省道肥梁線瀝青路面病害調(diào)查分析研究

王繁興，姜世波，魯圣弟，盛明乾，余四新

（1.泰安市公路局 工程一處，山東 泰安 271000；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥230026；3.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（濟(jì)南），山東濟(jì)南 250031）

省道肥梁線瀝青路面病害調(diào)查分析研究

王繁興1，姜世波1，魯圣弟2，盛明乾1，余四新3

（1.泰安市公路局 工程一處，山東 泰安 271000；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥230026；3.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（濟(jì)南），山東濟(jì)南 250031）

路面病害調(diào)查及其產(chǎn)生的原因分析研究是路面養(yǎng)護(hù)維修方案制定的依據(jù)。在項(xiàng)目級(jí)路面結(jié)構(gòu)維修方案制定時(shí)，為了充分利用原有完好路面結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)路面病害進(jìn)行根治，延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)壽命，節(jié)約路面養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，需要對(duì)原路面結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析。文章采用路面行駛狀態(tài)、FWD彎沉等快速無損檢測(cè)方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆芯及探坑等有損檢測(cè)方法對(duì) S250省道肥梁線瀝青路面病害進(jìn)行了診斷，并從路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、交通調(diào)查、路面施工質(zhì)量及材料設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)路面病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：省道費(fèi)梁線兩個(gè)斷面15年累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次分別達(dá)到了重載交通和特重交通的水平；全線路面結(jié)構(gòu)彎沉代表值50.01（0.01 mm），大于半剛性半剛性基層瀝青路面彎沉值不超過15.00（0.01 mm）的標(biāo)準(zhǔn)；省道肥梁線路面結(jié)構(gòu)層間不連續(xù)，整體性較差。

瀝青路面；病害調(diào)查；無損檢測(cè)

0 引言

我國(guó)早期修建的公路，由于國(guó)產(chǎn)瀝青產(chǎn)量低、質(zhì)量差，同時(shí)，受社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的限制，“強(qiáng)基、薄面、穩(wěn)土基”的理念成為了當(dāng)時(shí)公路建設(shè)的指導(dǎo)思想，對(duì)我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用［1］。半剛性基層具有整體性好、剛度大、力學(xué)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，而被設(shè)計(jì)為主要的承重層。同時(shí)，半剛性材料底基層用作路面結(jié)構(gòu)的輔助承重層［2－3］。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面的病害調(diào)查報(bào)告表明，路面早期病害主要有水損害、開裂、車轍3類［4－5］。目前，造成瀝青路面早期損壞的原因眾多，落后的施工和設(shè)備水平、日趨嚴(yán)重的超載現(xiàn)象，部分地區(qū)極端氣候條件都會(huì)單獨(dú)或者耦合作用，對(duì)瀝青路面造成不良影響，逐漸形成早期損害［6－8］。

根據(jù)泰安市公路局工程建設(shè)檔案，S250肥梁線是山東省中部一條重要南北通道，在泰安境穿越肥城、東平兩個(gè)縣市。路線起于肥城老城以北與 S104相交，向西與 S329相交，路線全長(zhǎng) 77.739 km。道路主線于2003～2004年建設(shè)，路面結(jié)構(gòu)組合為6 cm細(xì)粒式瀝青混凝土 ＋16 cm水泥穩(wěn)定碎石基層＋16 cm水泥穩(wěn)定砂礫底基層 ＋12 cm水泥穩(wěn)定砂礫墊層。路線所經(jīng)區(qū)域重載、超載現(xiàn)象比較普遍，建成通車不久，即出現(xiàn)大量早期病害。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，路面早期病害迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大面積的縱橫向裂縫、坑槽等病害，嚴(yán)重降低了道路的行駛性能和安全性。2010年對(duì)全線進(jìn)行中修罩面，主要對(duì)原路面病害進(jìn)行挖補(bǔ)，然后加鋪3或2.5 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC－10瀝青混凝土薄層罩面，但未能有效延緩路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂、裂縫等病害的發(fā)展。在車輛荷載和環(huán)境等因素綜合作用下，路面病害持續(xù)發(fā)展。采用FWD彎沉檢測(cè)等快速無損檢測(cè)方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆芯及探坑等有損檢測(cè)方法對(duì) S250省道肥梁線瀝青路面病害進(jìn)行了診斷，并從路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、交通調(diào)查、路基承載力、路面施工質(zhì)量四個(gè)方面對(duì)路面病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析研究。該調(diào)查分析結(jié)果為路面養(yǎng)護(hù)維修方案的制定提供了詳實(shí)的依據(jù)。

1 路面病害調(diào)查

1.1 路面病害調(diào)查方案

路面病害調(diào)查采用快速無損檢測(cè)與局部路段有損檢測(cè)相結(jié)合的方案，以提高病害調(diào)查效率和準(zhǔn)確性。首先進(jìn)行路面病害快速無損檢測(cè)，具體包括路面行駛狀態(tài)（如路面破損狀態(tài)、平整度）和路面結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)。路面結(jié)構(gòu)承載力采用落錘式彎沉儀（FWD）進(jìn)行路面彎沉快速無損檢測(cè)。所有檢測(cè)方法均根據(jù)路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程［9］的要求進(jìn)行。半剛性基層瀝青路面，彎沉的大小和均勻程度能反映基層結(jié)構(gòu)的破壞程度。通常情況下半剛性基層瀝青路面彎沉的變異不超過 35%，彎沉平均值不超過15（0.01 mm）。如果彎沉變異系數(shù)和彎沉平均值超過上述數(shù)據(jù)，需要考慮結(jié)構(gòu)的損傷問題，養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行 結(jié)構(gòu) 補(bǔ) 強(qiáng)是 必 要的［10－12］。

為進(jìn)一步確認(rèn)結(jié)構(gòu)層病害位置及破損程度，采用了鉆芯與開挖探坑的方式進(jìn)行路面病害有損檢測(cè)。在全線不同典型病害位置鉆芯取樣，共計(jì)24處。

1.2 省道肥梁線路面結(jié)果

全線路面破損率匯總見表 1，“中”及以下路面破損面積超過50%。平整度匯總表見表2，其中“優(yōu)”占71.2%。由于破損率及平整度指標(biāo)僅反映路面表觀功能狀態(tài)，路面深層病害情況，需要通過進(jìn)一步的勘察和驗(yàn)證。

表1 路面破損率匯總表

表2 平整度匯總表

全線彎沉值平均值25（0.01 mm）、標(biāo)準(zhǔn)差15.26（0.01 mm）、變異系數(shù)61.02，和代表值50.01 （0.01 mm）。彎沉值主要分布在15～30（0.01 mm）范圍，占40%；彎沉值大于 30（0.01 mm），接近30%，如圖1（a）所示。根據(jù)路面彎沉值進(jìn)行土基模量反算以判斷土基的承載力大小，不同樁號(hào)土基反算模量如圖1（b）所示。從反算結(jié)果看，土基模量平均值較小，僅為68 MPa，而且變化范圍較大。工程實(shí)踐表明，對(duì)于重載交通的半剛性基層瀝青路面，應(yīng)將土基 FWD反算模量控制在 80 MPa，才能保證路面結(jié)構(gòu)的整體性能。由上述彎沉檢測(cè)結(jié)果和土基模量反算結(jié)果可知，路面彎沉值大、變異系數(shù)大，彎沉值大于設(shè)計(jì)彎沉所占比例很大，土基反算模量較小且變化范圍較大，表明路面結(jié)構(gòu)損壞比較嚴(yán)重，重載交通下路面結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)現(xiàn)有的土基條件，導(dǎo)致各種結(jié)構(gòu)性損壞的產(chǎn)生，為恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)性能，大多數(shù)路段需要采取挖除重建或補(bǔ)強(qiáng)措施。

路面不同病害類型處典型芯樣如圖2所示。全線芯樣破損特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）路面縱橫裂縫交匯嚴(yán)重處有縱裂、橫裂、塊裂等病害發(fā)展，裂縫貫穿上下基層，基層和底基層均已碎裂成塊狀（如圖2（c）所示）；

（2）輕度縱橫裂縫位置，裂縫貫穿上基層，下基層狀況良好（如圖2（b）所示）；

（3）個(gè)別面層完好路段及自頂向下開裂路段，基層底基層狀況良好（如圖2（a）所示）；

（4）無論是病害處還是完好路段，路面結(jié)構(gòu)層間聯(lián)結(jié)差，上下基層分離，基層與面層分離。

圖1 路面彎沉分布頻率圖

圖2 路面典型病害處芯樣圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)深層病害的位置及范圍，在縱裂比較嚴(yán)重的路段開挖探坑，探坑挖取位置在右幅行車道，樁號(hào)為 K30＋220，探坑位置存在重度縱向裂縫，存在橫裂及伴生不規(guī)則裂縫，如圖3所示。根據(jù)探坑觀測(cè)結(jié)果，探坑位置處面層存在橫縱縫以及網(wǎng)裂，開挖后面層碎裂成塊且上、下面層已經(jīng)分離或極易分離，上、下面層之間已經(jīng)通過裂縫滲入水分和雜質(zhì)。開挖至基層后，上基層表面裂縫與面層裂縫位置與走向基本一致，并且上、下基層出現(xiàn)不同程度的碎裂，其中下基層脫料較嚴(yán)重，上基層與下基層的層間連接狀況亦較差，下基層底部有一層厚度1 cm的封層，封層狀況良好，封層下為壓實(shí)的碎石層。

2 省道肥梁線路面病害原因分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性

S250肥梁線路面結(jié)構(gòu)組成型式是山東省早期設(shè)計(jì)修建的二級(jí)公路路面典型結(jié)構(gòu)類型，見表 3。由于當(dāng)時(shí)對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念及重載超載認(rèn)識(shí)上的不足，早期修建的二級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度總體比較薄，一般瀝青面層為 5～6.5 cm，基層僅一層，厚度一般為15～18 cm。由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)大都按公路等級(jí)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)車進(jìn)行當(dāng)量軸次計(jì)算，低估了重載交通的作用，部分交通量和荷載較重的二級(jí)公路使用不久就出現(xiàn)大量疲勞破壞，S250主要表現(xiàn)為路面出現(xiàn)的縱向裂縫、橫向反射裂縫及網(wǎng)裂。

圖3 開挖探坑檢測(cè)圖

表3 山東省早期修建的二級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)

2.2 交通荷載

S250肥梁線是山東省中部一條重要南北通道，沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密集，石料及礦產(chǎn)資源豐富，分布著眾多料場(chǎng)、煤礦、水泥廠等，交通量大，超載嚴(yán)重。車輛類型劃分采用我國(guó)即將頒布的新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范車輛類型分類方法［13］。該方法的特點(diǎn)是通過代號(hào)描述軸型和軸數(shù)，并通過軸型和軸數(shù)代號(hào)的組合描述車輛類型。由于本次調(diào)查是針對(duì)路面結(jié)構(gòu)損壞和設(shè)計(jì)計(jì)算所進(jìn)行的交通量調(diào)查，因此僅對(duì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)計(jì)算影響較大的大中型客貨車進(jìn)行分析，而小型車輛因?qū)β访鎿p壞較小，不納入統(tǒng)計(jì)和分析范圍。選擇東平公路局王臺(tái)公路站斷面進(jìn)行交通調(diào)查，調(diào)查時(shí)間為8∶00至18∶00，期間通行貨車1696輛，因本項(xiàng)目主線無計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)，參考區(qū)域內(nèi)高速公路同類車型軸載譜計(jì)算當(dāng)量軸次［14－15］。

為了直觀起見，將每輛車的軸載譜轉(zhuǎn)換為當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次，各種類型的貨車所占比例以及單輛車最大當(dāng)量軸次和平均當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次見表4。根據(jù)表中每輛車平均當(dāng)量軸次和在本項(xiàng)目調(diào)查到的不同車輛類型組成數(shù)量，計(jì)算觀測(cè)斷面累計(jì)當(dāng)量軸次。東平公路局王臺(tái)公路站兩個(gè)斷面15年累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次（車道系數(shù)取0.7）分別達(dá)到2.06×107和3.17× 107，達(dá)到了重載交通和特重交通的水平。

表4 東平公路局王臺(tái)公路站貨車構(gòu)成比例及不同車型當(dāng)量軸次

由上述分析可知，雖然本項(xiàng)目為二級(jí)路，但重載車輛比例大，實(shí)際交通等級(jí)到達(dá)了重載交通和特重交通水平。路面結(jié)構(gòu)采用早期普通二級(jí)公路典型結(jié)構(gòu)顯然難以承受實(shí)際交通荷載作用，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生早期破壞也是必然的。因此，為了保證本項(xiàng)目路面改造工程設(shè)計(jì)壽命，應(yīng)基于實(shí)際交通荷載進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 路面施工質(zhì)量

路面損壞除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能適應(yīng)實(shí)際重載交通外，路面施工質(zhì)量不良也是主要原因。其中，結(jié)構(gòu)層間分離和半剛性基層開裂是較為普遍的現(xiàn)象。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立在彈性層狀連續(xù)體系理論基礎(chǔ)上的，層間聯(lián)結(jié)不緊密，造成設(shè)計(jì)預(yù)期的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，加速了結(jié)構(gòu)整體承載力的喪失。而且，層間不連續(xù)，還為結(jié)構(gòu)層間水提供了駐留的空間，造成沖涮、破碎等結(jié)構(gòu)性的水損壞，圖4為層間聯(lián)結(jié)不良導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性水損壞。傳統(tǒng)施工方法，底基層和基層需要分層碾壓施工和養(yǎng)生。而分層施工帶來一系列問題，不僅易造成層間污染、影響施工進(jìn)度，而且使基層結(jié)構(gòu)由一層整體受力變成兩薄層受力，增加了層間結(jié)合薄弱環(huán)節(jié)，違背了其路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初衷。而且分層施工形成的層間分離狀態(tài)，為層間水的存在提供了空間，一旦基層開裂后，水將滲入結(jié)構(gòu)層間，為結(jié)構(gòu)性的水損壞埋下禍根。

圖4 層間聯(lián)結(jié)不良導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性水損壞圖

2.4 路面材料設(shè)計(jì)

半剛性基層自身的溫縮和干縮開裂是引起反射裂縫產(chǎn)生的主要原因，而重載交通和水的作用則加速了開裂和結(jié)構(gòu)破壞的進(jìn)程。半剛性基層材料級(jí)配和強(qiáng)度指標(biāo)不合理是導(dǎo)致半剛性基層自身破壞的主要原因。懸浮型級(jí)配結(jié)構(gòu)由于細(xì)集料較多，粗集料沒有形成嵌擠狀態(tài)，更容易出現(xiàn)干縮和溫縮裂縫?，F(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的嵌擠型級(jí)配，由于4.75篩孔通過率較低，粗集料料占比重過大，混合料容易離析，并且有“爛根”（粗集料集中在結(jié)構(gòu)層底部，細(xì)料集中在結(jié)構(gòu)層上部）現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層底部松散，層間連接不良。

水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度也是影響半剛性基層反射裂縫的重要因素之一，對(duì)目前常用的半剛性基層出現(xiàn)的質(zhì)量通病要進(jìn)行認(rèn)真反思和總結(jié)，特別要高度重視防止半剛性基層反射裂縫的措施。嚴(yán)格控制半剛性基層及底基層的強(qiáng)度高限和低限，避免一味提高半剛性基層的強(qiáng)度，嚴(yán)格控制半剛性基層瀝青路面反射裂縫的發(fā)展。根據(jù)近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)半剛性基層的研究，水穩(wěn)基層7 d浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于3.0 MPa，同時(shí)設(shè)置高限，即7 d浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得高于5 MPa，對(duì)水泥用量也進(jìn)行限制，施工時(shí)最高不超過5.0%。

3 結(jié)論

我國(guó)早期修建的半剛性基層瀝青路面普遍產(chǎn)生了裂縫及水損壞等病害，路面病害調(diào)查及其產(chǎn)生的原因分析研究是路面養(yǎng)護(hù)維修方案制定的依據(jù)。文章采用FWD彎沉檢測(cè)等快速無損檢測(cè)方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆芯及探坑等有損檢測(cè)方法對(duì)S250省道肥梁線瀝青路面病害進(jìn)行了診斷，并從路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、交通調(diào)查、路面施工質(zhì)量及材料設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)路面病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：

（1）東平公路局王臺(tái)公路站兩個(gè)斷面15年累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次（車道系數(shù)取0.7）分別達(dá)到2.06×107和3.17×107，達(dá)到了重載交通和特重交通的水平，按照二級(jí)路設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)與實(shí)際重載交通不相符，設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)層厚度偏薄。

（2）路面結(jié)構(gòu)彎沉值過大，全線路面結(jié)構(gòu)整體彎沉平均值25（0.01 mm），標(biāo)準(zhǔn)差15.26（0.01 mm），變異系數(shù)61.02，代表值50.01（0.01 mm）。

（3）路面結(jié)構(gòu)層間不連續(xù)，整體性較差，是導(dǎo)致路面病害產(chǎn)生的主要原因。

（4）在下一步路面養(yǎng)護(hù)維修方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)路面層間處理、路面結(jié)構(gòu)厚度與交通量的匹配進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

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Pavement distress survey and reason analysis of Fei-liang provincial road

Wang Fanxing1，Jiang Shibo1，Lu Shengdi2，et al.
（1.First Engineering Department of Highway Management Bureau of Tai’an，Tai’an 271000；2.Anhui Transportation Holding Group Co.，Ltd.，Hefei 230026，China）

Pavement distress survey and reason analysis can be the reference for maintenance design.It is necessary to diagnose the pavement distress in order to utilize the existing pavement in projectlevel maintenance design to extend the service life of the pavement.Non-destructive testing like running performance and FWD combined with destructive testing like coring and excavating method are applied to detect the pavement distress.The reason for the distress is analyzed and researched from four aspects of pavement structure adaptation，traffic survey，subgrade capacity and construction quality.The results imply that accumulated equivalent standard axle of 15 years of two sections of Feiliang provincial road reached heavy traffic and extra traffic level respectively.Typical value of the deflection of pavement structure on the whole line is 50.01（0.01 mm）0.5001 mm，which is much larger than the standard of 0.15 mm of pavement with semi-rigid pavement weak interlayer bound condition.The pavement structure of Fei-liang provincial road is not continuous and its integrity is poor.

asphalt pavementdisease investigation；nondestructive testing

U416.217

A

1673－7644（2016）05－0477－06

2016－08－29

王繁興（1963－），男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事道路施工與材料方面的研究.E-mail：gcycgck＠163.com