浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面病害及養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究

陳 炎，張倩倩

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

農(nóng)村公路是我國公路網(wǎng)的重要組成部分，其規(guī)模大、覆蓋面廣。農(nóng)村公路路面等級不高，路面使用性能逐年下降，容易出現(xiàn)路面坑槽、龜裂等病害[1]。當(dāng)前農(nóng)村公路已進(jìn)入“建養(yǎng)并重”時(shí)期，農(nóng)村公路路面面臨的養(yǎng)護(hù)改造壓力越來越大。

自20世紀(jì)60年代起，美國開始研究科學(xué)的路面養(yǎng)護(hù)決策，多采用路況數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗(yàn)判斷相結(jié)合的方法。20世紀(jì)70年代后期，很多國家針對路面養(yǎng)護(hù)開發(fā)專門的管理系統(tǒng)，以提高公路養(yǎng)護(hù)管理效率，如路面管理系統(tǒng)、公路養(yǎng)護(hù)和評價(jià)系統(tǒng)等[2-3]。在我國，公路路面維修養(yǎng)護(hù)決策主要依據(jù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，且絕大部分的研究成果是關(guān)于高速公路和國省干線公路，針對農(nóng)村公路路面的研究相對較少。對于農(nóng)村公路而言，臨時(shí)性養(yǎng)護(hù)方法最為常用，尚未開展科學(xué)的維修養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究。

本文針對浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面維修養(yǎng)護(hù)進(jìn)行全面研究，在有限的資金條件下，開展路面運(yùn)行狀況調(diào)研和使用性能評價(jià)，進(jìn)行農(nóng)村公路舊路面維修養(yǎng)護(hù)決策研究，以期解決上述矛盾和困難，全面提升農(nóng)村公路路面性能。

1 農(nóng)村公路路面運(yùn)營狀況研究

1.1 農(nóng)村公路路面調(diào)查與分析

浙北地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨充沛，瀝青路面應(yīng)該具備優(yōu)異的抗水損壞性能和低溫抗裂性能，以減少路面產(chǎn)生水損壞、溫度裂縫等病害。

通過調(diào)研可知，四級公路是浙北地區(qū)等級公路中的主體部分，由于浙北地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平和交通建設(shè)水平較高，部分農(nóng)村公路可以達(dá)到二級以上的技術(shù)水平。該地區(qū)典型路面結(jié)構(gòu)形式主要為3 cm AC-13C和5 cm AC-13C，多數(shù)路段瀝青面層采用3 cm AC-13C+5 cm AC-20C雙面層結(jié)構(gòu)，部分重載交通路段瀝青面層采用4 cm AC-13C+6 cm AC-20C。浙北地區(qū)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

表1 浙北地區(qū)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)形式

近年來，浙北地區(qū)(調(diào)查路段)的超載車比例超過20%，且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，這對浙北地區(qū)農(nóng)村公路的通行能力和服務(wù)水平提出了更高要求。

1.2 路面使用性能狀況分析

瀝青路面使用性能評價(jià)包括路面損壞、路面車轍、路面平整度、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(PSSI)5項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)[4]。對于農(nóng)村公路，車轍損壞是計(jì)入路面破損率(DR)指標(biāo)中的，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要單獨(dú)計(jì)算和評定，評定范圍根據(jù)路面養(yǎng)護(hù)改造需求、路基地質(zhì)條件等靈活調(diào)整[5]。

在調(diào)查統(tǒng)計(jì)的浙北地區(qū)農(nóng)村公路中，瀝青路面使用性能總體狀況普遍較差。路面損壞、路面平整度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均較差，這不僅會影響公路通行能力和行駛質(zhì)量，還會對浙北地區(qū)農(nóng)村公路路網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示，浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面整體狀況較差，路面病害中龜裂、重度松散較為普遍?；鶎蛹险w性較差，取芯過程中發(fā)生松散破碎，芯樣不能完整取出，與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差基本符合。

2 農(nóng)村公路路面維修養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究

2.1 路用性能評價(jià)

通過統(tǒng)計(jì)分析浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面調(diào)查數(shù)據(jù)，從路面損壞、路面平整度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗滑性能等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

2.1.1 路面損壞

路面損壞統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 路面損壞統(tǒng)計(jì) (%)

由表2可知，浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面狀況較差，龜裂面積占比較高，松散和塊狀裂縫次之。

由此可知，在當(dāng)?shù)匦枰M(jìn)行養(yǎng)護(hù)改造的瀝青路面中，龜裂、松散和塊狀裂縫是主要病害，也是路面維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案制定的主要參考指標(biāo)。龜裂和塊狀裂縫的形成機(jī)理較為相似，可按照網(wǎng)裂形態(tài)統(tǒng)一分析。

2.1.2 路面平整度

路面平整度指標(biāo)是評價(jià)瀝青路面路用性能的重要指標(biāo)，對現(xiàn)場調(diào)研得到的IRI(國際平整度指數(shù))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，路面平整度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 路面平整度統(tǒng)計(jì)

由表3可知，浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面平整度狀況較差，IRI>6.2 m/km的路段占總調(diào)查路段的98%。原路面存在大量的裂縫類病害，再加上大量的修補(bǔ)，路面行駛質(zhì)量較差。因此，路面平整度也是路面維修養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。

2.1.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

為全面了解浙北地區(qū)農(nóng)村公路的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以單點(diǎn)彎沉值表征結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

由表4可知，浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面彎沉值較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差。結(jié)合浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，取芯情況顯示的基層集料整體性較差，與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差的結(jié)論相符。

2.1.4 抗滑性能

浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面抗滑性能評價(jià)為中，單點(diǎn)SFC(橫向力系數(shù))值為[33.5，40)的段落占調(diào)查路段的100%，相比路面破損、路面平整度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗滑性能相對較好。

已有研究結(jié)果顯示，極少路段采用抗滑性能作為養(yǎng)護(hù)改造決策的主要指標(biāo)[6]。因此，推薦浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面改造關(guān)鍵指標(biāo)主要選擇路面損壞、路面平整度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2 路面養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵指標(biāo)研究

針對已經(jīng)實(shí)施過養(yǎng)護(hù)改造的農(nóng)村公路路面，通過收集整理路段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對其進(jìn)行分析，分析維修養(yǎng)護(hù)時(shí)可采用的標(biāo)準(zhǔn)與閾值。

2.2.1 面層狀況評價(jià)指標(biāo)

為使評價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確地反映路面的實(shí)際使用品質(zhì)，合理制定路面維修養(yǎng)護(hù)方案，結(jié)合浙北地區(qū)路面實(shí)際狀況，對現(xiàn)有指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充完善，建立適合浙北地區(qū)農(nóng)路公路瀝青路面的評價(jià)體系。

由于浙北地區(qū)農(nóng)村公路中一級公路占比較少，絕大部分農(nóng)村公路屬于二級及二級以下公路，這與《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)中的標(biāo)準(zhǔn)分類情況一致。因此，本文研究的所有路段及其標(biāo)準(zhǔn)的對象均為二級及二級以下公路。

1)路面損壞評定

浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面損壞相關(guān)的維修養(yǎng)護(hù)指標(biāo)主要是路面網(wǎng)裂(龜裂、塊狀裂縫)和松散，評價(jià)指標(biāo)分別為網(wǎng)裂率(龜裂、塊狀裂縫)和松散面積比，計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Pw為網(wǎng)裂率，%；Ps為松散率，%；AM為網(wǎng)裂病害折算面積，其為病害面積與權(quán)重系數(shù)的乘積，m2；AS為松散病害折算面積，其為病害面積與權(quán)重系數(shù)的乘積，m2；A為調(diào)查路面總面積，m2；n為某種路面病害的嚴(yán)重程度。

采用保證率系數(shù)確定路面性能狀況各指標(biāo)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對實(shí)施過養(yǎng)護(hù)改造利用的農(nóng)村公路瀝青路面病害數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和統(tǒng)計(jì)，得出處治標(biāo)準(zhǔn)和閾值，計(jì)算公式為

(5)

選擇農(nóng)村公路瀝青路面中以路面網(wǎng)裂(龜裂、塊狀裂縫)為主要評價(jià)指標(biāo)的路段，統(tǒng)計(jì)采用中修措施(面層銑刨重鋪、面層再生、罩面)路段對應(yīng)的網(wǎng)裂率Pw，采取保證率系數(shù)，確定采用中修措施路段的網(wǎng)裂率界限為Pw≥13%。

選擇農(nóng)村公路瀝青路面中以松散為主要評價(jià)指標(biāo)的路段，統(tǒng)計(jì)采用中修措施(面層銑刨重鋪、面層再生、罩面)路段對應(yīng)的松散率，采取保證率系數(shù)，確定采用中修措施路段的松散率界限為Ps≥8%。

研究結(jié)果表明，網(wǎng)裂類和松散類是對路面性能影響較大的病害類型，現(xiàn)場調(diào)查顯示，這兩類病害易發(fā)生在同一路段。建立這兩類病害的復(fù)合評價(jià)模型，以PDI表示路面損壞復(fù)合評價(jià)指標(biāo)，即病害指數(shù)，PDI指標(biāo)擬合數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 PDI指標(biāo)擬合數(shù)據(jù)

由表5可知，通過對擬合公式標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行比較，確定擬合精度較高公式。計(jì)算公式見式(6)。

(6)

(R2=0.975)

式中，PDI為病害復(fù)合評價(jià)指標(biāo)。

2)路面平整度評定

影響路面行駛質(zhì)量的主要因素是路面平整度。當(dāng)平整度降至某一限值時(shí)，路面行駛質(zhì)量不能滿足行車對路面的基本功能要求，需要采取改建或重建措施改善平整度，以恢復(fù)路面性能[7]。統(tǒng)計(jì)采用中修措施路段對應(yīng)的路面平整度，計(jì)算得出農(nóng)村公路路段中采用中修措施路段所對應(yīng)的瀝青路面RQI(路面行駛質(zhì)量指數(shù))指標(biāo)要求為RQI≤74。

2.2.2 路面結(jié)構(gòu)狀況評價(jià)指標(biāo)

浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)絕大部分為半剛性基層瀝青路面(二灰穩(wěn)定碎石基層、水泥穩(wěn)定碎石基層)，路面基層狀況評定綜合考慮剛度和強(qiáng)度兩個(gè)方面，剛度主要由路面彎沉指標(biāo)表征，強(qiáng)度主要由基層結(jié)構(gòu)的彎拉強(qiáng)度指標(biāo)表征。

1)剛度評定

結(jié)合《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)，選擇SSI(路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù))作為瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況評價(jià)指標(biāo)。針對采用大修措施(基層銑刨重鋪與基層再生)路段情況，統(tǒng)計(jì)分析各路段通過彎沉得到的SSI值，計(jì)算保證率系數(shù)，確定采用大修措施路段SSI指標(biāo)要求為SSI≤0.68。

2)強(qiáng)度評定

對于基層而言，彎拉強(qiáng)度是決定在此應(yīng)力狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)是否會產(chǎn)生彎拉破壞的重要參數(shù)，可作為輔助指標(biāo)，對路面承載能力進(jìn)行決策，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)參考《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034—2018)。

2.3 農(nóng)村公路路面維修養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵指標(biāo)

針對浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面運(yùn)營狀況，綜合多項(xiàng)改造關(guān)鍵指標(biāo)，研究指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，建立農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)改造利用決策體系。

2.3.1 決策依據(jù)

在進(jìn)行改造利用決策過程中，根據(jù)決策目標(biāo)要求，確定決策指標(biāo)，制定各種不同路面狀況所對應(yīng)的改造利用措施，為改造利用決策提供依據(jù)。

1)決策指標(biāo)的分級排序

依據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)和《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H10—2009)，從理論養(yǎng)護(hù)改造需求的角度考慮，在浙北地區(qū)農(nóng)村公路維修養(yǎng)護(hù)決策體系中，瀝青路面性能指標(biāo)決策優(yōu)先等級可依次排序?yàn)椋郝访娼Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度(彎沉數(shù)據(jù))、路面損壞、路面平整度。路面結(jié)構(gòu)和材料性能指標(biāo)，可在各決策指標(biāo)中進(jìn)行輔助判斷，不列入決策樹的主要分支。

2)決策條件

決策條件是決策樹構(gòu)建的另一個(gè)重要因素，通過決策條件決定決策樹分支的走向，從而進(jìn)入下一級決策[8-9]。

2.3.2 維修養(yǎng)護(hù)決策體系

在路面改造過程中，需要根據(jù)關(guān)鍵指標(biāo)確定舊路面性能，進(jìn)而確定路面基層和面層養(yǎng)護(hù)措施，建立農(nóng)村公路瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)決策體系，如圖1所示。

圖1 農(nóng)村公路瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)決策體系

3 工程應(yīng)用及效益評估

依托浙北地區(qū)農(nóng)村公路改造實(shí)體工程，開展農(nóng)村公路路面維修養(yǎng)護(hù)決策體系工程應(yīng)用與評價(jià)，對現(xiàn)場維修狀況進(jìn)行評估。

3.1 路面使用狀況調(diào)查

通過對整個(gè)路段進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查可知，該路段路面損壞狀況普遍較嚴(yán)重，塊狀裂縫和龜裂是主要病害，大量小型坑槽主要出現(xiàn)在重度龜裂處，局部路段產(chǎn)生沉陷，整個(gè)路段路面損壞狀況評定等級為差。

該路段總體彎沉狀況評價(jià)為中。根據(jù)瀝青路面改造利用決策體系要求，SSI值不符合要求，需要對基層芯樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行判斷。

取芯結(jié)果顯示，路面病害以龜裂、松散居多，病害處基層集料整體性較差，病害已貫通基層，部分基層芯樣在取芯過程中即發(fā)生破碎，可知其基層強(qiáng)度較差，不滿足決策體系中對強(qiáng)度的指標(biāo)要求。

3.2 路面維修養(yǎng)護(hù)

通過對浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面維修養(yǎng)護(hù)決策體系進(jìn)行決策，得到該路段的維修養(yǎng)護(hù)方案為：基層應(yīng)進(jìn)行銑刨(大修)。綜合考慮養(yǎng)護(hù)、造價(jià)和路面材料回收利用情況，確定路面維修方案為：對瀝青面層全部(部分)銑刨后，進(jìn)行全深式水泥穩(wěn)定碎石就地冷再生基層施工，然后統(tǒng)一回鋪3 cm AC-13C上面層+5 cm AC-20C下面層，瀝青上面層和下面層間設(shè)瀝青黏層，瀝青面層與水泥穩(wěn)定碎石基層間設(shè)瀝青封層。

從現(xiàn)場改造情況來看，浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面維修養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)作為農(nóng)村公路維修養(yǎng)護(hù)的決策工具，在路面性能指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)方面的決策是有效的，可以高效、精準(zhǔn)指導(dǎo)當(dāng)?shù)啬酥寥珖鞯貐^(qū)農(nóng)村公路路面大中修養(yǎng)護(hù)工作，全面提升農(nóng)村公路路面性能。

3.3 效益評估

針對路面改造利用過程，對經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能環(huán)保效益等進(jìn)行評估。

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

對進(jìn)場后的銑刨料生產(chǎn)前的處理成本進(jìn)行核算，水泥冷再生瀝青混合料中舊料與新料質(zhì)量比為70∶30，水泥摻量2%。相較于低劑量水泥穩(wěn)定碎石基層，本項(xiàng)目水泥冷再生瀝青混合料節(jié)省成本約105.55萬元，節(jié)約成本約59%。

3.3.2 節(jié)能環(huán)保效益

由能耗計(jì)算結(jié)果可知，對于整個(gè)工程，水泥冷再生瀝青混合料替代水泥穩(wěn)定碎石瀝青混合料所節(jié)約的總能耗為0.2×106MJ，相當(dāng)于少燃燒7.3 t的標(biāo)準(zhǔn)煤，水泥冷再生瀝青混合料替代水泥穩(wěn)定碎石瀝青混合料所減少的CO2排放量為0.1×105kg。

4 結(jié)論

針對浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面病害狀況，對路面維修養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)展開研究，主要結(jié)論如下：

(1)通過對浙北地區(qū)農(nóng)村公路瀝青路面現(xiàn)場調(diào)研與分析，浙北地區(qū)農(nóng)村公路路面路用性能總體狀況普遍較差。

(2)針對瀝青路面提出了養(yǎng)護(hù)改造的關(guān)鍵指標(biāo)，主要包括路面損壞、路面平整度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(3)通過收集整理已養(yǎng)護(hù)路段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和保證率系數(shù)，得出維修養(yǎng)護(hù)時(shí)可采用的各關(guān)鍵指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)與閾值：路面損壞復(fù)合評價(jià)指標(biāo)PDI≤60，采用中修措施；路面平整度RQI≤74時(shí)，采用中修措施(面層銑刨、面層再生、罩面處理)；路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)SSI≤0.68，采用大修措施(基層銑刨、基層再生)。