甘肃省陇东黄土地区农村公路病害分析及防治措施

陈成桂 武红娟* 张 强 马 斌

1.西北民族大学土木工程学院 甘肃兰州 730030;2.甘肃省公路事业发展中心 甘肃兰州 730030

1 概述

在我国公路建设中,水泥混凝土路面因强度高、力学性能稳定等优势,使其成为路面的主要类型之一,得到越来越多的重视[1]。据统计甘肃省的水泥混凝土农村公路通车里程达12万千米,经过近十年的运行使用,交通量剧增,汽车轴载日益重型化,由于不良天气和养护不规范、不到位以及设计、施工等多方面的原因[2-7],水泥路面不同程度出现断板、错台、沉陷、板底脱空等道路病害[8-10]。甘肃省在“十四五”期间实施自然村组通硬化路5.5万千米农村公路。为了保证新建公路的质量,确保在设计期限内路面保持良好的通行状态,对甘肃省现行农村公路进行病害调查,找到黄土高原地区的路面病害特点,分析病害产生的原因,找到针对性的防治措施,为新建农村路铺筑提供建议。

2 旧水泥混凝土路面病害调查

甘肃省黄土大部分是湿陷性黄土,湿陷性黄土渗水性高,遇水容易膨胀,干燥容易收缩,在反复收缩和膨胀的应力下,面板容易产生病害。陇东地区更是典型黄土地貌,运营农村公路已经出现各种病害。为研究陇东黄土地区的农村公路病害情况,挑选四条有气候代表性的四条公路(见表1),进行农村公路进行病害调查。

表1 四条公路的气候特点

根据《公路技术状况评定标准》JTG5210-2018具体划分状况,将水泥混凝土路面病害分为破碎板、裂缝、板角断裂等11种病害[11]。采用西安长大公路养护技术有限公司提供的检测车,检测车可以进行路面病害自动识别与标记,自动计算、统计与汇总,并自动形成相关的表2。

表2 病害统计表

通过表2可以看出陇东黄土地区农村公路主要破碎板、裂缝、板角断裂和露骨病害。

3 旧水泥混凝土路面主要病害类型

通过调查发现陇东黄土地区的四条公路主要病害是要破碎板、裂缝、板角断裂和露骨。针对病害特点分析,并且分析病害产生的形状。下图1是四种病害面积占整条公路病害面积的比例折线图。

图1 四条公路各种病害面积占每条公路病害面积比例折线图

3.1 破碎板病害

《公路技术状况评定标准》中被交叉裂缝分割为三块以上路面板被称为破碎板。从图1折线图看出每条公路破碎板病害占比各不相同。城白公路破碎板病害面积占整个病害面积的41.8%,西连路破碎板病害面积占西连路病害面积95.8%,李家坪至吊装庄公路破碎板病害面积占整个病害面积的24.5%,海榆公路破碎板病害面积占总病害面积的48.2%。其中永登县西连路破碎板面积占比最大,李家坪至吊装庄公路破碎板病害面积占比最小。

3.2 裂缝病害

根据《公路技术状况评定标准》中将板块上只有一条裂缝定义为裂缝病害,从上图1中看出,城白公路裂缝病害面积占整个病害面积的46.3%,西连路裂缝病害面积占西连路病害面积3.5%,李家坪至吊装庄公路裂缝病害面积占整个病害面积的40.7%,海榆公路裂缝病害面积占总病害面积的47.6%。除西连路裂缝病害面积占比3.5%外,其他三个区域裂缝面积占超过40%。

3.3 板角断裂病害

在《公路技术状况评定标准》中板角断裂是裂缝和纵横接缝相交,并且交点的位置小于或者等于板边长度一半。根据上述图1折线图看出,城白公路板角断裂病害面积占整个病害面积的3.1%,西连路板角断裂病害面积占西连路病害面积0.7%,李家坪至吊装庄公路板角断裂病害面积占整个病害面积的3.4%,海榆公路板角断裂病害面积占总病害面积的4.1%,四条公路上面积占比都较少。

3.4 露骨病害

露骨是路面板的表面细集料损失,裸露出来粗骨料。从上述图1折线图看出,城白公路露骨病害面积占整个病害面积的6.1%;李家坪至吊装庄公路露骨病害面积占整条公路病害面积的30.4%,露骨病害在四条路中占比最高。西连路和海榆公路没有出现露骨病害。

4 旧水泥混凝土路面病害原因分析

甘肃省黄土地区主要病害是破碎板、裂缝、板角断裂和露骨,为探索黄土地区农村公路病害产生原因,本文将从自然环境、交通条件、路面结构、施工质量和养护管理等多种因素共同作用形成的。从多种病害影响因素中探讨水泥混凝土路面的破损病害产生原因。

4.1 自然气候条件

四条公路地处黄土高原,地形复杂,山脉纵横交错。海拔都在1000米以上,群山环绕,是山地高原环境。四个地区的冻结期日数,甘谷县131日、永登县126日、和政县127日、会宁县117日。四个地区的春融期日数,甘谷县29日、永登县22日、和政县25日、会宁县19日。四个地区的年降雪日数,甘谷县48.8日、永登县31.3日、和政县43.1日、会宁县43.3日。四个地区的年降水量≥3mm日数,甘谷县35.5日,永登县31日,和政县49.9日,会宁县34.5日。陇东地区冻结期日数都高于100天,甘肃省气候特点白天温度高日照强,晚上气温低,昼夜温差大,混凝土路面板膨胀收缩次数高,在反复的应力作用下,路面会出现裂缝,再经过车辆荷载作用形成破碎板病害,造成四条公路破碎板占比高。

4.2 重载交通影响

农村公路的路基路面结构设计主要服务的是家用小汽车、自行车和小型货车,不针对大型车辆。经过调查发现城白公路、李家坪至吊庄公路、海榆公路交通组成中都是小型车,车辆重量小,在公路承载范围内。在调查的四个区域内永登县的西连路是一条农村公路,发现这条公路边有一个水泥厂,有大型罐车来往运输水泥,农村公路路基路面结构设计不满足大型车,在公路病害中破碎板比例达到95.8%。农村公路运行重型汽车会对道路产生严重的影响,破坏农村公路,产生病害。农村公路的结构不能承受重型车的车辆荷载,产生断板,随着时间推移再加上雨水渗透,路基填料缺失,板底出现脱空,路面板承受重型荷载,路面板破碎,最后发展成破碎板。

4.3 路面结构设计对水泥混凝土路面损坏的影响

四条公路中和政县的李家坪至吊庄公路,路面结构是基层18cm+路面18cm,另外三条道路的路面结构是土基层+面层18cm。土基层虽然能减小土基和路面在车轮荷载作用,但是增加18cm水泥稳定层能更好地承受面层传递的车轮垂直力的作用,并把它扩散到垫层和土基中,更好地支撑路面。在调查的四条公路中,和政县的路面结构是基层加面层,这种结构下破碎板率24.5%小于另外三条路,裂缝率40.7%小于甘谷县和会宁县的裂缝率。

4.4 施工对水泥混凝土路面损坏的影响

甘肃省黄土高原地区,山区多,运输混合料需要的时间长,施工条件差。农村公路等级低,资金相对来说比较少,建设单位多为当地资质较低的单位,施工技术比较薄弱,后期养护管理不够规范。陇东黄土地区土基材料用的是道路上的黄土,土基压实度不够造成承载力不够,路面板形成脱空,在荷载作用下造成断板。农村公路施工为保证流动性加入过多的水,造成骨料分离,后期载荷作用下造成露骨病害。

4.5 养护管理影响

农村公路建设资金紧张,排水设施缺乏,仅设有一些基本的边沟,缺少道路两侧的排水沟、急流槽,没有完整的排水设施。陇东黄土高原地区,大部分地区是湿陷性黄土,路基受水后出现湿陷,导致路面出现塌陷、开裂;边坡被雨水冲刷后出现塌方和沟槽,导致路面开裂。如表3所示,甘肃省季降雨量最多能达到390mm,降雨日数夏季能达到50日,水是公路病害的主要因素,排水设施不完善,雨水冲刷路基材料,时间一长,路面板出现脱空,车辆荷载作用下,路面板出现裂缝甚至出现破碎板病害。四条公路都是农村公路,连接村庄,道路两侧是农田或者山坡,道路两侧并没有设置排水设施,道路两侧的状况图如图3所示,雨水冲刷,农田灌溉,地表水浸入路面结构中,路基材料被带走,导致路面板的脱空断裂。

表3 甘肃省降水主要特征表

图3 道路两侧状况图

5 病害防治措施

农村公路在设计阶段会考虑资金问题,施工阶段考虑施工条件和养护措施。本文从这三方面进行探讨农村公路的病害防治措施。

5.1 设计阶段

农村公路建设资金匮乏,如何在农村公路建设资金匮乏的情况下保证公路的路用性能。在进行勘测设计时,遵循客观科学的规划,充分利用原有道路,防止大填、大挖。交通量直接决定了路面承受的荷载大小,在设计阶段时要充分调查,农村公路的交通组成、交通量是多少。在充分调查后设计适用的路面结构和结构厚度。设计阶段选择合格的原材料,粗集料采用连续性级配,可加入一定的纤维,减少混凝土裂缝,改善混凝土性能。

5.2 施工阶段

施工技术严重影响道路质量,在施工时应有工程经验的技术人员在现场工作,严格管控施工质量,施工技术和设备。甘肃省日照强,路面水分蒸发快,容易产生温度裂缝,施工时及时切割接缝。施工质量必须控制好材料的质量、检验原材料性能、验收施工成果。施工时增加机械设备投入,增加现场所需设备,养护车辆必须到位。

5.3 养护阶段

公路养护的好坏直接影响道路质量,为提高公路质量必须做好养护管理工作。水是引起路面结构破坏的一个重要因素,农村公路必须做好路基、路面的防排水设计和施工,加强排水构造物的设置,及时清理路肩和边沟的杂物,确保雨水和居民排水水流通畅,及时更换、填筑接缝料,防止雨水进入路基。及时对路面进行保养和维修,防止路面产生裂缝、坑槽等各种病害的产生和发展,保证路面的耐久性和舒适性。

结语

本文针对甘肃省陇东黄土地区农村公路的主要病害类型进行调查,通过路面调查病害结果分析,从自然气候条件、重载交通影响、路面结构设计对水泥混凝土路面损坏的影响、施工对水泥混凝土路面损坏的影响和养护管理的影响五方面找出病害机理。通过上述分析,找出减少水泥混凝土路面的病害防治措施。路面结构设计合理,并且控制超重超载车辆行驶;然后控制好路面施工和养护管理条件,减少水对混凝土路面的影响。本论文的研究分析,有利于找出甘肃省水泥混凝土农村公路的病害特征,为农村公路从机理方面防治病害提供充分的理论依据,有利于提高水泥混凝土路面的耐久性,提高经济效益和社会效益。