新疆博州瀝青混凝土路面破壞原因及預(yù)防措施

馮榮亮，王星晶

(1.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710054；2.新疆雙河勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 博樂(lè) 833400)

1 導(dǎo) 言

瀝青路面是用瀝青材料作為結(jié)合料粘結(jié)礦料修筑面層與各類基層和墊層所組成的路面結(jié)構(gòu)。通過(guò)增加了瀝青混凝土結(jié)合材料的黏聚力，提升了整個(gè)瀝青混合材料的強(qiáng)度，這樣就能夠保證整體瀝青混凝土路面在施工中的質(zhì)量及其安全性。瀝青混凝土路面應(yīng)該具有良好的表面平整、均衡、堅(jiān)硬、力學(xué)強(qiáng)度高、養(yǎng)護(hù)期短、維修方便等特點(diǎn)，在我國(guó)公路和城市道路的建設(shè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著當(dāng)前我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，在瀝青混凝土的路面上仍然存在著更大發(fā)展的空間。瀝青混凝土路面由于行車過(guò)程中產(chǎn)生的荷載和自然環(huán)境等條件下會(huì)直接影響影響路面的穩(wěn)定性與耐久性，針對(duì)瀝青混凝土路面的常見病害進(jìn)行原因研究分析，并從技術(shù)設(shè)計(jì)角度提出預(yù)防措施，從而改善瀝青混凝土路面的使用效率，降低病害發(fā)生。

2 博州環(huán)境

博爾塔拉蒙古自治州(簡(jiǎn)稱博州)位于新疆西北邊陲，天山支脈婆羅科努山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣。地理位置東經(jīng)79°53′～83°53′，北緯44°02′～45°23′。全州地域東西長(zhǎng)315 km，南北寬125 km，總面積2.7萬(wàn)km2，約占新疆維吾爾自治區(qū)總面積的1.7%。博州地處歐亞大陸腹地，西、北、南三面環(huán)山，中間是谷地平原，西部較窄，東部開闊，整個(gè)地形由南、北、西逐漸向中、東部?jī)A斜，并似喇叭狀逐漸開闊。博州屬北天山地槽褶皺帶的一部分，地質(zhì)構(gòu)造線的發(fā)育方向因受緯向構(gòu)造控制，均為東西向。大構(gòu)造單位的形成時(shí)期分為加里東期和海西寧期。在加里東期主要形成別珍套褶皺束，其軸部有大量花崗巖侵人體，兩翼為泥盆系及石炭系地層。地貌特征大致由南北兩側(cè)山地、中部博爾塔拉谷地和東部艾比湖盆地這三個(gè)較大的地貌單元組成。

博州地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的北溫帶大陸性干旱氣候。主要的氣候特點(diǎn)之一是季氣溫日、年比較差大，夏季炎熱，冬季寒冷；春季季節(jié)氣溫反復(fù)下降回升快且氣溫變化不穩(wěn)定，秋季季節(jié)降溫迅速；冬季降水稀少、分布不均，蒸發(fā)量和流動(dòng)量大，空氣干燥，光照充足；夏季多急性雷陣雨和急性冰雹，春秋季多強(qiáng)烈暴雨大風(fēng)，冬季多連密集陰雨大霧。博州境內(nèi)的年度月平均氣溫一般會(huì)隨著當(dāng)?shù)睾０蔚牟粩嘣鲩L(zhǎng)和氣溫升高而逐漸有所應(yīng)的降低，海拔每年會(huì)增長(zhǎng)100 m，年度的平均氣溫一般會(huì)下降0.3～0.4 ℃。由于中國(guó)地勢(shì)基本上都已經(jīng)是一個(gè)西高東低，因而年均氣溫幾乎都會(huì)從東到西逐步向上降低。根據(jù)歷年博州各級(jí)氣象站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：年各月平均氣溫為7.2 ℃，極端極高最低氣溫為41.3 ℃，極端極高最低氣溫-36.4 ℃；年各月平均累計(jì)降水量為91.5 mm，最大年平均累計(jì)降水量為163.9 mm，最小年各月平均降水量一般設(shè)計(jì)為23.5 mm，降水多主要集中在春夏這一個(gè)降雪季節(jié)，3～8月的年平均降水量63.3 mm，占博州全年各月平均降水量的75%；年均積雪厚度≥5 cm的31.6 d，歷年積雪最大厚度13 cm；最大凍土深度為15 cm，多年平均凍深115 cm。

從博州交通運(yùn)輸局的數(shù)據(jù)調(diào)查中獲悉，2020年全州建設(shè)修建公路的總里程為3 345 km，全州建設(shè)公路總里程達(dá)8 971 km，三級(jí)以上公路占總里程的54%，其中81.4%的公路均采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)。

3 常見病害原因及預(yù)防

3.1 裂縫

在瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)中，裂縫是屬于最為常見的一種病害，常見的裂縫主要有橫向裂縫、縱向裂縫以及網(wǎng)狀裂縫。路面一旦出現(xiàn)裂縫如若未及時(shí)進(jìn)行處理，隨著雨雪水的侵蝕、溫度的升降及行車荷載等因素的作用，裂縫也將變的更加嚴(yán)重，直接影響到道路結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，導(dǎo)致路面的承載力下降，并隨之發(fā)生其他病害。

(1)橫向裂縫

橫向裂縫一般有荷載型裂縫和非荷載型裂縫兩類，其中荷載型裂縫主要特點(diǎn)是先在路面底層發(fā)生，逐漸向上反射至表面。產(chǎn)生的原因主要有：①設(shè)計(jì)不合理，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承載能力不滿足實(shí)際使用能力；②施工質(zhì)量低劣，未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使得道路結(jié)構(gòu)承載力偏低；③車輛超載行駛，車輛荷載超出道路承載力。這些路段的斷裂都是因?yàn)槁访嫔纤a(chǎn)生的拉應(yīng)力大大地超出了路面上的疲勞強(qiáng)度。非荷載型裂縫主要有瀝青面層收縮裂縫和基層反射裂縫兩類：面層收縮裂主要因冬季氣溫驟變導(dǎo)致面層收縮，在溫度應(yīng)力的影響下反復(fù)發(fā)展，產(chǎn)生裂縫，基層反射裂縫主要原因是由于半剛性基層首先開裂，向上反射發(fā)展和擴(kuò)張致使路面產(chǎn)生裂縫。橫向裂縫的間距是由當(dāng)?shù)氐臍鉁丶盀r青表面層和半剛性基層之間的抗拉強(qiáng)度而定。

(2)縱向裂縫

縱向裂縫的形成原因主要包括：①道路施工時(shí)分幅攤鋪，而且攤鋪機(jī)之間的間距過(guò)大，導(dǎo)致接茬處未處理好；②由于路基壓實(shí)度不均勻或由于路基兩側(cè)邊緣受水侵蝕而直接產(chǎn)生不均勻的沉降；③由于輪載誘發(fā)的瀝青表面徑向拉應(yīng)力、溫度和瀝青結(jié)構(gòu)老化等原因?qū)е碌膭哦炔町悺r青老化降低混合料拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變而引起的Top-down裂縫。

(3)網(wǎng)狀裂縫

由于瀝青路面整體承載力強(qiáng)度不足，引起的路面裂縫，主要原因有以下幾點(diǎn)：①瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，路基路面壓實(shí)度不夠，路面材料配合比不當(dāng)或材料拌合不均勻；②瀝青路面出現(xiàn)局部橫向、縱向裂縫后未及相應(yīng)材料進(jìn)行封閉填充，導(dǎo)致水向下滲透，產(chǎn)生材料剝離或凍融，加劇裂縫；③瀝青施工及長(zhǎng)期使用導(dǎo)致出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

(4)裂縫預(yù)防措施

根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，在博州地區(qū)，除了荷載之外，水和溫度的影響也是非常重要的。博州地廣人稀，多數(shù)路段缺少道路交通量真實(shí)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)時(shí)，除考慮當(dāng)?shù)厝丝诩败囕v保有量等因素作為計(jì)算依據(jù)外，還要綜合考慮該地區(qū)已經(jīng)修建道路的使用情況，借鑒當(dāng)?shù)剡\(yùn)行狀況良好道路的路面結(jié)構(gòu)，合理選擇瀝青材料及骨料級(jí)配，優(yōu)化道路材料設(shè)計(jì)，根據(jù)道路等級(jí)、交通組成、行車荷載等級(jí)及自然條件設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)層厚度，可以有效抵御基層裂縫的發(fā)射延伸、減少車輛荷載所引起的剪力效應(yīng)；不管是地下水還是地表水，都會(huì)在某種程度上影響瀝青混凝土路面的穩(wěn)定，根據(jù)博州地區(qū)的地質(zhì)情況，道路周邊環(huán)境以戈壁灘或耕地為主，加之博州氣候干燥，即使在雨季，降雨也會(huì)很快滲入地下和蒸發(fā)，所以在道路設(shè)計(jì)時(shí)，要合理考慮路線的縱坡和路面標(biāo)高，確保路面雨雪水能及時(shí)順利排至道路兩側(cè)，同時(shí)設(shè)置路邊排水設(shè)施，最大程度減少地表水對(duì)路面的損害破壞；博州晝夜溫差大，夏冬季節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，夏季溫度過(guò)高，路表面受溫度影響會(huì)膨脹，路面結(jié)構(gòu)又會(huì)約束這種膨脹，增大道路表面的拉應(yīng)力，從而出現(xiàn)裂縫，冬季溫度過(guò)低，尤其夜間溫度更低，瀝青隨溫度的降低而收縮，同時(shí)瀝青路面整體會(huì)變的又硬又脆，白天隨著溫度的升高，這種收縮相應(yīng)減輕，如此反復(fù)，最終會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫，面對(duì)溫度的不利影響，筆者認(rèn)為博州這種特殊氣候情況，應(yīng)該合理選擇瀝青標(biāo)號(hào)，使材料性能適合當(dāng)?shù)氐臏乜s影響，減少因溫度影響出現(xiàn)道路裂縫。

3.2 鹽堿土

鹽堿土主要有兩個(gè)成土階段，即鹽化過(guò)程和堿化過(guò)程，所以當(dāng)土壤中的中性鹽大量在毛管水中積累或者達(dá)到某種濃度時(shí)，在土壤中的毛管水作用下，其鹽分會(huì)隨水流動(dòng)而上升至土壤地表，主要的土壤中鹽分有氯化物和硫酸鹽，土壤pH為中性，稱之為鹽土堿土主要是在土壤的堿化反應(yīng)中形成的，土壤在堿性或者水溶液的相互作用下，產(chǎn)生了鈉鹽，使得土壤中的膠體與其之間發(fā)生鈉-鈣的交換，當(dāng)土壤中膠體上的鈉-磷離子含量達(dá)到一定的比例，土壤pH值大于9.0，使得土壤具有強(qiáng)烈的堿性，土壤的物理特征會(huì)發(fā)生變壞，就可以形成了堿土。博州地區(qū)屬于典型的北溫帶大陸性干旱氣候，降雨量小，蒸發(fā)流動(dòng)量大，加之博州地區(qū)整體地勢(shì)不平坦，在降雨比較集中的季節(jié)，土壤中的大量鹽堿成分均可以溶于水中，并從高處向低洼處進(jìn)行匯集，隨著空氣溫度的升高，蒸發(fā)速率過(guò)快，部分鹽分會(huì)隨毛管水從低處轉(zhuǎn)移至高處，致使高處積鹽相對(duì)嚴(yán)重。同時(shí)，博州地區(qū)的水質(zhì)礦化度相對(duì)較高，而且地下水埋深越淺的地方，水質(zhì)礦化度越高，當(dāng)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量時(shí)，土壤中的水分和礦物質(zhì)將會(huì)離析，最終形成鹽堿土。經(jīng)調(diào)查，博州地區(qū)農(nóng)村公路中有近22%路段建設(shè)在鹽堿土上。受鹽堿土影響，有可能會(huì)降低道路的穩(wěn)定性，出現(xiàn)路基溶陷、鹽脹、翻漿等危害。

(1)溶陷

雖然鹽堿土在干旱環(huán)境下其強(qiáng)度的表現(xiàn)相對(duì)良好，但是在土壤含水率逐漸增加的情況下，路基土層中的結(jié)晶物和硅酸鹽大量溶解，土壤之間的孔隙逐漸增大，受到了土壤的自重和行車時(shí)的荷載等各種多方面原因的影響，導(dǎo)致了土體產(chǎn)生明顯的溶陷現(xiàn)象，隨著氣候溫度的升高，出現(xiàn)了持續(xù)性的吸收和溶解，從而直接造成了路基土層溶陷失穩(wěn)。

(2)鹽脹

鹽脹通常被認(rèn)為是由于鹽經(jīng)過(guò)結(jié)晶后迅速膨脹所致，并且一旦路基發(fā)生鹽脹，會(huì)使得路基表面呈現(xiàn)肉眼能夠看到的膨脹高度，給駕駛者的行車安全造成了較大隱患。博州地區(qū)鹽堿土的快速膨脹主要原因是由于溫度變化所致，因?yàn)樵摰貐^(qū)的晝夜溫差及四季平均氣候的溫差都非常大，氣溫變得更高時(shí)鹽分的溶解度就會(huì)逐漸增大，相應(yīng)地析出的結(jié)晶就比較少，當(dāng)其溫度下降時(shí)，鹽分的溶解度也會(huì)逐漸降低，從而導(dǎo)致鹽堿土出現(xiàn)大量的結(jié)晶，在這個(gè)過(guò)程中鹽堿土?xí)霈F(xiàn)明顯的體積膨脹，當(dāng)其溫度又繼續(xù)升高時(shí)，鹽分就會(huì)被溶解，土壤體積減小，導(dǎo)致土體疏松，如此反復(fù)，導(dǎo)致路基出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

(3)翻漿

翻漿通常是發(fā)生在冬春相鄰的交替期間，隨著春天和夏季氣溫的增加而升高，博州地區(qū)春季時(shí)間短，冬季過(guò)完很快就到夏季，導(dǎo)致路面上層的結(jié)構(gòu)要先融化于下層的結(jié)構(gòu)，在行駛和荷載作用下，路基可能會(huì)變得濕軟、強(qiáng)度降低的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂縫、泥漿等造成路面泥濘不堪。

(4)鹽堿土預(yù)防措施

我國(guó)對(duì)公路工程施工中遇到土壤鹽堿土的治理技術(shù)和應(yīng)用方法已經(jīng)很成熟，最常見的方法有：隔斷和分層法、提高路基法、浸水預(yù)溶法、強(qiáng)夯法和換填法等。針對(duì)博州地區(qū)的特殊地質(zhì)情況和道路使用性質(zhì)，建議在設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用卵石隔斷層法、提高道路路基法和換填法，同時(shí)可以多種方法綜合使用。隔斷層法使用材料很多，如土工布、瀝青砂等隔水材料或河沙、礫石、卵石透水材料等，結(jié)合博州地區(qū)礦料資源，有大量的卵石等大粒徑天然石材可以選用。卵石作為隔離層，使降水快速下滲，不會(huì)形成毛管水，減輕鹽堿結(jié)晶。在滿足路基強(qiáng)度的同時(shí)，通過(guò)卵石做為隔離層，卵石粒徑自下向上依次減小，這樣既保證基礎(chǔ)穩(wěn)定，又不會(huì)導(dǎo)致上層結(jié)構(gòu)材料填滿卵石層空隙減弱隔離作用。提高路基高度主要是可以減少路基中水分和鹽分的含量，從而減輕鹽堿土的病害影響，但是考慮博州道路的主要作用，部分路段的標(biāo)高要與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，這就造成了提高路基高度的方法有一定的局限性。換填法是指將路基中的鹽堿土挖出，回填一定的良性砂礫材料作為路基。博州地區(qū)天然砂礫儲(chǔ)量豐富，在道路設(shè)計(jì)工作中，用天然砂礫作為換填層是常見的做法，可以有效的減輕鹽堿土對(duì)路基造成的危害。現(xiàn)實(shí)情況多為復(fù)雜，我們通常多種方法綜合使用，最大程度的減少不良病害。

4 結(jié) 語(yǔ)

瀝青混凝土路面常見病害，基本上都是從小至大，從輕微到嚴(yán)重的漸變過(guò)程，病害發(fā)生前期如果足夠重視，可以避免其發(fā)展成為嚴(yán)重的路面損壞。而道路設(shè)計(jì)是整個(gè)建設(shè)過(guò)程中首先進(jìn)行的工作，本文主要通過(guò)對(duì)瀝青混凝土常見的兩種病害進(jìn)行分析，針對(duì)博州地區(qū)的氣候和料場(chǎng)情況進(jìn)行分析，對(duì)不同病害采取合適措施，將病害影響降至最低，達(dá)到提高道路服務(wù)水平和延長(zhǎng)道路使用壽命的目的。