某農(nóng)村公路瀝青路面病害成因分析及處治對(duì)策研究

何健杰，文麗娜，秦浪朝

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

隨著國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)農(nóng)村公路的建設(shè)已經(jīng)步入飛速發(fā)展的時(shí)期，其路面工程尤其是瀝青路面病害問(wèn)題引發(fā)了各界的廣泛關(guān)注[1]。新時(shí)代“三農(nóng)”工作的大力推進(jìn)，帶來(lái)的超載等現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，特別是農(nóng)村公路位于城市近郊發(fā)達(dá)地區(qū)時(shí)，瀝青路面建成后很快出現(xiàn)不同程度的病害，對(duì)路面使用壽命有著較大的影響。四川省某大城市境內(nèi)某農(nóng)村公路通車近兩年即出現(xiàn)了龜裂、縱裂和沉陷病害。對(duì)此，本文分析了病害成因，有針對(duì)性地提出了處治方案，有效延長(zhǎng)路面使用年限。

1 路面現(xiàn)狀

某農(nóng)村公路由彼此相連的4條道路(A、B、C、D)組成，設(shè)計(jì)速度為20 km/h，路基寬度5.0～6.5 m，交通等級(jí)為輕交通，路面設(shè)計(jì)年限為6年，總長(zhǎng)約25.2 km。項(xiàng)目于2016年9月起陸續(xù)開工建設(shè)，2018年1月完成交工驗(yàn)收后移交給當(dāng)?shù)卣度脒\(yùn)營(yíng)。2019年12月，發(fā)現(xiàn)路面出現(xiàn)較多病害，如龜裂、縱裂和沉陷等。

1.1 原路面結(jié)構(gòu)

由于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要為解決項(xiàng)目周邊居民生產(chǎn)、生活、出行的小型車輛通行，故交通等級(jí)為輕交通。原路面結(jié)構(gòu)主要為4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C+4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C+20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層。

1.2 路面病害

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，原設(shè)計(jì)的道路出入口處限高門架被破壞，路面出現(xiàn)較多的病害，主要有龜裂、縱向裂縫和沉陷等，且病害主要分布在道路上坡方向的車道上。

2 現(xiàn)狀檢測(cè)及交通量調(diào)查

2.1 彎沉檢測(cè)

按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450-2019)的方法采用落錘式彎沉儀對(duì)原路面進(jìn)行彎沉檢測(cè)[2]，測(cè)點(diǎn)按2車道/每車道間距20 m交叉布設(shè)，其中1條道路D的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某農(nóng)村公路路面彎沉檢測(cè)結(jié)果表(0.01 mm)

依據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210-2018)[3]，若以原路面彎沉驗(yàn)收值評(píng)價(jià)，本條道路D既有瀝青混凝土路面強(qiáng)度指數(shù)等級(jí)評(píng)定為“次”及以下的占比100%，彎沉代表值最大值為148.43(0.01 mm)，彎沉代表值最小值為92.36(0.01 mm)，彎沉離散性較大。其余3條道路A、B、C的彎沉代表值最大值分別為118.19(0.01 mm)、92.29(0.01 mm)、82.68(0.01 mm)。

若以現(xiàn)路面彎沉驗(yàn)收值評(píng)價(jià)，4條道路既有瀝青混凝土路面強(qiáng)度指數(shù)等級(jí)評(píng)定均為“差”。總體上，這四條道路路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯不足。

2.2 鉆芯檢測(cè)

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，確定對(duì)其中2條道路A的K9+336～K10+336段和道路D的K2+900～K3+900段進(jìn)行鉆芯抽檢，共鉆芯7個(gè)。

路面鉆芯檢測(cè)結(jié)果分析見(jiàn)表2。

表2 瀝青混凝土路面鉆芯檢測(cè)結(jié)果分析表

道路A鉆芯檢測(cè)結(jié)果表明：瀝青面層厚度為3.0～8.5 cm(平均值為6.3 cm，設(shè)計(jì)值為8 cm)，厚度不均，小于設(shè)計(jì)厚度的芯樣占比為66.7%，面層瀝青混合料整體性除病害位置大部分較好；水泥穩(wěn)定碎石基層僅鉆穿1個(gè)芯樣(厚度為15.5 cm，設(shè)計(jì)值為20 cm)，頂面較為松散，骨料多為未軋制的卵石，級(jí)配較差。

道路D鉆芯檢測(cè)結(jié)果表明：瀝青面層厚度為3.9～4.2 cm(平均值為4.1 cm，設(shè)計(jì)值為8 cm)，厚度均在4 cm左右，均小于設(shè)計(jì)厚度，面層瀝青混合料整體性除病害位置大部分較好；水泥穩(wěn)定碎石基層完全取出或鉆穿兩個(gè)芯樣(厚度為17.9 cm、12.0 cm，設(shè)計(jì)值為20 cm)，頂面板結(jié)性一般，板結(jié)良好的占比50%。

從同一施工水平和同區(qū)域道路考慮，道路B、C的鉆芯檢測(cè)結(jié)果與A、D相差無(wú)幾。

2.3 交通量調(diào)查

項(xiàng)目參照四級(jí)公路，養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)使用年限為6年。交通量資料來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)斷面交通量調(diào)查，選取道路D的K4+189.4作為觀測(cè)點(diǎn)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)平均每分鐘就有一輛大貨車通過(guò)，考慮一定的誘增交通量，最終得到初始年的年平均日交通量見(jiàn)表3，斷面大型客車和貨車交通量為1 556輛/d，交通量預(yù)測(cè)年增長(zhǎng)率為7.9%，方向系數(shù)取1，車道系數(shù)為1。根據(jù)表3，按車輛類型分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表3 交通量調(diào)查及車輛類型分布系數(shù)表

由此可見(jiàn)，該農(nóng)村公路的交通量絕對(duì)數(shù)遠(yuǎn)超一般農(nóng)村公路，交通組成中大型貨車的占比也很大，與當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)量出入較大，主要因?yàn)樵搮^(qū)域出現(xiàn)大型的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，導(dǎo)致交通量激增。

從交通組成分析中，方向系數(shù)按《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)規(guī)定“宜根據(jù)不同方向上實(shí)測(cè)交通量數(shù)據(jù)確定，無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)可在0.5～0.6范圍內(nèi)選取”[4]，根據(jù)本次交通量調(diào)查，重載車輛基本在一個(gè)方向上通行，考慮適度超載并結(jié)合大貨車在彎急坡陡道路上行駛的現(xiàn)狀，因此本次方向系數(shù)取1。

根據(jù)公路的車輛滿載情況及歷史數(shù)據(jù)的調(diào)查分析，適度考慮超載，得到各類車型非滿載與滿載比例，見(jiàn)下頁(yè)表4。

表4 非滿載車與滿載車所占比例表(%)

本公路設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道累計(jì)大型客車和貨車交通量為4 155 873，交通等級(jí)屬于中交通。通過(guò)累計(jì)交通量、車型比例及滿載比例計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于無(wú)機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為2 028 527 000。

原路面設(shè)計(jì)采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)[5]，交通量小且交通組成中大型貨車占比較低，而根據(jù)本次交通量觀測(cè)資料顯示，目前交通量顯著增加，同時(shí)中大型貨車占比提升更為明顯，通行的4軸及以上貨車日平均交通量達(dá)到1 494輛/d；原路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上大客車及中型以上的各種貨車日平均交通量為396輛/d(輕交通)，一個(gè)車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次為1 535 617(輕交通)。根據(jù)2006和2017版規(guī)范分別計(jì)算，當(dāng)前交通量及交通組成情況下(適當(dāng)考慮超載)設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次為5 147 247(中等交通)、4 155 873(中等交通)，新老規(guī)范下的當(dāng)前交通等級(jí)均遠(yuǎn)超原路面設(shè)計(jì)。

超載的具體情況，對(duì)于最常見(jiàn)的4軸貨車，按照規(guī)范規(guī)定滿載后車貨總重應(yīng)≤31 t，但通常如果超載后車貨總重可以達(dá)到60～80 t，后軸單軸軸載可以達(dá)到20 t(200 kN)以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定的100 kN的標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范規(guī)定，軸載換算公式僅適用于單軸軸載<130 kN的各種車型的軸載換算[6]，由于無(wú)相關(guān)研究成果，暫且按照現(xiàn)在的公式計(jì)算。此種車輛通過(guò)一次相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載下通過(guò)213=8 192次(分析無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞時(shí))，是呈指數(shù)倍數(shù)增長(zhǎng)的。

該農(nóng)村公路的超載現(xiàn)象較頻繁且復(fù)雜，即使在處治方案設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮了超載問(wèn)題，但如前所述，由于現(xiàn)實(shí)超載遠(yuǎn)超規(guī)范公式所能涵蓋的范圍，所以仍無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)超載對(duì)路面造成的影響，因此基層補(bǔ)強(qiáng)后仍須考慮對(duì)超載進(jìn)行控制。

3 病害成因分析

根據(jù)對(duì)這4條道路路基、路面的實(shí)地調(diào)查，結(jié)合路面現(xiàn)狀，綜合分析現(xiàn)有路面主要病害原因如下：

(1)項(xiàng)目周邊建設(shè)引起的交通量激增、軸載超限嚴(yán)重，車輛碾壓對(duì)原路面結(jié)構(gòu)造成一定程度破壞，既有的排水系統(tǒng)不能及時(shí)有效地排除地表水，地表水沿前期破壞路面下滲則會(huì)加劇路基、路面病害的進(jìn)一步發(fā)展。

(2)其他原因：水泥穩(wěn)定碎石基層級(jí)配較差，頂面較為松散，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱；部分瀝青面層和基層厚度不足；路基臨空側(cè)擋墻墻背回填壓實(shí)不足，這與路面病害主要分布在上坡車道上相吻合。

4 處治方案

4.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本次處治設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100，設(shè)計(jì)使用年限為6年。

4.2 初擬路面結(jié)構(gòu)

由于該農(nóng)村公路位于大城市近郊發(fā)達(dá)地區(qū)，沿線房屋分布密集，個(gè)別路段標(biāo)高受限需下挖，同時(shí)為提升原路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，充分利用其殘余強(qiáng)度，將原路面進(jìn)行加鋪補(bǔ)強(qiáng)，房屋段路面結(jié)構(gòu)也相應(yīng)增強(qiáng)，故擬定加高方案和挖除重建方案兩種路面結(jié)構(gòu)。

Ⅰ型(加高方案)：對(duì)既有路面病害進(jìn)行處治后，在其上加鋪18 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+0.6 cm稀漿封層+4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C+4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C，標(biāo)高提升約44 cm。

Ⅱ型(挖除重建方案)：挖除原路面結(jié)構(gòu)及部分路基后，對(duì)路基換填砂礫石后新建4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C+4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C+0.6 cm稀漿封層+16 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+16 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+16 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層至原路面標(biāo)高。

4.3 初擬路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.3.1 Ⅰ型(加高方案)

初擬路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)表5。

表5 Ⅰ型初擬路面結(jié)構(gòu)表

根據(jù)對(duì)原路面的彎沉檢測(cè)，分別按83(0.01 mm)，92(0.01 mm)，118(0.01 mm)，148(0.01 mm)作為計(jì)算基準(zhǔn)驗(yàn)算路面加鋪厚度。原路面瀝青面層為4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C上面層+4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C下面層，本次處治方案瀝青面層維持8 cm厚，僅需對(duì)基層加鋪厚度進(jìn)行驗(yàn)算。

以這4條道路實(shí)測(cè)彎沉代表值最大值83～148(0.01 mm)作為計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)，計(jì)算路面基層的最小加鋪厚度為30～35 cm，考慮分層施工的結(jié)構(gòu)需要，基層統(tǒng)一取36 cm(18+18)。

4.3.2 Ⅱ型(挖除重建方案)

初擬路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6。

表6 Ⅱ型初擬路面結(jié)構(gòu)表

計(jì)算得到，下基層最小厚度為9 cm，充分考慮房屋段后期路面維修改造難度大，采用較厚的基層組合厚度以相對(duì)延長(zhǎng)使用壽命，并減小施工震動(dòng)對(duì)房屋的影響，盡量采用靜壓，故基層采用(16+16+16)cm的厚度組合。

對(duì)擬定的路面結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)HPDS具體計(jì)算分析路表驗(yàn)收彎沉值為31(0.01 mm)，加高段為21.2(0.01 mm)。

根據(jù)彈性層狀體系理論，計(jì)算得到無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力為0.23 MPa(加高段為0.287 MPa)。根據(jù)氣象資料查表得到季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)取1，現(xiàn)場(chǎng)綜合修正系數(shù)為-1.271(加高段為-1.093)，該地區(qū)基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為1.37，溫度調(diào)整系數(shù)為0.937(加高段為1.026)。根據(jù)規(guī)范計(jì)算無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料疲勞開裂模型參數(shù)a=13.24，b=12.52，彎拉強(qiáng)度為1.5 MPa，最終計(jì)算得到無(wú)機(jī)結(jié)合料層底疲勞壽命為6 033 631 000(加高段為2 781 514 000)。

驗(yàn)算結(jié)果匯總見(jiàn)表7。

表7 分析結(jié)果匯總表

房屋院壩與道路齊平路段采用Ⅱ型，其余路段采用Ⅰ型。Ⅰ型與Ⅱ型通過(guò)路面縱向過(guò)渡順接。

5 結(jié)語(yǔ)

采用本處治方案的農(nóng)村公路于2020年7月交工，運(yùn)營(yíng)一年多以來(lái)，路面整體情況良好，無(wú)明顯病害。本文通過(guò)對(duì)農(nóng)村公路瀝青路面發(fā)生龜裂、縱裂和沉陷病害的成因進(jìn)行分析，并進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，從交通組成角度以及軸載角度進(jìn)行分析研究，提出以下建議：

(1)農(nóng)村公路應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量管控。該農(nóng)村公路瀝青路面病害主要是由施工缺陷造成的，如果施工管理得當(dāng)，即使交通量激增、軸載超限嚴(yán)重，瀝青路面破壞程度也會(huì)減弱。

(2)農(nóng)村公路應(yīng)加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理。該農(nóng)村公路在近兩年極端降雨的情況下，養(yǎng)護(hù)不夠及時(shí)，導(dǎo)致路基、路面病害愈發(fā)嚴(yán)重；加上原有設(shè)置的限高架已失去其功能，車輛超載進(jìn)一步加劇路面病害。超載破壞是呈指數(shù)倍數(shù)增長(zhǎng)的，后軸單軸軸載達(dá)到200 kN時(shí)，此種車輛通過(guò)一次相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載下通過(guò)8 192次(分析無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞時(shí))。因此，為確保路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生低頻次的疲勞破壞，即使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠，也仍須對(duì)超載進(jìn)行管控。

(3)在城市近郊修建農(nóng)村公路時(shí)可適當(dāng)考慮重載、超載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計(jì)階段應(yīng)保證路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適度富余，可相對(duì)延長(zhǎng)路面的使用壽命。