公路瀝青路面彎沉值在耐久性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王輝、焦寶莉

（山東東泰工程咨詢有限公司，山東 淄博 255000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)高速公路建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，在給運(yùn)輸和日常出行帶來(lái)更多便利的同時(shí)，也使得公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中路面病害問(wèn)題日益凸顯，高速公路瀝青路面的耐久性問(wèn)題逐漸引起人們的重視（圖1為路面耐久性不足導(dǎo)致的病害）。目前對(duì)于瀝青路面耐久性評(píng)價(jià)的方法有很多，但尚未形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)方法缺乏系統(tǒng)性和針對(duì)性。瀝青路面彎沉值一定程度上反映了瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，并且測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單無(wú)損，測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量高，可用于評(píng)價(jià)瀝青路面的耐久性評(píng)價(jià)。但瀝青路面耐久性與彎沉值的關(guān)系尚不明確，因此，對(duì)瀝青路面彎沉值常用測(cè)定方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究瀝青路面彎沉值與路面耐久性的關(guān)系，提出相應(yīng)的耐久性評(píng)價(jià)方法，這在注重節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的今天具有積極意義。

圖1 路面耐久性不足導(dǎo)致的病害

1 瀝青路面彎沉值測(cè)試方法

瀝青路面的彎沉值是指路面在荷載作用下的豎向變形，在一定程度上反映了路面結(jié)構(gòu)的承載能力。實(shí)際工程中，通常對(duì)路面最大彎沉值和彎沉盆曲率半徑進(jìn)行測(cè)定。其中路面最大彎沉值可以用來(lái)評(píng)價(jià)由豎向變形造成的路面結(jié)構(gòu)破壞；路面彎沉盆曲率半徑可以用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)層破壞引起的路面破壞。目前，常用的瀝青路面彎沉測(cè)定主要有以下幾種方法。

一是貝克曼梁法。貝克曼梁法是指利用杠桿原理制成的彎沉儀對(duì)瀝青路面彎沉值進(jìn)行測(cè)定的一種方法（見(jiàn)圖2）。貝克曼梁法作為最基本的路面彎沉檢驗(yàn)手段，在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛。但貝克曼梁法在測(cè)定過(guò)程中采用后退法測(cè)量，需要駕駛員具備較好的駕駛技術(shù)。另外，貝克曼梁法作為人工測(cè)定方法，其工作量大、測(cè)定效率低、測(cè)定數(shù)據(jù)精確度較差，且采用此方法測(cè)得的彎沉值是靜態(tài)彎沉值，僅代表靜止?fàn)顟B(tài)下路面的彎沉特性，不能反映瀝青路面在車(chē)輛運(yùn)行作用下的承載力特性。

圖2 貝克曼梁法測(cè)定基層彎沉值

二是自動(dòng)彎沉儀法。自動(dòng)彎沉儀的測(cè)量原理與貝克曼梁法相同，只是將貝克曼梁法中的百分表?yè)Q成位移傳感器。采用自動(dòng)彎沉儀進(jìn)行路面彎沉值的測(cè)量大大降低了測(cè)量人員的工作量，提高了測(cè)量效率，由于測(cè)量過(guò)程中車(chē)輛行駛速度較慢，測(cè)得的彎沉值近似于靜態(tài)彎沉值。

三是落錘式彎沉儀法。落錘式彎沉儀 (FWD) 法是指利用標(biāo)準(zhǔn)重量的重錘對(duì)瀝青路面施加沖擊荷載，使瀝青路面在沖擊荷載的作用下產(chǎn)生變形，通過(guò)傳感器對(duì)沖擊荷載形成的彎沉盆各部位的變形進(jìn)行采集的一種瀝青路面彎沉測(cè)量方法。

落錘式彎沉儀（見(jiàn)圖3）的動(dòng)態(tài)加載可以很好地對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)行駛過(guò)程進(jìn)行模擬，測(cè)得的彎沉值為動(dòng)態(tài)彎沉值，更加切合實(shí)際；測(cè)試結(jié)果還可以換算為回彈彎沉值來(lái)評(píng)價(jià)瀝青路面的承載能力，也可以用于瀝青路面結(jié)構(gòu)空洞的檢測(cè)。但是此彎沉測(cè)定方法只能對(duì)瀝青路面某一點(diǎn)的彎沉值進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)較為離散，只能反映某一點(diǎn)的路面彎沉特性。

圖3 落錘式彎沉儀

四是穩(wěn)態(tài)動(dòng)力彎沉儀法。穩(wěn)態(tài)動(dòng)力彎沉儀法是指對(duì)瀝青路面施加外部荷載后，利用振動(dòng)發(fā)生設(shè)備按照一定的頻率對(duì)路面施加正弦荷載，通過(guò)布置于路面的傳感器對(duì)瀝青路面因荷載產(chǎn)生的彎沉量進(jìn)行采集的一種路面彎沉值測(cè)量方法。采用穩(wěn)態(tài)動(dòng)力彎沉儀對(duì)瀝青路面的彎沉值進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)精度高、測(cè)量速度快、不需要設(shè)置參考點(diǎn)，每一次測(cè)量可以得出多個(gè)彎沉值。但是為防止測(cè)量過(guò)程中設(shè)備在動(dòng)荷載的作用下跳離路面，需要對(duì)路面施加較大的靜載，這一過(guò)程改變了路面的力學(xué)性能。另外，與車(chē)輛實(shí)際荷載相比，施加的動(dòng)荷載偏小，無(wú)法準(zhǔn)確模擬路面在車(chē)輛荷載作用下的彎沉變形。

五是滾輪式彎沉儀法。滾輪式彎沉儀（RWD）法是指在輪式結(jié)構(gòu)上安裝高精度激光掃描裝置，在行駛過(guò)程中對(duì)瀝青路面產(chǎn)生的彎沉變形進(jìn)行連續(xù)掃描測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算瀝青路面彎沉值以及彎沉盆相關(guān)數(shù)據(jù)。滾輪式彎沉儀可以對(duì)瀝青路面實(shí)際受力狀態(tài)下的變形進(jìn)行測(cè)量，而且其測(cè)量速度高于落錘式彎沉儀法，對(duì)于道路行車(chē)影響較小。

2 瀝青路面耐久性與彎沉值的關(guān)系

2.1 瀝青路面耐久性評(píng)價(jià)方法

瀝青路面耐久性評(píng)價(jià)是公路養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)中的重要環(huán)節(jié)。耐久性評(píng)價(jià)是指通過(guò)瀝青路面各項(xiàng)性能指標(biāo)或者綜合性指標(biāo)對(duì)其實(shí)際路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為公路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)，有利于提高公路運(yùn)營(yíng)水平、減少道路養(yǎng)護(hù)成本。當(dāng)前瀝青路面耐久性評(píng)價(jià)方法有很多，通常從瀝青路面的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等方面入手。

在瀝青路面水穩(wěn)定性分析方面，實(shí)際工程常采用馬歇爾浸水試驗(yàn)對(duì)不同因素下的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，并通過(guò)正交分析法對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用該方法進(jìn)行路面耐久性評(píng)價(jià)時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)采樣，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)；且試驗(yàn)過(guò)程中僅對(duì)采樣點(diǎn)處的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)的代表性較差。

在瀝青路面高溫穩(wěn)定性研究方面，實(shí)際工程常通過(guò)車(chē)轍預(yù)估模型對(duì)瀝青路面車(chē)轍深度、有效作用次數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并以上述指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行路面耐久性評(píng)價(jià)。該方法能夠根據(jù)相關(guān)資料對(duì)瀝青的耐久性進(jìn)行預(yù)測(cè)，但其結(jié)果受模型參數(shù)取值的影響較大。

2.2 瀝青路面彎沉值與其他耐久性評(píng)價(jià)方法

瀝青路面彎沉值反映了路面的承載能力，其數(shù)值大小受到路基強(qiáng)度、道路基層模量、道路面層模量等因素的影響。道路基層與面層的強(qiáng)度是評(píng)價(jià)道路路用性能的重要指標(biāo)，在一定程度上可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青路面耐久性；與其他評(píng)價(jià)方法相比，路面彎沉值的測(cè)量還具有過(guò)程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。因此，探究實(shí)際工程中瀝青路面彎沉值隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)于減少公路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本，提高公路運(yùn)營(yíng)水平具有積極意義。

3 工程實(shí)例研究

3.1 工程概況

基于山東省部分高速公路實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行了研究，該省高速公路車(chē)流量較大，在長(zhǎng)期車(chē)輛荷載的作用下，瀝青路面出現(xiàn)了不同程度的病害。為研究瀝青路面彎沉值與耐久性關(guān)系，為瀝青路面長(zhǎng)期路用性能評(píng)價(jià)提供方法，對(duì)該省部分高速公路定檢中瀝青路面彎沉值及其運(yùn)營(yíng)年限等信息進(jìn)行了收集調(diào)查，得到表1中的數(shù)據(jù)。

表1 瀝青路面彎沉值檢測(cè)表

3.2 瀝青路面彎沉值數(shù)據(jù)分析

瀝青路面彎沉值既能夠反映該段道路各個(gè)結(jié)構(gòu)層的整體強(qiáng)度，還能一定程度上反映該段路面的剛度。將各高速公路不同時(shí)期路面彎沉值進(jìn)行分析，得到路面彎沉值隨運(yùn)營(yíng)年限的變化圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 路面彎沉值隨運(yùn)營(yíng)年限變化圖

由圖4可知，在高速通車(chē)運(yùn)營(yíng)1年后，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層密實(shí)度增加，此時(shí)瀝青路面受到外界環(huán)境的影響也較小，彎沉值相對(duì)穩(wěn)定。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，瀝青路面在降水、日照、溫度等外界因素的作用下逐漸產(chǎn)生老化現(xiàn)象，瀝青的黏結(jié)能力降低，降水逐漸滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，該階段瀝青路面彎沉值持續(xù)增加，對(duì)于大孔隙瀝青路面，因其受到外界降水等因素的影響較大，其彎沉值變化更為明顯，說(shuō)明其耐久性低于普通密實(shí)級(jí)配瀝青混凝土路面。公路運(yùn)營(yíng)2～5年期間，瀝青路面彎沉值隨時(shí)間變化曲線斜率較大，這表明在外界環(huán)境因素以及車(chē)輛荷載的作用下，瀝青路面逐漸產(chǎn)生了一定的病害，導(dǎo)致該階段路面彎沉值變化較大。當(dāng)公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)5年后，瀝青路面進(jìn)入大修期，此階段路面彎沉值的增加趨勢(shì)趨于穩(wěn)定。

3.3 彎沉值在瀝青路面耐久性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

根據(jù)上述研究可知，瀝青路面的彎沉值能夠一定程度上反映瀝青路面的路用性能。在道路運(yùn)營(yíng)期間，應(yīng)定時(shí)對(duì)路面彎沉值進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比不同時(shí)期的瀝青路面彎沉值的變化，當(dāng)路面彎沉值出現(xiàn)增高趨勢(shì)時(shí)，說(shuō)明在外界因素的影響下瀝青路面路用性能及耐久性有所下降，應(yīng)采取相關(guān)手段對(duì)路面進(jìn)行處理；若瀝青路面的彎沉值與上一階段相比沒(méi)有明顯變化，則可以適當(dāng)推遲路面養(yǎng)護(hù)或大中修的期限。

4 結(jié)論

我國(guó)前期建造的高速公路已進(jìn)入大修期，瀝青路面的耐久性問(wèn)題逐漸引起了人們的重視。目前對(duì)于瀝青路面耐久性的評(píng)價(jià)方法很多，但是對(duì)于瀝青路面彎沉值與耐久性的關(guān)系研究較為欠缺。本文對(duì)瀝青路面彎沉值常用的彎沉值測(cè)定方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)瀝青路面彎沉值在耐久性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用展開(kāi)研究，主要得出以下結(jié)論。

一是工程中通常從瀝青路面的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等方面入手對(duì)路面耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)，但上述方法存在試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)代表性較差、結(jié)果可靠性較低等缺點(diǎn)。

二是瀝青路面彎沉值大小受到路基強(qiáng)度、道路基層模量、道路面層模量等因素的影響，在一定程度上可以反映瀝青路面的承載能力。因此，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化，瀝青路面彎沉值也會(huì)發(fā)生變化，可以將彎沉值作為瀝青路面耐久性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

三是瀝青路面建成初期，其路面結(jié)構(gòu)處于強(qiáng)度上升階段，路面彎沉值與道路建成期相比變化不大。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)，路面彎沉值會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)于不同類(lèi)型路面結(jié)構(gòu)，其彎沉值增長(zhǎng)的速度不同，大孔隙結(jié)構(gòu)路面相對(duì)于密實(shí)級(jí)配結(jié)構(gòu)路面彎沉值增長(zhǎng)更快。隨著瀝青路面大中修的進(jìn)行，瀝青路面彎沉值變化趨于平穩(wěn)。

四是道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，按時(shí)對(duì)瀝青路面彎沉值進(jìn)行測(cè)量：當(dāng)路面彎沉值與上一階段相比存在上升趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行道路的養(yǎng)護(hù)與維修；若瀝青路面彎沉值與上一階段相比變化不大，可以適當(dāng)推遲路面養(yǎng)護(hù)維修時(shí)間。