǎn)生路面裂紋的外因，在車輛荷載作用下若路面強度無法滿足要求時，路面發(fā)生破壞從而產(chǎn)生裂紋。因而，以下將從車輛荷載對路面作用的角度出發(fā)，揭示不同影響因素下混凝土路面產(chǎn)生裂紋的機理。

3 影響規(guī)律分析

該文選用有限元軟件GEOSTUDIO的SIGMA/W模塊分析車輛荷載下的路面應(yīng)力及應(yīng)變，考慮工況：（1）相同荷載條件下不同強度和厚度的應(yīng)力應(yīng)變分析；（2）相同強度和厚度條件不同荷載作用下的道路應(yīng)力應(yīng)變分析。模型中的混凝土均為各向同性、均質(zhì)的彈性材料，模型寬度為8 m，具體參數(shù)如表3所示。另外，由于軟件功能限制，該文未對板底脫空進行分析。

建立的計算模型如圖1所示：

對模型左右兩側(cè)的水平位移，以及模型底部的水平與垂直位移進行固定。假設(shè)車輛寬度為1 m，其荷載位于道路路面，則不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況如圖2所示：

從圖2可以看出，道路厚度和坡面荷載對應(yīng)力云圖變化的影響較大，而不同路面強度變化下的應(yīng)力變化較小，這說明當(dāng)?shù)缆窂姸冗_(dá)到設(shè)計要求后，在一定單位的荷載作用下路面發(fā)生破壞的可能性較小。根據(jù)應(yīng)力整體變化情況可以發(fā)現(xiàn)，在路面強度達(dá)到設(shè)計要求后，路面的影響因素由大到小依次為路面厚度、路面荷載和路面強度等級。

當(dāng)板底脫空時，可以將道路看作是一個兩端固定的梁的結(jié)構(gòu)，其最大撓度可以表示如下：

δmax=（ql4）/（384EI） （1）

式中，q——荷載大?。╧N）；l——板底的脫空長度（m）；E——路面的彈性模量（MPa）；I——慣性矩（m2）。

從式（1）可以看出，發(fā)生板底脫空的范圍越大，路面發(fā)生的變形就越大，路面就越容易遭到破壞。另外，道路材料也是板底脫空后道路是否發(fā)生破壞的關(guān)鍵因素，道路的彈性模量越大，強度等級越高，道路越不容易發(fā)生破壞。

4 防治措施研究

該文研究提出的公路防治措施是基于公路裂紋的影響因素而確定，主要從提高公路強度、減小荷載對路面的作用和解決板底脫空等三個方面進行，主要防治措施如下：

4.1 選擇合適的裂縫修復(fù)材料

裂縫修復(fù)材料可分為加固材料和密封材料，具體選擇取決于裂縫的原因和路面結(jié)構(gòu)。當(dāng)裂縫通過路面時，應(yīng)使用加固材料；當(dāng)表面出現(xiàn)裂縫，但路面結(jié)構(gòu)強度仍符合要求時，應(yīng)選擇密封材料。

4.2 提高道路的傳荷能力

通過采用增強材料修復(fù)、斜植傳力桿法、切槽安裝傳力桿法、帶蓋法和設(shè)置傳力桿、拉桿的全深度補塊法，提高道路縱向裂紋的傳荷能力。

4.3 植筋加固

對于面板上有一個裂縫，裂縫部分沒有明顯下沉（縱向裂縫），可以選擇使用植筋灌漿封閉法。在進行植筋加固前，應(yīng)確認(rèn)面板是否存在間隙。如果面板有間隙，應(yīng)灌漿間隙，然后進行植筋加固。

4.4 脫空灌漿

當(dāng)水泥混凝土路面板存在縱向裂縫時，應(yīng)進行灌漿處理。施工工藝主要包括鉆孔、封閉灌漿和填充孔。

5 結(jié)論

基于文獻(xiàn)收集和測量數(shù)據(jù)分析，該文確定了高速公路路面參數(shù)裂縫的影響因素，并分析了因素與路面變化的關(guān)系。最后，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了預(yù)防和控制措施，主要結(jié)論如下：

（1）高速公路右側(cè)路面出現(xiàn)裂縫的原因包括路面混凝土表面強度低、表面層薄、混凝土板底部缺失，以及車輛對路面的負(fù)荷。

（2）當(dāng)路面強度達(dá)到設(shè)計要求后，路面的影響因素由大到小依次為路面厚度、路面荷載、路面強度等級。

（3）在板底脫空時，脫空范圍越大，路面的變形越大，則路面越容易受到損壞。此外，道路材料也是板底脫空后道路損壞的關(guān)鍵因素。道路彈性模量越大，強度等級就越高，則道路損壞的可能性就越小。

（4）該文從提高高速公路強度、降低荷載、解決板底脫空等三個方面提出了養(yǎng)護措施，主要包括選擇合適的裂縫修復(fù)材料、提高道路的傳荷能力、實施植筋加固和脫空灌漿等。

參考文獻(xiàn)

[1]王李佳.高速公路路面水穩(wěn)基層施工技術(shù)分析[J].交通建設(shè)與管理，2024（1）：110-112.

[2]林旭俊，林堅.高速公路瀝青路面病害分析及處治維修[J].居業(yè)，2023（5）： 171-173.

[3]孫向鵬.基于圖像處理的高速路面裂縫識別技術(shù)研究[J].交通世界，2022（33）： 86-88.

[4]趙靜.高速公路路面檢測評價與病害處理措施[J].交通世界，2022（18）： 127-129.

[5]鄭有鳳.基于二維線陣圖像的高速公路瀝青路面病害感知方法研究[D].南京：東南大學(xué).

[6]汪勇.高速公路瀝青路面開裂原因分析與防控措施[J].中國勘察設(shè)計，2021（4）：94-96.

[7]魯彬彬.高速公路養(yǎng)護維修方案及其優(yōu)化設(shè)計研究[J].河南科技，2021（9）：113-115.

[8]陳建軍.高速公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護措施[J].四川水泥，2020（8）：247+249.

[9]李春東.高速公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)的適用性分析[J].四川水泥，2020（6）：61.

[10]杜劍恒.新疆奎屯片區(qū)公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)適應(yīng)性研究[D].西安：長安大學(xué)，2020.

收稿日期：2024-07-11

作者簡介：宮志文（1991—），男，本科，助理工程師，研究方向：公路維護與管理。