水泥稳定碎石基层拱胀防治措施效果评价

王以海，张巨，于荣全，唐可，吴谦，杨晓炜

（1.阿拉善盟交通运输局，内蒙古 阿拉善盟 750300；2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064；3.国道331线北银根至路井段工程建设管理办公室，内蒙古 阿拉善盟 750300）

1 引言

经过长期的工程实践，水稳碎石基层沥青路面的结构形式在我国公路路面设计中被普遍采用。近年来，在阿拉善额济纳旗地区新建成的多条公路出现了一种形似“减速带”状的横向拱起，这种病害在其他地区的沥青路面鲜有发生。张宏等[1]通过对病害路段基层、路基不同深度化学成分分析发现，路基土硫酸盐盐渍化并发生盐胀是额济纳旗地区公路产生横向拱起的重要原因。代泽宇等[2]通对对典型路段钻芯取样，进行力学性能、化学成分和微观结构室内检测分析发现，热盐耦合的共同作用最终导致额济纳旗地区沥青路面发生横向拱胀开裂的病害。胡建荣等[3]发现盐分结晶可以发生体积膨胀导致沥青路面产生横向隆起现象。彭真等[4]针对京新高速（G7）临河-白疙瘩段水泥稳定碎石基层沥青路面横向拱胀病害，结合京新高速项目办专家意见提出了基层间隔400m 设置宽2m 深18cm 的ATB-25 消胀槽防治措施。然而，已有的研究很少关注消胀槽处置措施对基层拱胀处置的效果。因此，本文通过修筑试验路，在试验路设置两种消胀槽，并在路段埋设位移、温度传感器，分析两种消胀槽处置措施的效果。

2 试验路修筑

G331线北银根至路井段是国家和自治区公路网的重要组成部分，其中额济纳旗境内主线长279.8km。额济纳旗境内道路结构层采用厚度为25cm的水泥稳定碎石基层，面层采用11cm沥青混凝土。为了解拱胀对道路行车安全的影响，本路段每隔200m设置一道消胀槽，如图1、图2所示，消胀槽垂直于道路中线，两端延伸至土路肩下部，厚度贯穿整个基层，宽度为50cm。消胀槽施工前，应确保水泥稳定碎石基层刚摊铺完成1d～2d左右，且水稳材料并未达到板体结构，然后将设置消胀槽处的水稳材料进行翻松，翻松宽度应保证为50cm，翻松厚度应达到底基层表面，清除水稳材料后所形成的消胀槽应保持横向水平、纵向垂直，避免出现消胀槽上宽下窄、下宽上窄，以保证在消胀槽中填充柔性基层材料时压实达到标准。完成开槽后，开始用柔性材料将消胀槽进行填充，在填充消胀槽之前应将松动的水泥稳定材料完全清除干净，并对水泥稳定碎石底基层认真、仔细地进行了检查，确认没有发生损坏，其整体结构性能良好。

图1 消胀槽布置示意图

图2 消胀槽结构示意图

本文以桩号K313+000～K313+200为试验路段，目的是为了分析道路建成后采用智能化设备监测采取消胀槽措施后的水泥稳定碎石基层材料变形对道路拱胀的影响。该试验段在建养资料中属于典型拱胀路段，并且在上下行1000m 内均无桥涵构筑物。采用级配碎石和ATB-25沥青碎石混合料作消胀槽填充材料，在填充前，消胀槽中的底基层表面摊铺改性乳化沥青稀浆封层。在填充时，分三次加入填充材料，用手扶振动式压路机分层压实，保证压实度满足98%。消胀槽顶面铺设土工格栅，分别摊铺下面层、上面层[5]。

3 试验路现场监测

3.1 传感器布置

2020 年9 月20 日 在G331道路桩号为K313+000～K313+200的三个断面处（两个设置消胀槽、一个未设置消胀槽）安装了温度、应力及变形自动采集系统。三个断面主要有ATB-25沥青混合料消胀槽、级配碎石消胀槽、未设置消胀槽（水泥稳定碎石）。其中ATB-25沥青混合料消胀槽侧面安装了3个温度计、2个位移计；级配碎石消胀槽侧面安装了3个温度计、2个位移计；未设置消胀槽（水泥稳定碎石）侧面安装了3个温度计、1个位移计。三个断面及自动化采集系统安装情况如图3所示[6]。

图3 温度、应力及变形自动采集系统布置图

3.2 传感器布设要点

①开槽。采用路用切割机开槽，在准备埋设传感器的半幅路面提前划线，保证开槽横向水平、纵向垂直。为减小埋设过程中对数据监测的影响，在方便埋设的前提下，尽量减小基层开槽宽度，保持在10cm以下。

②清理。采用电镐进行水稳基层破碎，辅以手镐将破碎后的碎石钩除。路基边坡挖至与基层开槽同宽、等深的壕，直到边坡坡脚，用于将传感器线路引至路旁采集箱内。

③布设。保证槽内无碎石、杂物后，按预定位置布设传感器。所有传感器的线路外穿32mmPVC 管，中间公共走线段采用50mmPE管，保证线路从传感器引出到采集箱的过程中始终有管保护。采集箱安装在边坡脚外1m的位置，采集箱由太阳能电池板供电，按设置自动采集数据，实时传输至网络平台。设备用膨胀螺丝固定至不易移动，较大的混凝土试块上，对太阳能电池板进行加固，预防戈壁风沙侵袭。

④路面恢复。管线布置完成后，向槽内填充细沙至基层高度，摊铺面层，恢复路面。边坡处用路基土回填。

3.3 传感器监测

将温度计及位移计在2020年10月1日至2021年5月10 日测试到的变形数据、温度数据进行整理，分析ATB-25沥青混合料消胀槽、级配碎石消胀槽、未设置消胀槽的变形及温度变化，具体结果如图4和图5所示。

图4 温度监测结果

图5 变形监测结果

由图4可知，ATB-25沥青混合料消胀槽、级配碎石消胀槽、未设置消胀槽（水泥稳定碎石）的温度从2020年10月1日至2021年5月10日均呈现出先减小后增大的趋势，在2021年1月7日温度最低，在2021年5月10日温度最高。同时，在任何时期三种材料的温度按照ATB-25沥青混合料消胀槽>未设置消胀槽（水泥稳定碎石）>级配碎石消胀槽排序。ATB-25沥青混合料消胀槽在2021年1月7日温度为-13.7℃，在2021年5月10日温度为31.9℃；未设置消胀槽（水泥稳定碎石）在2021年1月7日温度为-15℃，在2021年5月10日温度为26.7℃；级配碎石消胀槽在2021 年1 月7 日温度为-15.9℃，在2021年5月10日温度为25.1℃。由此可知ATB-25沥青混合料消胀槽的导热性能最好。

由图5可知，ATB-25沥青混合料消胀槽、级配碎石消胀槽、未设置消胀槽（水泥稳定碎石）的侧面变形呈现出不规律变化。2020 年10 月1 日至2020 年12 月1 日，ATB-25沥青混合料消胀槽及级配碎石消胀槽的侧面所安装的位移计读数是正值且逐渐增大，未设置消胀槽的侧面所安装的位移计读数是负值，且有小幅增大的变化，这表明水泥稳定碎石基层材料背向ATB-25沥青混合料消胀槽和级配碎石消胀槽收缩。

2020 年12 月2 日至2021 年2 月1 日，ATB-25 沥青混合料消胀槽及级配碎石消胀槽的侧面所安装的位移计读数是负值，这表明水泥稳定碎石基层材料膨胀产生的力挤压着ATB-25沥青混合料消胀槽和级配碎石消胀槽，这是因为2020年12月2日至2021年2月1日水泥稳定碎石基层材料环境温度最低，水泥稳定碎石材料内部的盐分结晶产生膨胀压力[7,8]。

2021年2月2日至2021年5月1日，温度持续上升，ATB-25沥青混合料消胀槽及级配碎石消胀槽的侧面所安装的位移计读数是负值，且持续减小，这表明两种消胀槽承受水泥稳定碎石基层材料膨胀产生的力随着温度增大而逐渐增大，ATB-25沥青混合料消胀槽所产生的压缩变形大于级配碎石消胀槽。

4 结语

本文通过铺筑试验路并收集现场监测数据进行分析，对消胀槽防治水稳基层沥青路面拱胀防治进行评价，得出以下结论：

①ATB-25沥青混合料消胀槽、级配碎石消胀槽、未设置消胀槽（水泥稳定碎石）的温度变化情况基本一致，温度按照ATB-25沥青混合料>水泥稳定碎石>级配碎石排序。

②在低温季节，由于未设置消胀槽的水泥稳定碎石基层收缩，消胀槽侧面位移计拉伸；在高温季节，由于水泥稳定碎石基层材料的膨胀，消胀槽侧面位移计被压缩，温度越高压缩现象越明显。

③ATB-25沥青混合料消胀槽所产生的压缩变形大于级配碎石消胀槽，这表明ATB-25沥青混合料消胀槽抵抗变形能力强。