瀝青路面結構承載能力評價方法研究及影響因素分析

寇冠宇

(華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014)

1 引 言

瀝青路面是我國高等級公路使用的主要路面結構形式之一。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，道路通行的重載貨車逐年增加，各省市早期修建的瀝青路面已有部分達到設計使用年限，現(xiàn)狀道路也出現(xiàn)了不同程度的病害，亟需進行維修改造或改擴建，對舊瀝青路面使用現(xiàn)狀開展系統(tǒng)、全面的評價，客觀認識既有道路的殘余壽命[1]，是提出合理的路面改造方案的重要前提。特別是，舊路的結構承載能力和殘余強度的評價十分關鍵[2-3]，是路面改擴建設計以及施工現(xiàn)場控制的一個重要參數(shù)。

為了研究舊瀝青路面結構承載能力評價方法，選擇合適的手段對既有道路殘余壽命進行準確評價，依托廣東省開陽高速改擴建工程的舊路調查數(shù)據(jù)，利用無損彎沉檢測和有損現(xiàn)場鉆芯等手段，從不同角度對舊路結構承載能力評價方法進行了系統(tǒng)研究。該公路是我國20世紀90年代修建的早期高等級公路，具有顯著的代表性，目前經(jīng)過多年使用，由于交通量較大導致服務能力下降，計劃開展改擴建。

2 基于彎沉的舊路結構承載能力評價

彎沉是反映路面結構承載能力的關鍵指標，主要采用單點實測彎沉值、FWD模量反算、路面結構強度指數(shù)(PSSI)評分值以及鉆芯取樣結果對某公路的舊路結構承載能力進行評價。

2.1 單點彎沉值

舊路單點實測彎沉值過大，則說明其結構承載能力較差，在選擇舊路改造及加鋪方案時，需要判斷其能否直接加鋪或者是否需要進行整體結構補強。采用落錘式彎沉儀(FWD)對開陽高速公路上、下行兩個方向的行車道和超車道進行彎沉檢測，測點按照每10 m一點的方式進行布設，單點彎沉值統(tǒng)計結果匯總如表1所示。

從表1中單點彎沉值的檢測結果來看，該公路全線彎沉值較小，單點實測彎沉代表值平均為10.4～15.6(0.01 mm)之間，僅有個別路段彎沉代表值大于25(0.01 mm)以上，約占道路總長度的3%，這說明現(xiàn)狀道路的結構承載能力較好，仍具有足夠的殘余強度。該公路為我國20世紀建設的代表性工程，經(jīng)過多年使用，在現(xiàn)狀道路交通量大、重載車輛較多的情況下，仍然能夠保持良好的結構承載能力，其中的原因是值得總結和分析的。通過歷史資料調研我們發(fā)現(xiàn)，該路建設期間的路面結構及材料設計合理，結構安全儲備較高。而且，建設期間施工質量控制較為嚴格，從所收集的建設期間質量抽檢資料來看，路基、基層、面層等各層材料施工中變異性很小、材料均勻，可以有效的保證各層材料及混合料符合設計要求，保證工程質量。此外，在該路日常養(yǎng)護中，對于結構承載能力不足路段進行了深度結構補強處理，進一步提高了結構承載能力。

從表1中的結果還可以看出，上、下行兩個方向的行車道彎沉值明顯大于超車道的彎沉值，這表明行車道的結構承載能力要弱于超車道。結合該公路斷面交通量和交通組成的調查情況來看，行車道上行駛的車輛主要是特大貨車和小貨車，超車道上行駛的車輛主要是小客車，而且現(xiàn)狀道路的斷面交通量較大，道路擁擠現(xiàn)象十分嚴重，行車速度和道路通行能力大大降低，特別是高峰時段貨車的車速較低。一方面，由于貨車的軸重較重，對于路面結構受力十分不利，導致行車道的承載能力衰減較快。另一方面，由于車速低、車輛行駛緩慢，延長了對路面的作用時間，會加劇路面結構強度的衰變，從而導致行車道的結構承載能力不如超車道。

表1 單點彎沉值結果統(tǒng)計表

2.2 基于FWD彎沉盆的路面結構層反算模量

為了進一步分析各個結構層材料的模量水平，采用落錘式彎沉儀FWD對全線進行了檢測，并根據(jù)FWD檢測結果，利用SIDMOD程序進行模量反算[4]。結構層模量反算時將路面結構分為路面+基層+路基3層，即：將瀝青混凝土四層面層等效為第一層進行反算、中間三層基層等效為第二層進行反算、路基為第三層。FWD模量反算結果，該公路現(xiàn)狀道路面層等效模量主要在4 000～6 000 MPa之間，基層等效模量主要在800～1 200 MPa之間，路基等效模量主要在200～400 MPa之間。從模量數(shù)值來看，全線路面、基層、路基的剩余結構模量仍較大，衰減幅度不大、路面整體結構強度仍十分良好。

3 基于路面結構強度指數(shù)PSSI的結構承載能力評價

采用激光動態(tài)彎沉測量系統(tǒng)對全線雙向四車道進行連續(xù)檢測[5]，按單車道每公里計算彎沉代表值，在考慮季節(jié)修正和溫度修正后，將該數(shù)值換算為貝克曼梁彎沉值，最后按照現(xiàn)行規(guī)范[6]的規(guī)定計算路面結構強度指數(shù)PSSI，統(tǒng)計結果如表2所示。從表2的路面結構強度指數(shù)檢測結果可以看出，該公路全線總體彎沉水平較好，全線雙向四車道PSSI平均分達到了97分。其中：上行超車道PSSI平均值為97.8分、上行行車道PSSI平均值為96.8分、下行超車道PSSI平均值為97.3分、下行行車道PSSI平均值為96.0分。PSSI評分值為優(yōu)的路段占91.2%，評分為良的路段占8.6%，僅有0.2%的路段評分為中。這說明現(xiàn)狀道路的結構強度整體較好、結構承載能力較為優(yōu)異。總體上看，上行方向彎沉水平比下行方向好，前者路面結構強度更高。下行行車道PSSI評分值為優(yōu)的路段僅為82.7%。造成這樣差異的主要原因是由于上下行方向的交通組成不同，下行方向的貨車比例比較高所致。車道分布情況來看，由于超車道主要行駛小型車輛、而行車道以重載貨車為主，導致行車道的彎沉水平明顯差于超車道。PSSI評分值為“中”的路段均是出現(xiàn)在行車道位置。

表2 路面結構強度指數(shù)PSSI統(tǒng)計表

4 基于路面芯樣的舊路結構承載能力評價

為了評價現(xiàn)狀道路的殘余強度、分析路面病害產生的原因、探明道路的厚度、材料類型和結構類型，我們對全線橋面段以外的車道進行了鉆芯檢測。采用路面鉆孔取芯機對面層和基層進行了現(xiàn)場取芯，選取有代表性的芯樣進行現(xiàn)場封存，并在室內進行了抗壓強度和劈裂強度試驗。基層強度試驗采用現(xiàn)行規(guī)范[7]要求的劈裂強度和無側限抗壓強度試驗方法，試驗結果匯總如表3所示。從表3中的試驗結果可知，在路基狀況良好的狀態(tài)下，水穩(wěn)基層劈裂強度的平均值可達1.17 MPa，無側限抗壓強度可達8.13 MPa，這表明現(xiàn)狀道路結構的基層殘余強度仍較高，基層使用狀態(tài)良好。基層是整個路面結構的主要承重層，由于該公路基層殘余結構強度較高、使用狀況優(yōu)良，這使得舊路整體結構承載能力較優(yōu)、單點實測彎沉值較小，因此即使舊路已經(jīng)超過了原設計的使用年限仍可繼續(xù)使用，而且在改擴建中也并不需要進行大規(guī)模的結構補強，對于結構承載能力滿足要求及病害輕微的路段，僅需對舊路進行加鋪罩面改善表面功能即可。

表3 水穩(wěn)基層芯樣強度試驗結果統(tǒng)計表

將取芯點樁號與該點的彎沉調查結果相互對應，并結合現(xiàn)場取芯的情況，可以發(fā)現(xiàn)，當測點的彎沉值較小時，取芯的現(xiàn)場情況基本上對應的是表面完好的狀態(tài)或者細小的橫縫、輕微車轍或離析，此時取出的芯樣較為完整，一般都可以取至基層，面層層間與基面層間結合基本完好，基層頂面也很少出現(xiàn)松散，路面結構可以形成一個整體，因此能夠提高整個結構的承載能力。當測點的彎沉值較大時，大部分芯樣的現(xiàn)場情況對應的是縱縫或唧漿的狀態(tài)，此時芯樣較難完整地取出，大部分芯樣僅能取出上面層，中、下面層和基層頂部都發(fā)生了松散，層間結合不良，路面結構很難形成一個整體來承受車輛荷載的作用。由于這些病害的產生，路面結構發(fā)生了損壞，導致了路面結構整體承載能力已經(jīng)嚴重不足。對于部分彎沉值較大的測點，取芯的現(xiàn)場情況雖然對應的是表面完好的狀態(tài)，芯樣也能夠取出較為完整的瀝青面層，但面層內部的空隙率明顯偏大，瀝青的粘結力較弱，部分芯樣的基層頂面發(fā)生了松散或基層出現(xiàn)斷裂。盡管此時沒有病害產生，路面結構也能夠形成一個整體，但由于路面結構強度不足以及材料性能的衰減，也導致了結構承載能力不足。

5 結 論

依托開陽高速公路改擴建工程，研究了舊路面結構承載能力的評價方法，以單點彎沉值、結構層反算模量、路面結構強度指數(shù)PSSI和芯樣強度等為評價指標，系統(tǒng)分析了舊路面結構承載能力的使用現(xiàn)狀及內在成因。這些指標能較好的評價舊路的結構承載能力，對于該公路而言，舊路結構強度整體較好、結構承載能力較為優(yōu)異，對于結構承載能力滿足要求及病害輕微的路段，僅需對舊路進行加鋪罩面改善表面功能即可，僅有部分路段彎沉值偏大需要進行局部補強。