建筑技术丨市政道路施工中路基纵向裂缝发生机理

1 路基纵向裂缝发生原因分析

在市政道路施工中，路基发生纵向开裂的原因很多，其中原因包括土基水文物理力学性能、地基土的沉降固结状态、土基作用力对沉降变形的影响等等，这些因素间的作用较为复杂。

与地基的极限承载力相比，当路基压力偏高或偏低，路基会产生隆起或沉降的现象。市政道路路基的下部土基上产生的压力会对地基横断面产生影响，路基横断面会发生不同程度的沉降。对路基稳定性产生影响，在差异沉降的作用下最终路基发生纵向裂缝。纵向裂缝会破坏路基的局部结构稳定性，进而使整个结构整体失稳，削弱地基的极限承载力，产生恶性循环。市政道路路基的纵向裂缝发生原因如下。

（1）填方路堤时，土基地质会直接影响路基情况。地基处在低洼地带，而下层并未采取透水性填料进行填筑，导致两侧路堤积水饱和浸泡，上方土体的压力导致路基下滑，造成路基纵向裂缝。为赶工期进度，或为追求低成本，中下部分填筑层厚度较大，但压实度不能达到设计的最低标准，导致路堤沉降不均匀从而产生纵向裂缝。

（2）在温度和荷载两种应力的反复作用下，路基强度不能抵抗外界疲劳应力，地基达到其疲劳寿命，道路路面会产生纵向开裂。按断裂力学理论，市政道路路面明显微细裂纹，在温度和荷载的双重作用下，汇集至完全断裂。

在温度和荷载双重应力的反复作用下，市政道路路基会产生破损隐患。其中，温度应力与温度变化有关，变化具有周期性，荷载应力则与车辆车型、轴载大小等有关，变化具有随机性。

市政道路施工中，不同季节和昼夜的气温存在很大差异。作为市政道路的重要组成部分，水泥混凝土路面板会发生周期性的变化。在气温变化较快的地区和时刻，路板和土基的导热性能无法满足道路要求，路面会沿深度方向发生不均匀变化，从而路板产生不同程度和不同方向的翘曲变形，其翘曲情况，如图1、图2所示。

图1 路板温度翘曲现象（路面温度低于路基温度）

图2 路板温度翘曲现象（路面温度高于路基温度）

当气温上升时，路面温度高于路基温度，板顶膨胀变形大于路基形变，路板中部拱起，板底出现翘曲拉应力。当气温下降时，路面温度低于路基温度，板顶收缩变形大于路基形变，板顶出现翘曲拉应力。当温差较大时，翘曲应力会达到相当大的数值，当超过荷载应力时会产生纵向裂缝。

荷载作用的次数也直接影响市政道路路基纵向裂缝的情况。车辆通过轮胎与市政道路接触，将荷载传递给路面结构，不同规格车型的轮胎接地形状和压力不同，会对路面响应分布产生较大影响。

（3）在路基填筑施工过程中，填筑碾压宽度不够，路基中部受到压路机压轮两端的交叉重叠碾压轮辙，而路基边部碾压的遍数只有路中的一半，导致路基边部压实效果不足，这也是路基靠边部产生纵向裂缝的一大隐患。在雨水作用下，路基边部的虚土不断下沉，自然密实，路基可能出现真空区，甚至发生塌陷，路基的虚土和压实结合部位会首先发生纵向裂缝。

（4）在市政道路边坡设计中，因边坡坡度偏陡，道路边坡处于不稳定状态，气候、地形、土质等因素会对其造成更大的作用，易于滑动面的形成。纵向裂缝的出现，会影响市政道路路基结构的稳定性，极大可能对人员和行车的安全造成威胁。在水富集的地区，纵向裂缝的存在会产生渗漏水现象，甚至可能产生冻胀现象，车辆易因打滑导致交通事故。在坡度较陡的断面上进行半填半挖施工时，需要求铺设土工格栅和反向台阶。因外侧边坡处于临空面，类似于一个土锲，在斜坡上形成一个滑动面，发生滑移，形成纵向裂缝。

2 路基纵向裂缝预防与保养

纵向裂缝是市政道路施工中常见的质量通病，预防并及时处治，减少路基纵向裂缝的发生概率，有利于延长路面的使用寿命，为交通运输安全提供保障。纵向裂缝的存在威胁车辆通过安全，抑制其发展，能够极大程度降低纵向裂缝带来的损失。市政道路施工中，为预防路基纵向裂缝现象的发生和扩展，常采取如下措施。

（1）在路基填筑施工前，应对地面排水设备进行设计，与已有排水设施相结合，排走的雨水等不得冲入农田，防止冲刷路基并影响农作物生长。

（2）对于特殊土质或高填方路基等特殊路基，在设计中应注意加强对路基边坡稳定性的验算，根据填料土质和土况确定最佳的边坡坡率。

（3）在施工过程中，应与相关部门保持联系，对地基地貌等相关情况及时汇报。若有不符情况，应拿出相应处理方案，及时办理变更程序。

（4）若路基存在软土地基时，需采取等载或超载预压的处理方式，再进行填筑，提高路基的稳定性。若软土层不厚，则可以将软土层直接清除干净，换填符合要求的材料。当工期要求较紧时，可采取垫层、抛石挤淤、反压护道等软土地基加固的办法，将路基加固至设计要求。

（5）在路基要求加宽填筑施工时，应尽可能将施工部分的虚土及时清除，成型后及时进行三维网防护、拱形骨架防护等边坡防护工程的施工。路基横向要求同步填筑，在情况不允许时，可在前半侧的路基上设置反向台阶，由后向前，分层压实，防止形成土锲。

（6）对于填方路堤处于山坳或水田路段时，为疏平地表水，应开挖纵横向排水沟，可采用透水性材料回填夯实，高填方路堤应采用渗水性好并水稳性高的填料。填筑时，为加强结合部处的整体性，宜采用土工合成材料加筋处理，加强分层摊铺碾压，碾压至密实无拼痕。

3　市政道路施工中路基纵向裂缝发生机理模型建立

在研究市政道路路基纵向裂缝的发生机理时（图3），可对纵向裂缝形成的时间过程和空间过程分析。

图3 市政道路施工中路基纵向裂缝发生机理模型建立

将统计数据进行综合分析，从应力变化趋势和路基顶面变形分析得知，在市政道路路基纵向裂缝形成的时间过程可分为以下阶段。

初始变形阶段：气温和地温会受路基阳坡和坡脚积水等因素的影响。尤其是多年冻土地区，冻土融化形成融化区，成为地基中的软弱区，相关强度参数急剧降低，固结后会产生沉降变形。在重力作用下，地基软弱区的存在会造成地基不稳定，造成地基变形倾斜。同时，在路基及下承层内的应力不断调整，增大变形程度，导致路基两侧的变形不均匀和不协调。

强度破坏阶段：随着初始变形阶段的不断发展，地基软弱区的深度不断加深，当变形达到一定程度时，路基顶面局部区域内的压应力会逐步被拉应力所取代，在拉应力集中区的路基上会出现微裂缝。在这一阶段中，若能及时将裂缝封闭，对路基进行加固，能够有效阻止路基纵向裂缝的发生，提高市政道路的寿命。

变形失稳阶段：微裂缝的形成和扩展影响路基结构的稳定性。当市政道路路基上的微裂缝达到一定程度，回合形成一定深度的裂缝。裂缝面之间产生接触摩擦效应，最终形成路基直线型和弧形纵向裂缝。纵向裂缝的形成，如图4所示。

图4 纵向裂缝的形成示意

由统计数值对纵向裂缝的空间形成过程进行分析，地基纵向裂缝形成过程可分为以下几个区域。

发育区：在这一区域出现于初始变形阶段，是随着软弱区变形的增大逐步形成的。发育区在重力作用下会产生压密变形，使上层、中层路基和季节活动层失去支撑力，路基在牵引作用下沿一定的滑动区向下蠕动变形，从而适应新的应力状态，变形积累能量上移并扩张，形成具有扩张趋势的诱发区。诱发区：诱发区是发育区扩张的结果，能够直接导致纵向裂缝的发生。诱发区直接影响发育区的几何物理参数，在初始变形和后期变形的压缩和张拉中被拉裂破坏。抑制区：抑制区会同时出现在初始变形、强度破坏和变形失稳三个阶段，抑制区位于整个变形活动的中部，其存在有利于路基呈现稳定状态。抑制区具有稳定作用，在一定程度上能够对发育区和诱发区进行克制，阻止裂缝的出现和扩张，但是其作用有限，会因发育区和诱发区的扩张而降低甚至消失。当发育区和诱发区贯通汇合，会形成剪切滑动带，产生垂直变形，导致抑制区的最终消失，形成边坡弧形纵向裂缝。当抑制区一直存在时，路基破坏则会以抑制区为轴，形成直线型纵向裂缝。

建立模型对市政道路施工中路基纵向裂缝的发生进行模拟试验。首先，对外气候环境特征和影响进行模拟，将特定影响源进行设定；其次，对不同车型车辆碾压进行模拟，探索荷载对市政道路路基纵向裂缝发生的影响；最后，用相似转换法对采集和测量的结果进行计算、归纳，使用处理器对结果进行处理分析。选取柔性变形传感器对路基的力学性能进行采集，如图5所示。

图5 传感器设计示意

柔性变形传感器主要是由导电填料、纳米粒子和偶联剂等制备而成，其应变测试范围较大，能够满足模型要求，精度达0.01%，传感器具有精度高、寿命长、尺寸小的特征。温度传感器采用DSA13感温元件，具有高灵敏性和低温度延迟，且能够防潮、防水、高抗干扰能力等优点。拉伸数据采集仪为多通道位移数据采集仪，通过电阻信号进行采集，由RER443串口通信模板进行信号传递。采集数据传递至电脑控制端，将数据进行处理归纳，并将数据输出，由数据分析纵向裂缝的发生机理。

模型是将路基几何特征和力学特征进行分析，用相似转换法进行求解，准确反映实际工程中纵向裂缝的受力机理。准则方程是以决定性因素为变量，通过多次计算求解主因与次因间的关系，直至解决不同因素间的函数关系。相似转换法具有参数可控制、可实现的优势。以几何缩比对路基纵向裂缝物理模型完成对相似参数的转换，相似转换后的荷载速度明显提高，提高模型可控性。

设有低温模拟控温系统，主要是由恒温板、冷浴及其附属管路连接件组成。恒温板内设有中空导流槽，侧面设有进出液口，高低温液浴循环装置设有6个温度测定点位，能够对温度进行校验，有利于恒温板温度传热效果的良好性和均匀性。冷浴为高低温液浴循环装置，以温度可控的酒精为介质，槽内安装有高精度传感器，利用设备内置磁力泵，精确控温，并保证温度均匀性。

4 试验研究

为减少市政道路的损坏，保证车辆的安全运行，对市政道路施工中路基纵向裂缝的发生原因、保养措施和发生机理进行研究。通过建立市政道路施工中路基纵向裂缝的发生机理模型，将其与实际情况进行对比，验证模型的可行性。相关参数见表1。

表1 模型相关参数

如图6所示，将路基7月份从竖向位移分布进行统计，并与模拟值进行对比。

图6 路基修建第3年后路基表面竖向位移分布

路基区域横坐标影响温度场的分布。通过模型的拟合数据，结合图6路基的竖向位移分布曲线，可以看出，市政道路7月份路基表面的竖向位移是以路基中心为轴线，但路基竖向位移并不对称，最大位移出现在路基阳坡和路基顶面上。

与实际数据统计相比，模型的模拟值与实际数值拟合度较高。很明显，市政道路施工路基纵向裂缝发生机理模型的拟合结果明显优于传统模型。

5 结束语

为满足交通运输需求，并保证市政道路的安全使用性能，防止对道路行车构成威胁，对市政道路纵向裂缝发生机理进行分析，模拟纵向裂缝的发生，对纵向裂缝产生的危害加以控制，探索市政道路的有效整治措施。

路基纵向裂缝的影响源主要包括荷载、热能和水三部分，三种因素相互作用、转化，共同促进动态发展。采用现场监测、理论计算与数值模拟对路基纵向裂缝的发生机理进行研究，揭示纵向裂缝的发展过程。结合各种因素，通过模型拟合结果，对路基纵向裂缝发生机理进行研究分析，从而提高市政道路工程的施工质量，促进交通运输业的快速持续发展。