平朔線病害分析及大修方案

黨彥榮

（山西省公路局 朔州分局勘測設(shè)計所，山西 朔州 036002）

平朔線是省道212線，起點位于平魯區(qū)鄭家營村，向南經(jīng)井坪至朔城區(qū)鋪上村，全長54 km，K0+000—K28+680 為二級公路標準，K28+680—K54+000段為一級公路標準，是一條以運煤為主的混合交通路線，同時也是國家重點工程平朔露天煤礦專用公路，是平魯、朔城區(qū)煤炭運往神頭發(fā)電廠和其他各地的必經(jīng)通道，也是朔州這座新興城市市郊連接的主要干線。平魯區(qū)、朔城區(qū)蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源。近年來隨著沿線經(jīng)濟的發(fā)展，交通量不斷增長，一些大噸位車輛的增加，致使路線上的路面均有不同程度的病害，特別K32+000—K41+200段，長9.2 km路段車轍病害相當嚴重，路況差。

1 現(xiàn)有路面狀況檢測與評價

1.1 檢測內(nèi)容

路況檢測主要分為3個主要階段：

a）首先組織專業(yè)人員進行實地踏勘，初步掌握項目路段線型特點、路況條件，并與沿線養(yǎng)護工區(qū)進行座談，收集道路基礎(chǔ)資料。

b）然后對項目路段進行全面的檢測，包括道路破損狀況、平整度狀況、車轍深度及結(jié)構(gòu)強度狀況等。

c）針對項目路段進行重點檢測，包括鉆芯取樣、材料試驗等，為病害原因診斷及養(yǎng)護方案制定提供數(shù)據(jù)支撐。

本項目路況檢測的指標及檢測里程見表1。

1.2 路面損壞狀況評價

根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG H20—2007）中的相關(guān)規(guī)定對項目路段的路面破損狀況進行評價，本項目采用的評價單元為1 000 m。項目路段全線破損較多，PCI均值為75.9，評價等級為中，上行方向PCI均值為74.0，下行方向PCI均值為77.9。其路面破損狀況縱向分布情況如圖1所示。

表1 路面技術(shù)狀況檢測與評價內(nèi)容

圖1 路面破損狀況（PCI）縱向分布圖

1.3 路面結(jié)構(gòu)強度評價

本路段結(jié)構(gòu)強度采用PSSI指標進行評價，評價單元長度為1 000 m。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG H20-2007）中規(guī)定路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)計算方法，利用各路段單元實測代表彎沉值與設(shè)計彎沉值進行計算，得出各路段單元的結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI并做出等級評價，其回彈彎沉及路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI縱向分布情況如圖2及圖3所示。

圖2 路面回彈彎沉縱向分布圖

圖3 路面結(jié)構(gòu)強度（PSSI）縱向分布圖

項目路段回彈彎沉較大，平均值為77（0.1 mm），遠大于設(shè)計彎沉25（0.1 mm）。PSSI全線均值為25.6，評價等級為差，上行方向PSSI均值為25.4，下行方向PSSI均值25.9。由彎沉檢測結(jié)果及PSSI評價結(jié)果可知，項目路段的路面結(jié)構(gòu)強度明顯不足，處在結(jié)構(gòu)使用壽命末期。

1.4 路面平整度狀況

利用《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG H20—2007）中提供的換算方程，將國際平整度指數(shù)IRI值換算為路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI，評價的路段單元長度為1 000 m。評價結(jié)果如圖4所示。

圖4 路面行駛質(zhì)量（RQI）縱向分布圖

項目路段全線RQI均值為84.3，評價結(jié)果為良，上行方向RQI均值82.3，下行方向RQI均值為86.3。

1.5 路面車轍狀況

1.5.1 路面車轍深度

由現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，項目路段在重車荷載的長期作用下，全線已出現(xiàn)了不同程度的車轍病害，且部分轍槽位置伴有裂縫產(chǎn)生，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變形，對行車安全形成了極大的隱患。

由檢測數(shù)據(jù)可知，項目路段全線車轍深度較大，其中上行方向車轍深度最大值為14.52 mm，下行方向車轍深度最大為24.07 mm。全線車轍深度分布情況如圖5路面車轍病害所示。

圖5 路面車轍病害

1.5.2 車轍深度指數(shù)

利用《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG H20—2007）中提供的計算公式，計算路面車轍深度指數(shù)RDI，評價的路段單元長度為1 000 m。評價結(jié)果見圖6路面車轍深度（RDI）縱向分布狀況[1]。

由評價結(jié)果可知，項目路段車轍深度指數(shù)RDI全線均值為72.8，評價結(jié)果為中，上行方向RDI均值為79.1，下行方向RDI均值為66.1。

圖6 路面車轍深度指數(shù)（RDI）縱向分布狀況

由現(xiàn)場踏勘及路況評價結(jié)果可知，項目路段的主要病害為車轍、橫向裂縫、縱向裂縫及龜裂等。目前路況水平衰減嚴重，不僅影響了行駛舒適性，并且對行車安全造成了隱患。

項目路段各路況指標均值及評價結(jié)果如表2路面技術(shù)狀況評價結(jié)果所示。項目路段路面使用性能指數(shù)PQI全線均值為80.4，評價等級均為良等；路面損壞狀況指數(shù)PCI全線均值為76.0，評價等級均為中等；路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI全線均值為84.3，評價等級均為良等；路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI全線均值為25.7，評價等級為差等；路面車轍深度指數(shù)RDI全線均值為72.9，評價等級均為中等。

表2 路面技術(shù)狀況評價結(jié)果

2 病害原因診斷

2.1 專項檢測

2.1.1 鉆芯取樣

針對典型病害位置進行鉆芯取樣，主要觀測的內(nèi)容包括：瀝青結(jié)構(gòu)層厚度、瀝青層結(jié)構(gòu)完整性、基層結(jié)構(gòu)厚度、基層結(jié)構(gòu)狀況、結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)狀況等。通過鉆芯取樣檢測，可得出以下結(jié)論：

a）車轍病害 (a)大部分車轍處面層、基層結(jié)構(gòu)完整，其中車轍較為嚴重的K36+900處面層及基層出現(xiàn)了松散破碎現(xiàn)象；(b)轍槽處瀝青面層厚度明顯小于隆起處及路肩處面層厚度，路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴重的變形；(c)部分芯樣出現(xiàn)了層間黏結(jié)不良的現(xiàn)象。

b）裂縫類病害 (a)項目路段路面厚度分布不均勻，瀝青面層最薄處為5 cm，最厚為11.7 cm；(b)面層均已沿裂縫處開裂，基層大多松散破碎；(c)裂縫位置芯樣基層由于松散破碎大多未取出，取出的芯樣大部分存在層間黏結(jié)不良現(xiàn)象。

2.1.2 室內(nèi)材料試驗

瀝青混合料的級配和瀝青含量等因素對路面的使用性能影響較大，因此項目組利用鉆取的芯樣試件進行了室內(nèi)材料試驗，瀝青含量試驗結(jié)果如表3所示，上下面層混合料級配試驗結(jié)果如表4所示，級配曲線如圖7、圖8所示。

表3 混合料瀝青含量試驗結(jié)果

表4 礦料篩分結(jié)果

圖7 瀝青上面層AC-16級配曲線

圖8 瀝青下面層AC-25級配曲線

由室內(nèi)試驗結(jié)果可得到以下幾點結(jié)論：

a）項目路段上面層及下面層混合料瀝青含量均符合規(guī)范要求。

b）上面層混合料級配曲線不符合規(guī)范要求，9.5 mm以上篩孔通過量偏小，在規(guī)范要求范圍以外，級配曲線不夠平滑。

c）下面層混合料級配曲線雖然在規(guī)范要求內(nèi)，但級配曲線非常不平滑，級配組合不佳。

項目路段上下面層級配曲線均不合理，這是導致混合料性能達不到技術(shù)要求的關(guān)鍵因素，從而引發(fā)路面的損壞。

2.2 病害原因診斷

基于路況檢評結(jié)果及鉆芯取樣、材料試驗結(jié)果，項目組針對項目路段車轍、橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等病害展開了病害原因診斷，分析結(jié)果如下。

2.2.1 車轍病害

造成項目路段車轍病害的主要原因包括：a）由于沿線有礦場，導致項目路段交通量大，且以重載車為主，2012年的交通量調(diào)查結(jié)果17 591輛/d，貨車比例占到32%以上，重型車輛占45%左右，客車比例為23%，路面在重載車輛的長期作用下產(chǎn)生變形；b）項目路段基層強度不足，由鉆芯結(jié)果可知，大部分基層已出現(xiàn)了松散破碎現(xiàn)象；c）層間黏結(jié)不良，導致輪跡帶處向兩邊擠壓；d）此外，由設(shè)計文件可知，項目路段表面層使用的是90號瀝青，瀝青標號較高，也是產(chǎn)生車轍的原因之一。

2.2.2 橫向裂縫

項目路段所在地朔州市，夏季炎熱，最高氣溫可達38℃以上，冬季寒冷，最低溫度-15℃左右。四季溫差較大，溫度變化會使路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力，若溫度變化較大或溫度變化頻率較快，產(chǎn)生的溫度應力將不斷增大，直至其大于路面結(jié)構(gòu)層材料的極限抗拉強度，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)層開裂，產(chǎn)生橫向裂縫。此外，項目路段還存在大量橫向貫穿裂縫，經(jīng)鉆芯取樣結(jié)果可知，面層已沿裂縫斷裂，基層出現(xiàn)了松散破碎的現(xiàn)象，判斷此類裂縫為半剛性基層的反射裂縫，裂縫是由下至上發(fā)展的。

2.2.3 縱向裂縫

由病害分析結(jié)果可知，項目路段存在部分縱向裂縫，這是由于平朔線長期承受重車反復碾壓，這些車輛行駛速度緩慢、接地壓強高，會在半剛性基層的底部產(chǎn)生極大的拉應力，在行車荷載的反復作用下，當半剛性基層底部的疲勞拉應力超過半剛性材料的抗拉強度時，半剛性基層的底部就會出現(xiàn)裂縫并逐漸在裂縫兩側(cè)形成板塊，相鄰板塊端部之間會產(chǎn)生豎向位移差，引起面層的剪切疲勞而導致開裂。

2.2.4 龜裂

由項目路段龜裂處的鉆芯結(jié)果可以看出，龜裂處基層已破碎，且面層已出現(xiàn)裂縫，層間黏結(jié)不良，因此判斷項目路段產(chǎn)生龜裂的原因主要是由于瀝青混合料質(zhì)量標準偏低，瀝青面層結(jié)合料老化、力學性能降低，在重載、超載車輛的反復作用下路面出現(xiàn)裂縫。裂縫封堵效果不佳，雨水下滲后在輪胎泵吸作用下，半剛性基層的灰漿被吸出，導致基層破碎松散，基層強度損失誘發(fā)沉陷，沉陷變形過大會進一步加劇瀝青面層的開裂。此外，由于層間黏結(jié)不良、上下層脫開，導致表面層的瀝青混合料單獨承受荷載和溫度的作用，從而加速龜裂產(chǎn)生和發(fā)展。

3 大修方案設(shè)計

3.1 方案選擇

本項目使用性質(zhì)是運煤專線，且大噸位運煤車輛較多，對路面有較大的破壞作用。針對本項目大噸位車輛多而導致路面使用周期縮短這一現(xiàn)象。項目組采用全壽命周期成本理念確定路面結(jié)構(gòu)，根據(jù)交通組成，并針對舊路路況的不同，對該項目路段的路面各層的強度指標進行了精確的計算，最終確定了設(shè)計方案及路面結(jié)構(gòu)。

3.2 方案設(shè)計

根據(jù)養(yǎng)護對策的選擇結(jié)果，項目組提出了大修養(yǎng)護方案。首先銑刨回收現(xiàn)有瀝青面層結(jié)構(gòu)，對原基層進行17 cm水泥就地冷再生作為新結(jié)構(gòu)層的底基層，在其上加鋪20 cm水泥穩(wěn)定碎石上基層進行補強，然后依次設(shè)置乳化瀝青透層、改性瀝青封層，加鋪8 cm半柔性廠拌冷再生瀝青混合料下面層，噴灑黏層油后鋪筑5 cm改性瀝青AC-16瀝青混凝土上面層，大修方案如圖9所示。

本方案充分利用了原路面材料，同時半柔性廠拌冷再生瀝青混合料具有較好的抗車轍性能。

圖9 大修養(yǎng)護方案

3.3 方案說明

半柔性廠拌冷再生混合料作為基層與面層之間的過渡層（或直接作為下面層），是我國近年來在舊料回收和循環(huán)利用領(lǐng)域的最新科技成果。該項技術(shù)的核心是冷再生結(jié)合料，它是由完全剛性的水硬性膠結(jié)料和完全柔性的特種乳化瀝青組成的雙膠結(jié)料，其中完全柔性的特種乳化瀝青是一種裂解滯后早強乳化瀝青與多種化學劑的復合多相膠結(jié)劑。多種化學劑的作用是調(diào)節(jié)復合多相膠結(jié)劑的性能，主要包括早強劑（2 h開放交通）、快干劑（24 h）、修復劑、膨脹劑、抗裂劑[2]。

該項技術(shù)通過利用冷再生結(jié)合料，將一定比例的瀝青路面銑刨料與新集料、水進行常溫拌和，常溫鋪筑，形成一種新瀝青路面結(jié)構(gòu)層[2]。與一般的再生技術(shù)相比，半柔性廠拌冷再生技術(shù)具有以下幾項特點：

a）舊料回收利用率高達70%，遠遠高于廠拌熱再生的舊料摻配率（最高僅能達到30%）。

b）采用冷拌和、冷攤鋪，完全避免了熱拌瀝青混合料生產(chǎn)及攤鋪過程中產(chǎn)生的廢氣污染和資源消耗，拌和1 t冷再生混合料節(jié)約燃油消耗6～8 kg，可節(jié)約資源60%以上，降低能耗與排放75%以上。

c）成本遠小于其他類型的再生技術(shù)，造價與同樣厚度的瀝青下面層相比，至少可節(jié)約5%～10%。

d）抗車轍能力強，60℃車轍動穩(wěn)定度高達9 000次/mm，極大地提高了路面下面層的抗車轍能力。

e）在-10℃時低溫彎曲應變可達到2 740με，與熱拌瀝青混合料的低溫抗裂及柔韌性相當，作為過渡層在防止反射裂縫方面效果顯著。

f）劈裂強度為0.66 MPa，干濕劈裂強度比為85.1%，馬歇爾穩(wěn)定度達到5.8 kN（流值為4.4 mm），凍融劈裂強度比為85.1%，動態(tài)彈性模量為5 000 MPa，即強度與彈性模量高，承載能力大。

g）施工工藝簡單，僅需對普通瀝青混凝土拌和樓增添加水系統(tǒng)，利用普通的攤鋪機和壓路機施工，不需專用設(shè)備，養(yǎng)生4 h后即可開放輕交通。

近幾年來，我國公路發(fā)展非常迅速，隨著交通量的日益增加，大量公路已接近設(shè)計使用年限，需要進行大修或改造，現(xiàn)場冷再生技術(shù)是最適宜的維修或改造方式?，F(xiàn)場冷再生技術(shù)，可充分利用舊路面面層和基層材料，不僅可以節(jié)約能源，降低施工成本，更有益于環(huán)境保護。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合省道平朔線K32+000—K41+200段瀝青混凝土路面產(chǎn)生的車轍病害，通過路面狀況檢測與評價，闡述了車轍形成的原因，并提出了此路段相應的半柔性廠拌冷再生瀝青混合料大修方案。傳統(tǒng)的基于“強基薄面”設(shè)計理念的半剛性基層瀝青路面是我國公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式，這種路面雖然減少了初期投資，但是由此也帶來了早期損壞嚴重的弊端。隨著使用年限的增加，有越來越多的公路面臨大修或改建工程，一方面需要大量的新基層和面層材料，另一方面還有因翻新而廢棄的渣料需要環(huán)保處理。運用“全壽命瀝青路面”設(shè)計理念及節(jié)能環(huán)保的冷再生技術(shù)，可有效治理路面病害，提高路面耐久性。在此希望和從事公路路面設(shè)計、養(yǎng)護的專業(yè)技術(shù)人員來進行交流，共同探討。