■黃國(guó)凱

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

0 引言

目前我國(guó)許多地區(qū)水泥混凝土路面狀況不好，其中一個(gè)主要原因就是道路的交通量和交通荷載特性發(fā)生了顯著變化，服務(wù)的交通特性超過(guò)設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)，使得出現(xiàn)路面的破壞現(xiàn)象[1]。除了目前我國(guó)水泥混凝土路面研究和設(shè)計(jì)理論方法自身的局限以外，福建省也有自身的區(qū)域性原因。

福建省干線公路上廣泛采用水泥混凝土路面，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，重載交通、汽車超限超載己是普遍存在的問(wèn)題，這也是路面損壞的一個(gè)重要原因。很多路面出現(xiàn)斷裂、唧泥、錯(cuò)臺(tái)等破壞，使路面使用壽命大大縮短，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了更好的進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還要有針對(duì)性考慮福建地區(qū)特有的局部成因等對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，因地制宜的指導(dǎo)福建省公路水泥路面的設(shè)計(jì)和施工。于是，本文通過(guò)對(duì)福建各地區(qū)的水泥混凝土路面病害情況展開調(diào)查，介紹了重載交通下的福建省水泥混凝土路面破壞的典型病害類型及特點(diǎn)，并對(duì)這些典型病害的原因進(jìn)行了討論。

1 福建重載交通水泥路面典型病害

1.1 福建省各地區(qū)水泥混凝土路面病害情況

結(jié)合福建省國(guó)省干線公路水泥混凝土路面病害情況調(diào)查， 主要對(duì)福州（G104，G316，G324，S201，S202，S203，S305 路線）、南平（G205，G316，S204，S205，S302，S303 路線）、 寧德 （G104，G316，S301 路線）、 莆田（G324，G325，G326，S201，S202，S306 路線）、 漳 州（G319，G324，S201，S207，S208，S301 路線）、廈門（G319，G324，S206 路線）、三明（G205，G316，S208，S306 路線）等地的水泥混凝土路面病害展開了調(diào)查。限于篇幅，本文以福州地區(qū)和南平地區(qū)的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)為例，對(duì)水泥混凝土路面的病害情況進(jìn)行介紹。

根據(jù)對(duì)福州地區(qū)的 G104，G316，G324，S201，S202，S203，S305等路線進(jìn)行的調(diào)查，G104破壞總里程為75.764km，G316破壞總里程為7.204 km，G324破壞總里程為6.225 km，S201破壞總里程為74.706 km，S202破壞總里程為0.282 km，S203破壞總里程為3.919 km，S305破壞總里程為12.658 km。路面板破壞類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、路面的典型病害類型分布見(jiàn)表1和表2及圖1。

表1 福州地區(qū)面板破壞類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（單位：km）

表2 福州地區(qū)破壞程度所占比例（單位：km）

圖1 福州地區(qū)路面病害情況

根據(jù)南平地區(qū)的 G205，G316，S204，S205，S302，S303路線進(jìn)行了調(diào)查，G205破壞總里程為159.609km，G316破壞總里程為132.744km，S204破壞總里程為90.581km，S205破壞總里程為 41.523km，S302破壞總里程為3.608km，S303破壞總里程為30.081km。路面板破壞類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、路面的典型病害類型分布見(jiàn)表3和表4及圖2。

表3 南平地區(qū)面板破壞類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（單位：km）

表4 南平地區(qū)破壞程度所占比例（單位：km）

圖2 南平地區(qū)路面病害情況

1.2 福建省水泥路面典型病害類型及特點(diǎn)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)福建省水泥路面出現(xiàn)的主要典型病害類型有橫向裂縫、縱向裂縫、板角斷裂等。通過(guò)重點(diǎn)走訪、普查G316、G319、G324及南平環(huán)城路等重載交通路段，發(fā)現(xiàn)重載交通下的福建省水泥混凝土路面破壞有以下特點(diǎn)：

（1）重載道路水泥路面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)年限，出現(xiàn)過(guò)早破壞。福建省目前一般重載道路使用壽命12～13年，重車嚴(yán)重的道路使用3～5年即出現(xiàn)病害，并且路面板破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖3所示。使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)年限。

圖3 福建省水泥路面?zhèn)€別路面板破碎情況

（2）引起重載道路水泥路面出現(xiàn)裂縫的原因多樣。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥路面使用過(guò)程中存在由于路基側(cè)向變形引起的路面開裂；使用多年并且路況較好的路段在重載交通下出現(xiàn)突然性破壞現(xiàn)象；根據(jù)道路管理部門反映，即使基層修筑的平整，依然會(huì)出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

（3）病害中非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制的病害占到了很大比例?，F(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所控制的斷裂是以板中部橫向開裂形式為主的疲勞斷裂，但福建省的路面病害中除了板中橫向開裂外，還出現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所控制的斷裂或病害。板中裂縫只占到了1/5左右，同時(shí)還出現(xiàn)了橫向裂縫、縱向裂縫、板角裂縫為主的非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所控制的病害，并且三者病害出現(xiàn)數(shù)量大致相當(dāng)。

2 福建水泥路面病害成因分析

水泥路面病害的產(chǎn)生基本都是多種因素綜合作用，總結(jié)起來(lái)，水泥混凝土路面過(guò)早破壞一般和以下幾個(gè)方面有關(guān)：①設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)與服務(wù)的交通特性不匹配；②水泥路面設(shè)計(jì)不合要求；③施工質(zhì)量；④養(yǎng)護(hù)不足。福建省水泥路面病害的產(chǎn)生主要取決于前面三個(gè)原因，其中重載交通、汽車超限超載是導(dǎo)致路面過(guò)早破壞的誘導(dǎo)因素，暴露了以往路面設(shè)計(jì)、施工中的薄弱環(huán)節(jié)。本節(jié)主要從重載交通情況、水泥路面的設(shè)計(jì)、施工以及福建省水泥路面自身存在問(wèn)題分析水泥路面病害產(chǎn)生的原因。

2.1 重載交通情況嚴(yán)重

近年來(lái)福建省各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，道路的交通量和交通荷載特性發(fā)生了顯著變化。但限于水泥路面研究不足，交通荷載的統(tǒng)計(jì)與預(yù)估觀測(cè)精度未受重視，計(jì)算和預(yù)估水平很低，很難準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)估各條道路準(zhǔn)確的交通量等交通特性。很多地區(qū)基本都是按照特重交通、重交通幾個(gè)等級(jí)來(lái)設(shè)計(jì)路面，10余年用一種典型結(jié)構(gòu)。而實(shí)際上路面的破壞與交通特性、軸型類型等有很大關(guān)系，規(guī)范使用的軸載換算公式不能反映多種路面情況。

福建地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)任務(wù)重，各種礦藏、大型廠礦，直接導(dǎo)致重載交通現(xiàn)象十分突出。重載交通的含義是：貨車比例高，軸載重，超載多，對(duì)路面結(jié)構(gòu)和路基的穩(wěn)定性要求高[2]。由圖4所示南平環(huán)城路軸載調(diào)查圖可以看出，貨車占75.5%，貨車中又以圖5所示后一軸解放大貨車占最大比例，此種車輛對(duì)路面損害最為嚴(yán)重。

圖4 南平環(huán)城路重載交通車輛車型分布

圖5 福建省重載交通車輛

重載交通下高軸載、高輪胎壓力、多輪軸載綜合作用以及車輛的專用化帶來(lái)了斷板、唧泥以及脫空等問(wèn)題。由于水泥路面基礎(chǔ)不扎實(shí)、排水不暢，在過(guò)大壓力下導(dǎo)致路基沉陷，積水、沖刷脫空、斷板等多個(gè)問(wèn)題相互聯(lián)系在一起，進(jìn)一步加劇了水泥路面的破壞。傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、施工和研究發(fā)展的速度跟不上現(xiàn)代交通的發(fā)展速度，并且目前規(guī)范對(duì)車輛超載超限估計(jì)不足，重載、超載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的受力和使用產(chǎn)生了與規(guī)范設(shè)計(jì)預(yù)期的明顯不同的影響，從而使得我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)理論不適用于重載道路的路面設(shè)計(jì)。然而目前我國(guó)也無(wú)專門的重載道路路面專用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此必須對(duì)新交通形式下的水泥路面結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能進(jìn)行研究，通過(guò)科學(xué)研究并采取相應(yīng)的措施來(lái)改善路面質(zhì)量。

2.2 水泥路面設(shè)計(jì)理論與研究的不足

水泥混凝土板擱置在基層、底基層、土基上，各層位功能存在相互作用，是一個(gè)復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)水泥混凝土路面設(shè)計(jì)理論和研究水平對(duì)于描述其受力機(jī)理、傳力構(gòu)造設(shè)置還存在很多不足[3]，直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工和材料選擇上的盲區(qū)。

2.2.1 現(xiàn)有路面分析設(shè)計(jì)方法的不足

（1）沒(méi)有專門的水泥混凝土路面分析程序。水泥混凝土路面存在多種工況，但我國(guó)目前在水泥混凝土路面多種工況下的設(shè)計(jì)計(jì)算可利用的工具有限[4]。大型通用有限元程序存在建模周期長(zhǎng)、費(fèi)時(shí)多等特點(diǎn)，很難實(shí)用化。而相比之下，美國(guó)則在此方面已積累了很多成果，而且已有很多專用的有限元程序。Kenslab、EverFE、Jslab、islab2000已進(jìn)入實(shí)用化。

（2）沒(méi)有考慮固化翹曲。國(guó)外已在很早以前已開始關(guān)注發(fā)現(xiàn)路面的固化翹曲現(xiàn)象，并在設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，然而我國(guó)這方面的還處于起步階段[5]。實(shí)際上考慮固化翹曲的影響可以解決很多目前我國(guó)規(guī)范無(wú)法解釋的現(xiàn)象，特定路段的特定路面結(jié)構(gòu)在一定的交通荷載下會(huì)產(chǎn)生特定的病害類型。

（3）基層設(shè)計(jì)和要求研究不足?；鶎訜o(wú)厚度設(shè)計(jì)方法；強(qiáng)度、剛度、抗疲勞的耐久性、耐沖刷特性。抗沖刷能力不足；無(wú)明確的設(shè)計(jì)方法和控制指標(biāo)；界面特性研究存在缺陷。

2.2.2 路面破壞外在因素的性狀描述不準(zhǔn)確

水泥混凝土路面破壞的外部因素主要是嚴(yán)酷的環(huán)境因素（溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)）和重復(fù)的重交通動(dòng)力荷載作用。但目前我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)溫度場(chǎng)的描述過(guò)于簡(jiǎn)單，也導(dǎo)致諸如福建省的病害特點(diǎn)無(wú)法解釋。

目前規(guī)范中溫度應(yīng)力是與荷載應(yīng)力分離計(jì)算然后合并在一起，實(shí)際上這里忽視了溫度場(chǎng)與荷載的耦合作用影響。事實(shí)上，這兩種應(yīng)力計(jì)算方法有很大不同。雖然目前囿于研究水平，路面設(shè)計(jì)方法只是單純相加，但可以想象，這種計(jì)算方法是不能準(zhǔn)確描述荷載作用特性的。并且福建各地大部分地區(qū)溫度場(chǎng)計(jì)算過(guò)分倚重規(guī)范，沒(méi)有建立自己地區(qū)氣候公式，使得計(jì)算誤差無(wú)從得知。

2.2.3 早期齡期行為及對(duì)長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)性能的影響顯著

近年來(lái)，許多國(guó)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，水泥混凝土路面施工階段的質(zhì)量和早期性能（鋪筑后的72h），對(duì)于路面的長(zhǎng)期行為十分重要[6]。了解水泥路面的早期齡期行為，以及對(duì)路面長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)性能的影響十分重要。路面設(shè)計(jì)、材料和配合比設(shè)計(jì)、環(huán)境、施工工藝等因素均影響路面水泥混凝土路面的早期齡期行為，而在這些因素綜合作用下形成的路面早期齡期狀態(tài)，將直接影響路面長(zhǎng)期性能，如：接縫和裂縫的張開量、固化翹曲、水分散失誘發(fā)的表面開裂等。目前無(wú)論從水泥路面的設(shè)計(jì)，還是施工，沒(méi)有深入的挖掘和理解路面混凝土鋪筑時(shí)的72h內(nèi)的早期齡期性狀對(duì)長(zhǎng)期性能的影響關(guān)系，從而在施工時(shí)，對(duì)環(huán)境因素的考慮、養(yǎng)生、鋸縫、配合比、材料組成等方面存在很大的盲目性。

2.3 施工與材料變異性問(wèn)題考慮不足

雖然我國(guó)水泥混凝土路面機(jī)械化水平在不斷提高，但由于材料來(lái)源的局限性，材料變異性大帶來(lái)的水泥混凝土路面問(wèn)題仍然突出，欠振、漏振面板欠密實(shí)，路基變異性大，處理不足導(dǎo)致基層頂面彎沉變異性大等問(wèn)題往往導(dǎo)致同一塊面板取芯劈裂強(qiáng)度仍然變異性很大。

材料供應(yīng)精細(xì)化程度不高，水泥的路用品質(zhì)要求不嚴(yán)，水泥混凝土路面中的外加劑和摻和料使用混亂，混凝土配合比精度不夠，新拌混凝土攪拌不充分、色澤不一。不少路面因局部混凝土質(zhì)量較差，存在著強(qiáng)度偏低，磨損相當(dāng)嚴(yán)重，表面裸露骨料，局部成坑，平整度嚴(yán)重劣化等現(xiàn)象。

2.4 福建省本地區(qū)自身存在問(wèn)題

近幾年福建省水泥路面材料要求趨嚴(yán)格，并且嚴(yán)格控制厚度和強(qiáng)度，其中路面厚度，需達(dá)到24cm以上。積極推廣采用外加劑，采用材料機(jī)械化計(jì)量，推廣采用三輥軸機(jī)械施工降低變異性，重視嵌縫料的研發(fā)和及時(shí)灌縫，加大科研力度。目前建造和養(yǎng)護(hù)工藝水平較以前有較大改變和提高，但福建省水泥混凝土路面仍然存在自身的不足。

2.4.1 福建地區(qū)環(huán)境惡劣

福建地處亞熱帶氣候、氣溫高、降雨量大；這些對(duì)于道路施工和基層沖刷都極為不利。接縫處密封不好，排水不暢，導(dǎo)致了基層、路基軟化，造成唧泥、錯(cuò)臺(tái)和啃邊，路面平整度差，行車舒適性差[7]。

2.4.2 基層支撐欠穩(wěn)固

福建山嶺眾多，道路路基填方、挖方、半填半挖的形式眾多，路基沉陷，路基和基層支撐欠穩(wěn)固。路面板出現(xiàn)了大量的斷板破壞，這是因?yàn)橹巫冃瘟砍隽寺访姘逅苋萑痰南薅取＼浕吞钔诜浇惶嫣幚聿缓?，填方路基局部軟化甚至塌陷造成的斷板破壞?；鶎邮彝?、水泥土等材料抗沖刷能力不足，大量使用“兩黑一白”滲透水的“蓄水槽”橫斷面結(jié)構(gòu)，水破壞導(dǎo)致路面斷板的情況相當(dāng)嚴(yán)重。

2.4.3 路面結(jié)構(gòu)薄弱

根據(jù)對(duì)福建省福州、南平的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)兩地的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)類型如表5所示。這些路面結(jié)構(gòu)不適應(yīng)超重軸載重交通量，結(jié)構(gòu)種類單一，總體結(jié)構(gòu)偏弱，按原行《水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》明顯存在彎拉強(qiáng)度和設(shè)計(jì)板厚不足的問(wèn)題。

表5 福建省福州、南平水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)類型

2.4.4 設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題

目前福建省內(nèi)道路設(shè)計(jì)不夠精細(xì)，不能區(qū)分不同路基支撐條件和不同交通軸載情況下的路面結(jié)構(gòu)不同，十幾年使用一套標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖。

路面基層無(wú)厚度設(shè)計(jì)方法，路面結(jié)構(gòu)單一，沒(méi)有考慮路面早期齡期施工對(duì)路面長(zhǎng)期性能的影響。

如圖6所示，福建省內(nèi)水泥路面結(jié)構(gòu)的縮縫處均未設(shè)置傳力桿，導(dǎo)致重載下傳荷能力不足。

目前，福建省內(nèi)道路路面基層抗沖刷能力不足，沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)方法和控制指標(biāo)，界面特性研究存在一定的缺陷。

圖6 縮縫處傳荷機(jī)理

3 結(jié)語(yǔ)

隨著福建省各地經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，福建交通行業(yè)得到了巨大的提升，但水泥路面依然是福建地區(qū)內(nèi)國(guó)道、省道主要的路面結(jié)構(gòu)形式。為了確保水泥路面的行車安全、舒適，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水泥路面病害的調(diào)查、分析，并尋找相應(yīng)的對(duì)策。通過(guò)對(duì)福建福州、南平等地的水泥混凝土路面病害情況展開調(diào)查，并結(jié)合福建省國(guó)省干線公路水泥混凝土路面病害情況發(fā)現(xiàn)，橫向裂縫、縱向裂縫、板角裂縫為主的非結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)控制的病害是福建省水泥路面的主要病害。通過(guò)對(duì)病害的原因分析可以發(fā)現(xiàn)，重載交通、汽車超限超載是導(dǎo)致路面過(guò)早破壞的誘導(dǎo)因素，暴露了以往路面設(shè)計(jì)、施工中的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，福建省在氣候、地基方面存在天然的不足，在設(shè)計(jì)上也存在路面結(jié)構(gòu)薄弱等問(wèn)題?；诖?，開展福建地區(qū)重載交通荷載統(tǒng)計(jì)、進(jìn)一步精細(xì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)新的交通發(fā)展需求已越發(fā)的重要。

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[2]戴學(xué)臻，蔣應(yīng)軍.水泥混凝土路面重載與重載交通的界定方法.公路，2009，2，56-60.

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