基于路面開裂狀況的薄瀝青路面半剛性基層模量評(píng)估

金 辰

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804)

0 引言

我國(guó)的薄瀝青路面結(jié)構(gòu)由薄瀝青混凝土面層(5～10 cm)和具有較高強(qiáng)度的半剛性基層組成，一般適用于中低等級(jí)路面[1]。該路面結(jié)構(gòu)以半剛性基層作為主要承重層，基層的承載能力對(duì)路面耐久性有重要影響[2]。目前，常用的多層彈性體系理論認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)都是均質(zhì)彈性體，結(jié)構(gòu)層承載力的大小由結(jié)構(gòu)層的模量表征[3]。因此，在進(jìn)行路面管理和養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，合理評(píng)估半剛性基層的模量具有重要意義。

基層的模量難以直接檢測(cè)得到。目前，主要通過落錘式彎沉儀(FWD)獲取路面彎沉盆，利用模量反演方法得到各結(jié)構(gòu)層模量[4]。但在實(shí)際工程中采用FWD進(jìn)行路網(wǎng)檢測(cè)的頻率并不高，且檢測(cè)成本較高。一般而言，養(yǎng)護(hù)管理部門每年會(huì)對(duì)各級(jí)瀝青路面進(jìn)行路面損壞狀況調(diào)查[5]。在這種情況下，若能建立路面損壞與基層模量的相關(guān)關(guān)系，就能利用現(xiàn)有路面損壞數(shù)據(jù)評(píng)估基層模量。

事實(shí)上，路面損壞狀況作為路面結(jié)構(gòu)承載能力的外觀反映，兩者之間的相關(guān)性一直是工程界探討的問題。已有研究中，SEBAALY[6]等、CHEN[7]通過足尺加速加載試驗(yàn)，比對(duì)FWD測(cè)試結(jié)果與路面裂縫狀況，發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的發(fā)展趨勢(shì)，但未建立明確的相關(guān)關(guān)系；JAMESOD[8]利用FWD反演了面層模量，建立了面層模量與路面裂縫率的關(guān)系曲線；THEYSEL[9]等通過加速加載試驗(yàn)研究了基層開裂與其模量的演變規(guī)律，認(rèn)為可將基層開裂分為3個(gè)階段，并提出了基層在不同開裂狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的模量取值范圍。MAINA[10]等采用實(shí)際服役道路的檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立了日本養(yǎng)護(hù)控制指數(shù)(MCI，反映路面裂縫、車轍和平整度狀況的綜合指標(biāo))與路面彎沉的相關(guān)關(guān)系。相對(duì)而言，這些研究的檢測(cè)數(shù)據(jù)大多來(lái)源于加速加載試驗(yàn)，對(duì)實(shí)際服役道路的研究較少，且多集中于柔性路面結(jié)構(gòu)，對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的研究較少。對(duì)于我國(guó)的薄瀝青路面結(jié)構(gòu)，路面損壞與基層模量之間的相關(guān)性也尚未明確。

為此，本文依托內(nèi)蒙古某公路改建工程，以實(shí)際道路為研究對(duì)象，首先進(jìn)行路面損壞狀況調(diào)查，并通過鉆芯取樣分析路面損壞的發(fā)展?fàn)顩r，試圖從路面損壞成因的角度，探討以路面開裂狀況反映基層模量的可行性。然后利用FWD反演基層模量，建立路面開裂狀況與基層反演模量的相關(guān)關(guān)系，并據(jù)此劃分基層模量衰減狀況等級(jí)。

1 工程概況與試驗(yàn)方法

1.1 工程概況

本文依托內(nèi)蒙古某公路的改高改造升級(jí)工程進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)采集。該道路于2005年建成通車，設(shè)計(jì)年限15 a，至本次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研為止已服役長(zhǎng)達(dá)13 a，處于道路使用的中后期。該道路為雙向四車道，內(nèi)側(cè)為寬3.75 m的超車道，中間為寬3.75 m的行車道，外側(cè)為寬3.25 m的硬路肩，路面結(jié)構(gòu)信息如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)信息Table 1 Parameters of pavement structure結(jié)構(gòu)層厚度/cm各層材料及厚度面層73 cm AC-13瀝青混凝土4 cm AC-16瀝青混凝土基層4020 cm水泥穩(wěn)定碎石20 cm水泥穩(wěn)定碎石

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

本文共選取了6個(gè)調(diào)研路段，每個(gè)調(diào)研路段長(zhǎng)約400 m，共計(jì)2.5 km。首先，利用FWD以20 m間隔檢測(cè)行車道和超車道輪跡帶處的路表彎沉，以30 m間隔檢測(cè)硬路肩處的路表彎沉，共計(jì)獲得311個(gè)有效彎沉盆數(shù)據(jù)。然后，人工記錄路面損壞狀況，同時(shí)為了解各類路面損壞的發(fā)展?fàn)顩r，在路面完好處、車轍處、松散處,及各類裂縫處隨機(jī)進(jìn)行鉆芯取樣，鉆芯深度達(dá)到下基層頂面，鉆芯個(gè)數(shù)共計(jì)60個(gè)。

1.3 路面開裂狀況計(jì)算與模量反演方法

1.3.1路面開裂狀況計(jì)算方法

為定量表征路面開裂狀況，本文采用裂縫率(K)表征路面開裂狀況，裂縫率是裂縫影響面積的百分比，單條裂縫的影響寬度為0.2 m。此外，為綜合考慮裂縫類型、裂縫嚴(yán)重程度和裂縫密度，本文借鑒路面損壞狀況指數(shù)的計(jì)算方法，采用適用于多種損壞、基于權(quán)函數(shù)的分層加權(quán)計(jì)算方法[11]對(duì)路面裂縫狀況進(jìn)行綜合評(píng)分，記為裂縫狀況指數(shù)(PCIk)。該指標(biāo)以百分比計(jì)量，100%表示路面未出現(xiàn)裂縫，計(jì)算方法如下：①根據(jù)裂縫類型、嚴(yán)重程度和裂縫密度，通過查表和插值計(jì)算得到單項(xiàng)扣分值DPij；②利用式(1)、式(2)計(jì)算各單項(xiàng)扣分值對(duì)應(yīng)的權(quán)重Wij和不同裂縫類型的扣分值DPi；③通過式(1)、式(3)計(jì)算各裂縫類型扣分值對(duì)應(yīng)的權(quán)重Wi和總扣分值DP；④根據(jù)式(4)計(jì)算裂縫狀況指數(shù)(PCIk)?？梢姡撚?jì)算方法通過逐層加權(quán)累加得到總扣分值，且各類損壞的權(quán)重不是常數(shù)，而是變數(shù)，是隨該損壞在總損壞中所占比重而變化的。

W=f(μ)=3.0×μ3-5.5×μ2+3.5×μ

(1)

(2)

(3)

PCIk=100-DP

(4)

式中：W為權(quán)重；DP為扣分值；i為裂縫類型；j為裂縫嚴(yán)重程度。

1.3.2模量反演方法

通過路面彎沉盆反演各結(jié)構(gòu)層模量是目前廣泛應(yīng)用的路面結(jié)構(gòu)承載能力無(wú)損評(píng)價(jià)方法，并涌現(xiàn)了大量的模量反演程序。其中，基于數(shù)據(jù)庫(kù)搜索法的MODULUS模量反演程序是常用的模量反演方法。MODULUS反演程序的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，收斂穩(wěn)定，適合用于路網(wǎng)普查，這也是美國(guó)SHRP計(jì)劃通過比較、篩選后決定選用MODULUS的主要原因[12]。因此，本文選取MODULUS反演程序反演基層模量。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)層模量反演時(shí)，將路面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為3層體系：面層、基層和路基。面層、基層和路基的泊松比分別取0.35、0.2、0.4，面層和基層的厚度分別取7、40 cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 路面鉆芯取樣結(jié)果

路面損壞狀況的調(diào)研結(jié)果顯示，損壞以裂縫類為主，占比79.1 %；其次是變形類，占比12.1%；其余幾種損壞占比較小。為進(jìn)一步了解基層的損壞狀況，對(duì)路面進(jìn)行了鉆芯取樣，鉆芯結(jié)果如表2所示，代表芯樣如圖1所示。

從鉆芯結(jié)果可見： ①路表完好處的芯樣面層與基層較完整。②變形類、表?yè)p類損壞僅出現(xiàn)在面層，而基層芯樣完整性較好。③橫向裂縫處的個(gè)別芯樣僅在面層出現(xiàn)了裂縫。從起因上看，這類裂縫一般是在溫度作用下瀝青面層本身產(chǎn)生的自上而下的溫度裂縫[13]。而貫穿面層和基層的橫向裂縫，一般是基層在干縮、溫縮作用下產(chǎn)生的開裂并逐漸擴(kuò)展至面層而形成的反射裂縫[14]。④其余裂縫類損壞所對(duì)應(yīng)的基層往往出現(xiàn)不同程度的損壞。

由此可見，路面開裂位置的絕大多數(shù)基層芯樣出現(xiàn)了開裂甚至碎裂，說明經(jīng)過多年的交通、環(huán)境作用，薄瀝青路面結(jié)構(gòu)的路面開裂狀況在一定程度上可以反映基層的損壞狀況。白雪[15]等對(duì)薄瀝青路面進(jìn)行鉆芯取樣也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。

為建立基層模量與路面損壞狀況的相關(guān)關(guān)系，選取與基層性能相關(guān)性較大的損壞。根據(jù)鉆芯結(jié)果，變形類、表?yè)p類損壞一般僅出現(xiàn)在面層，其屬于非結(jié)構(gòu)性損壞，往往與面層性能相關(guān)而和基層性

表2 路面鉆芯取樣情況Table 2 Pavement core sampling situation鉆芯位置鉆芯個(gè)數(shù)基層狀況完好處16基層完整性較好,未見明顯損壞車轍處5基層完整性較好,未見明顯損壞松散處5基層完整性較好,未見明顯損壞橫向裂縫處107個(gè)芯樣基層開裂甚至碎裂,3個(gè)芯樣基層完整性較好縱向裂縫處8基層開裂甚至碎裂塊狀裂縫處8基層開裂甚至碎裂龜裂處8基層基本碎裂

(a)橫向裂縫處

(b)縱向裂縫處

(c)塊狀裂縫處

能的相關(guān)性較小[16]。孫斌[17]等對(duì)國(guó)內(nèi)多條瀝青道路進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)銑刨后半剛性基層損壞的主要表現(xiàn)形式是裂縫，不存在變形類或表?yè)p類損壞。因此，本文選取裂縫類損壞進(jìn)行后續(xù)的路面開裂狀況計(jì)算。此外，根據(jù)鉆芯結(jié)果，橫向裂縫中約30%為瀝青層溫度裂縫，70%為基層反射裂縫，由于溫度裂縫為瀝青層本身產(chǎn)生的損壞，故剔除溫度裂縫，按橫向裂縫的70%計(jì)算基層反射裂縫。

2.2 路面開裂狀況與基層模量反演結(jié)果

本文將行車方向?yàn)?00 m，垂直于行車方向?yàn)閱诬嚨缹挾茸鳛橐粋€(gè)評(píng)價(jià)單元，共計(jì)70個(gè)評(píng)價(jià)單元。利用上述路面開裂狀況計(jì)算方法，計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的裂縫率和裂縫狀況指數(shù)，各評(píng)價(jià)單元的路面開裂狀況計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖可見，裂縫率越高對(duì)應(yīng)的裂縫狀況指數(shù)往往越低，兩者具有相反關(guān)系；評(píng)價(jià)單元28～31的裂縫率較大，主要是因?yàn)檫@些單元存在較嚴(yán)重的龜裂；裂縫率分布范圍為0.4 %～15.5 %，裂縫狀況指數(shù)的分布范圍為53.9分～97.7分，開裂狀況基本覆蓋了路面開裂的各個(gè)階段，具有代表性。

圖2 各評(píng)價(jià)單元裂縫率和裂縫狀況指數(shù)Figure 2 Crack rate and crack condition index of each evaluation unit

由于裂縫率與裂縫狀況指數(shù)具有相似規(guī)律特征，本文以裂縫狀況指數(shù)為例，統(tǒng)計(jì)各路段不同車道的裂縫狀況指數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖3所示。同時(shí)，利用MODULUS模量反演程序反演基層模量，同樣統(tǒng)計(jì)各路段不同車道的基層模量均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖4所示。由圖3、圖4可見，不同車道的PCIk和基層模量差異明顯，PCIk越低的車道對(duì)應(yīng)的基層模量通常越小。路肩處的PCIk接近100，基層模量也最高；行車道的PCIk普遍低于超車道，其基層模量也普遍低于超車道。說明路面開裂與模量衰減具有相同的發(fā)展趨勢(shì)，基層模量衰減往往伴隨著路面結(jié)構(gòu)的損壞。

圖3 各路段不同車道的裂縫狀況指數(shù)統(tǒng)計(jì)Figure 3 Crack condition index of different lanes in each road section

圖4 各路段不同車道的基層模量統(tǒng)計(jì)Figure 4 Base & modulus of different lanes in each road section

出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)槁芳缃?jīng)受的交通荷載很少，路面結(jié)構(gòu)損傷較小，故PCIk較高，基層模量也相應(yīng)較大；而相比超車道，行車道往往需要經(jīng)受更頻繁的交通荷載，且載重汽車較多，導(dǎo)致行車道的路面結(jié)構(gòu)損傷更嚴(yán)重，PCIk較低，基層模量也較小。

2.3 基層模量與路面開裂狀況相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探究基層模量與路面開裂狀況的相關(guān)關(guān)系，將評(píng)價(jià)單元內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的基層模量取平均值作為該評(píng)價(jià)單元的模量代表值，并將評(píng)價(jià)單元內(nèi)的裂縫率和裂縫狀況指數(shù)作為該評(píng)價(jià)單元的路面開裂狀況代表值。共計(jì)70個(gè)評(píng)價(jià)單元，得到基層模量與裂縫率、裂縫狀況指數(shù)的散點(diǎn)圖，如圖5、圖6所示，其中基層模量坐標(biāo)和裂縫狀況指數(shù)坐標(biāo)均為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

由圖5、圖6可見，隨著基層模量降低，裂縫率隨之增大，裂縫狀況指數(shù)隨之減小，各變量大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。采用線性模型進(jìn)行回歸分析，回歸公式見式(5)、式(6)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.69和0.77，表明基層模量與裂縫率、裂縫狀況指數(shù)之間在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下存在較好的線性關(guān)系，可采用裂縫率、裂縫狀況指數(shù)預(yù)估基層模量。

lnE=-0.163K+9.308

(5)

lnE=3.447ln(PCIk)-6.469

(6)

式中：E為基層模量均值，MPa；K為裂縫率，%；PCIk為裂縫狀況指數(shù)。

圖5 基層模量與裂縫率的相關(guān)性分析Figure 5 Correlation between base modulus and crack rate

圖6 基層模量與PCIk的相關(guān)性分析Figure 6 Correlation between base modulus and PCIk

JORDAAN[18]認(rèn)為在道路建成初期，受交通荷載作用時(shí)，基層主要產(chǎn)生拉應(yīng)力，瀝青面層主要產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)基層內(nèi)所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出一定限度(彎拉強(qiáng)度的35%以上或斷裂應(yīng)變的25%以上)，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫。隨著荷載持續(xù)作用，基層微裂縫不斷發(fā)展，使基層有效模量降低，并往往造成基層的先期開裂。一方面，由于基層模量降低，面層的壓應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，隨著基層模量不斷下降，面層拉應(yīng)力也隨之增大，從而誘發(fā)面層開裂；另一方面，在荷載作用下基層裂縫將逐漸擴(kuò)展至面層，形成路面反射裂縫。而對(duì)于薄瀝青路面，由于面層厚度較薄，抵抗荷載能力較弱，在荷載作用下面層裂縫發(fā)展更快，因而在路表更易產(chǎn)生宏觀裂縫[14，19]。因此，基層性狀對(duì)路面開裂具有較大影響，尤其是薄瀝青路面對(duì)基層性狀更為敏感。

3 基層模量衰減程度分類評(píng)價(jià)

由于石料、水泥摻量等的不同，使得不同半剛性基層的模量差別較大，采用模量絕對(duì)值難以直接反映基層模量的衰減程度。因此，有必要對(duì)基層模量進(jìn)行歸一化處理，即采用基層模量比(E/E0)，基層當(dāng)前模量與初始模量之比。

JIA[20]等研究了水泥穩(wěn)定碎石材料在疲勞加載過程中的模量衰減規(guī)律，采用模量比和疲勞損耗率(D)建立了基層模量衰減模型，如式(7)所示。王建章[21]等建議將半剛性基層模量衰減程度依據(jù)模量比分為3個(gè)等級(jí)，模量比分界值為0.7和0.5。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)模量比為0.7和0.5時(shí)，基層疲勞損耗率分別為0.19和0.83。本文依據(jù)此分界值，劃分基層模量衰減狀況等級(jí)，并基于基層模量與路面開裂狀況的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算各等級(jí)對(duì)應(yīng)的裂縫率、裂縫狀況指數(shù)范圍。

(7)

式中：D為疲勞損耗率；n為荷載作用次數(shù)；N為疲勞破壞時(shí)荷載作用次數(shù)；E為荷載作用n次后的基層模量；E0為基層初始模量。

基層初始模量對(duì)應(yīng)的基層狀況應(yīng)為完好狀態(tài)，即裂縫率K=0，裂縫狀況指數(shù)PCIk=100。將K=0，PCIk=100代入式(5)、式(6)，得到基層初始模量分別為11025、12149MPa，平均值為11587MPa。實(shí)際上，該值與路肩處的基層模量值相近，由于路肩經(jīng)受的交通荷載很少，也可將路肩處反演得到的基層模量作為基層初始模量。通過公式變換將式(5)、式(6)轉(zhuǎn)換為以模量比表達(dá)的形式，如式(8)、式(9)所示，進(jìn)而計(jì)算得到不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的裂縫率、裂縫狀況指數(shù)范圍，如表3所示。

ln(Eb/E0)=-0.163K

(8)

ln(Eb/E0)=3.447ln(PCIk/100)

(9)

至此，建立了基層模量衰減程度分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該方法以裂縫率、裂縫狀況指數(shù)為指標(biāo)，通過路面開裂狀況預(yù)估薄瀝青路面基層模量，并可初步預(yù)估基層的剩余壽命，評(píng)價(jià)結(jié)果可為路面養(yǎng)護(hù)或維修提供決策支持。

表3 基層模量衰減程度分類評(píng)價(jià)Table 3 Classification of base modulus attenuation degree基層模量衰減狀況等級(jí)基層模量比基層疲勞損耗率裂縫率/%裂縫狀況指數(shù)A0.7～1 0～0.19 0～2.1990.17～100 B0.5～0.70.19～0.832.19～4.2581.78～90.17C<0.5>0.83>4.25<81.78

4 基于路面開裂狀況檢測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證

分別選取A、B、C 3種基層模量衰減狀況等級(jí)的路段作為檢測(cè)對(duì)象，統(tǒng)計(jì)路面開裂狀況，驗(yàn)證路面開裂狀況是否滿足表3的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)得到的路面開裂狀況如表4所示。

表4 路段開裂狀況檢測(cè)結(jié)果Table 4 The results of road section cracking檢測(cè)類別基層模量比裂縫率/%裂縫狀況指數(shù)A0.831.3191.12B0.662.6886.43C0.464.5378.55

由表4可知，隨著基層模量降低，路面開裂程度加劇，不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的路面開裂狀況均符合表3的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，利用路面開裂狀況判別薄瀝青路面半剛性基層的模量狀況具有可行性。

5 結(jié)論

a.對(duì)調(diào)研路段進(jìn)行鉆芯取樣，觀察基層的損壞狀況，發(fā)現(xiàn)在道路使用的中后期，薄瀝青路面的裂縫類損壞所對(duì)應(yīng)的基層往往出現(xiàn)開裂甚至碎裂。

b.道路調(diào)研結(jié)果表明，受交通荷載的影響，不同車道的路面開裂狀況和基層模量差異明顯，且路面開裂狀況與基層模量具有相同的發(fā)展趨勢(shì)。

c.對(duì)于調(diào)研路段，基層模量與裂縫率、裂縫狀況指數(shù)之間具有較好的對(duì)數(shù)相關(guān)性。相比之下，由于分層加權(quán)法考慮了裂縫類型、裂縫嚴(yán)重程度和裂縫密度，該方法計(jì)算得到的裂縫狀況指數(shù)與基層模量的擬合效果更好，建議采用裂縫狀況指數(shù)預(yù)估基層模量。

d.本文以裂縫率、裂縫狀況指數(shù)為指標(biāo)，基于提出的基層模量衰減程度分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄瀝青路面半剛性基層模量的評(píng)估。

本文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，對(duì)于其他瀝青路面是否可行，有待采集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。