淺談陽茂高速公路瀝青路面保護策略

蔡卓生

(廣東省高速公路有限公司)

1 項目概況

廣東陽茂高速公路(以下簡稱該路段)是國道主干線(沈陽)至(海南)廣東境內的組成部分,是連接廣東、海南、廣西三省政治、經濟的大通道,也是粵西地區連接珠三角的高速公路主骨架。陽茂高速公路全長 79.76km,雙向四車道,設計速度為 120km/h,于 2004年年底建成通車。全線均為瀝青混凝土路面,面層設計總厚度為 18cm,橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度為 10cm。該路段通車使用五年多來,路面綜合狀況良好,主要的問題是裂縫、唧漿、車轍、以及橫向力系數偏低,特別是裂縫比較嚴重。為了防止路面的進一步損壞,特別是防止由于路面表面功能的損壞引起路面結構性的損壞,通過對路況病害進行調查和分析,針對陽茂當前路況提出了以預防性養護的路面保護方案,該方案是以低成本的表面處置措施為主,常用措施包括:裂縫處理、霧封層、微表處、熱拌瀝青混合料加鋪層等。與路面病害處理和大中修相比,適時的和有針對性的預防性養護,可以節省工程費用70%～80%以上。因此,路面預防性養護是一種最經濟有效的路面維修管理模式。路面預防性養護對延長路面使用壽命和路面大修重建周期,確保道路使用壽命周期經濟最大化具有重要意義。

2 路況調查及路面性能評價

(1)通過對該路段路面各項指標的檢測和調查,路面狀況性能為:平整度評價結果全部為“優”,車轍檢測有 42m不滿足要求(車轍深度＞15mm,茂陽方向),結構強度有752m評定達不到養護技術標準(茂陽方向);抗滑性能基本上全線都不滿足要求,需要盡快處理;在路面損壞評價中,裂縫(包括橫向裂縫和縱向裂縫)病害最為突出,其次是車轍。

(2)對裂縫病害與車轍病害進行相關性分析。

通過對該路段瀝青路面水損壞調查發現,發生在陽茂高速公路的水損壞有兩種表現形態:表面水損壞產生的坑槽和瀝青混合料內部水損壞產生的車轍。對于大多數瀝青路面來講,表面水損壞產生的坑槽是非常常見的問題,并不稀奇。然而,對于瀝青混合料內部水損壞產生的車轍以往的調查和研究并不多。為此,我們對這個問題進行了比較細致的調查和研究。首先,結合車轍路段的處理,將幾處發生嚴重車轍的位置挖開。挖開后可以發現,中面層松散,集料顆粒上油膜脫落,且瀝青上浮至上中面層的界面處,表現出明顯的深層水損壞特征。進一步,選典型路段計算路面車轍率和裂縫率(路面裂縫或車轍破損面積與所調查路段的路面總面積之比),進行裂縫與車轍相關性分析,

從相關系數的取值來看,p=0.0003＜α=0.05,且相關系數r=0.90984＞0.8,可以認為裂縫率和車轍率高度相關。也就是說裂縫病害和車轍病害有著很強的關聯性。從而可以推斷,陽茂高速公路瀝青路面的車轍與裂縫漏水有關。因此,對裂縫的處置,防止水分浸入路面,是陽茂高速公路瀝青路面預防性養護措施選擇的基本原則。

3 陽茂高速公路預防性養護路段劃分

(1)分離出PSSI評價結果較低、存在嚴重縱縫和嚴重車轍的路段,認為這些路段屬于結構性損壞,在采取矯正性養護措施后,再采用相應的預防性養護措施。對于其余路段,根據其它指標,繼續細分。

(2)采用橫向裂縫長度、向裂縫長度、車轍深度和摩擦系數四指標進行聚類分析。

(3)根據聚類分析結果,參照路面的實際情況對聚類結果進行優化,最終得到該路段預防性養護段落的劃分結果。

根據以上三步驟進行預防性養護的段落劃分。

3.1 剔除需要進行矯正性養護的路段

對PSSI評價為中及以下的路段進行剔除,只有茂陽方向752mPSSI被評價為中,須剔除。

3.2 路段劃分

剔除矯正性養護路段是對路段的初步劃分,而進行預防性養護路段劃分需明確各路段微觀的路面病害特點,不僅要考慮較多的單項路況指標,還要選擇較小的路段單元,這樣路段樣本數量將會增加。該路段路單向長 79.76km,若采用 500m長度為單元,則將有 160個路段樣本。根據各種聚類分析法的適用條件,本文選擇聚類分析理論中的動態聚類法進行預防性養護路段的劃分。

根據以上剔除的路段,再剔除已經采取過微表處理的路段,其余路段按每 500m一個單元,采用橫向裂縫長度、向裂縫長度、車轍深度和摩擦系數四個指標進行聚類分析,并形成數據表,由于篇幅限制,這里只給出總的劃分結果及對應的處治措施。

(1)陽茂方向。

第1類路面的特點是橫縫比較少(81.33m/km),縱縫比較少(11.9m/km),車轍深度很小(6.42mm/km),摩擦系數較小(均值為 39.57),此類路面以改善路面抗滑為主要目的。

第2類路面的特點是橫縫比較多(190.96m/km),縱縫比較少(13.2m/km),車轍深度較小(7.14mm/km),摩擦系數較小(均值為 39.84),此類路面以橫向裂縫處置和改善路面抗滑為主要目的。

第3類路面的特點是橫縫比較多(171m/km),縱縫比較多(143.5m/km),車轍深度較小(7.04mm/km),摩擦系數較小(均值為 38.93),此類路面以縱橫向裂縫處置和改善路面抗滑為主要目的。

(2)茂陽方向。

第1類路面的特點是橫縫較多(129.26m/km),縱縫較少(22.1m/km),車轍深度相對較小(8.03mm/km),摩擦系數很小(均值為 37.87),此類路面以橫向裂縫處置和改善路面抗滑為主要目的。

第2類路面的特點是橫縫很多(342.41m/km),縱縫比較多(107.3m/km),車轍深度較小(8.19mm/km),摩擦系數較小(均值為 38.73),此類路面以縱橫向裂縫處置和改善路面抗滑為主要目的。

第3類路面的特點是橫縫很多(227m/km),縱縫很多(445.8m/km),車轍深度相對較大(8.2mm/km),摩擦系數較小(均值為 38.5)。此類路面以縱橫向裂縫和車轍處置和改善路面抗滑為主要目的。

4 路面性能預測模型

根據以往研究成果,采用 S型函數作為路面性能預測模型,并認為S型函數更適合以時間為變量的路面長期性能預測。

根據前面的路面分類結果,對 5年內該路段瀝青路面各項性能指標進行匯總(取平均值)得出,該路段路面行駛質量及結構承載力評分結果都比較高,近些年不存在嚴重衰減的狀況。

(1)PCI預測。

通過回歸分析,得到陽茂方向PCI預測模型如下(R2= 0.9353)

茂陽方向PCI預測模型如下(R2=0.9615)

通過計算和圖表分析(計算和圖表分析略)可知,如果不對路面實施保護措施(預防性養護)的話,到第 5～6年時,路面的PCI值將下降至“中”的水平,根據《公路瀝青路面養護技術規范》(JTJ073.2-2001)以下稱《規范》的要求,屆時路面需要進行中修罩面。

(2)SRI預測。

通過回歸分析,得到陽茂方向SRI預測模型如下(R2= 0.7991)

茂陽方向SRI預測模型如下(R2=0.7589)

通過計算和圖表分析(計算和圖表分析略)可知,路面現時抗滑性能(SRI)已經下降至“中”以下的水平,根據《規范》的要求,路面需要盡快進行加鋪罩面,以改善表面功能,提高路面的安全性。

從以上分析可以看出,S型預測方程的相關系數都比較高,從后期和整體預測趨勢看,S型預測趨勢比較符合實際情況。預測結果與實測數據誤差平均值不超過 0.05%,表明模型具有較好的適用性和穩定性。

5 瀝青路面預防性養護計劃

5.1 養護計劃總原則

對全路線進行裂縫處置(裂縫封堵)。鑒于該路段路面出現的裂縫以橫向“輕度”(寬度≤6mm)細微裂縫為主,本著有效、徹底的目的和原則,建議采用開槽灌縫+壓縫帶方式處置裂縫。

裂縫進行處置后,對全路線實施超薄磨耗層或微表處處置,目的是進一步封堵裂縫,處置輕微車轍,改善路面抗滑能力,提高路面的安全性。

作為備選方案,如果條件許可,也可以考慮現場熱再生,或薄加鋪層代替超薄磨耗層方案。

(1)裂縫的處治

①重度裂縫;裂縫寬度在 6mm以上的裂縫為重度裂縫,采用先開槽,清理并灌入熱瀝青,然后填入熱拌瀝青混合料,搗實,再用壓縫帶做封縫處理。

②輕微裂縫;全程其它裂縫均為輕微裂縫(寬度＜6mm),建議采用的裂縫修補工藝為:開槽灌縫+壓縫帶封縫,以處理裂縫的滲水、啃邊和崩邊,同時防止裂縫繼續發展

(2)路面抗滑處治

《規范》中規定,高速公路抗滑能力不足(SFC＜40)的路段,應采取加鋪罩面層等措施提高路表面的抗滑能力。罩面前,應先處治好原路面上的各種病害(裂縫、坑槽等)。陽茂高速公路采取的處治方案為:交通量較少,車載相對較輕的陽茂方向采用 1cm微表處處置,交通量較大,車輛超載相對較重的方向采用2cm超薄磨耗層。

(3)唧漿處治:對重度唧漿,使用水泥混凝土置換基層同時在路肩處增設多孔水泥混凝橫向盲溝的方法進行處治。對于輕微唧漿采用開槽清理灌縫+壓縫帶。

(4)坑槽修補,采用園洞方補,同時涂上防水劑,在新舊界面上貼壓縫帶。

5.2 該路段路面中長期路面保護策略

(1)平均的路面結構整體強度仍處于強度變化的第 I階段,即整體性工作階段。

(2)局部路段強度不足(約3km),需采用補強處理。

(3)平整度的平均狀況近期沒有衰減跡象。

(4)PCI隨時間的變化符合“S”型曲線的特征,具有明顯的下降趨勢,并已接近臨界值,需要盡快處理。

(5)影響PCI指標下降的最主要因素是路面裂縫(以橫向裂縫為主),針對PCI的措施應以處置裂縫,防止路面透水為主。

(6)路面抗滑性能SRI隨時間的變化近似符合“S”型曲線的特征,具有明顯的下降趨勢,并已達到臨界值,需要馬上處理。

(7)路面沒有表現出透水的跡象,所有的唧漿問題均與裂縫和微小坑槽、中分帶排水失效有關。

(8)路面結構的承載能力預測表明,現有路面結構不足以承擔設計的累計標準軸載作用次數,應該在適當年份考慮予以補強加鋪。

(9)在未獲得交通量信息的情況下,暫定在路面通車后的第9～第 10年之間加鋪4～6cm細粒式瀝青混合料(AC -16c或SMA-13)。

根據該路段路面狀況的基本特征,可以認為路面中長期保護策略的核心應該是補強、裂縫、抗滑。

6 總 結

(1)路面技術狀況評價結果為:全路段大部分路段的結構強度滿足要求,平整度狀態良好,裂縫病害嚴重,多數路段抗滑性能不能滿足要求。

(2)多因素顯著性分析指出,在陽茂高速公路瀝青路面的損壞中,以橫向裂縫和車轍對路面狀況指數PCI的影響最大。同時,發現這兩類路面破壞之間具有相關性,說明陽茂高速公路瀝青路面的車轍與中下面層的水損壞有關,這個結論與路面調查結果也是一致的。

(3)按照動態聚類分析方法,把路面按橫向裂縫長度、向裂縫長度、車轍深度和摩擦系數四指標進行分類優化,得到三類具有不同路面破壞特征的路面段,預示將采取不同的處治措施。

(4)通過分析比較,認為路面性能衰減規律遵循“S”型函數的特征,并通過回歸的方法,分別建立了路面性能指標PCI、RQI、PSSI和SRI的衰減模型,用于預測未來的路面性能。預測結果與實測數據誤差平均值不超過 0.05%,表明模型具有較好的適用性和穩定性。

(5)鑒于絕大部分瀝青路面采用半剛性基層結構,項目的研究對于采用經濟有效的保護途徑,來保持和改善這些路面的性能,延長路面的使用壽命,具有重要的示范意義。

7 結 語

陽茂高速公路通過預防養護,對路面進行保護,各項指標得以較大提高,能延緩路面大中修,有效地保持和改善陽茂高速公路瀝青路面的使用壽命。