超期服役重載交通路面結(jié)構(gòu)性能分析

郭少華

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

隨著多年的運(yùn)營，早期建成的干線高速公路已逐漸接近或超過瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限15年。由于干線高速公路在路網(wǎng)中的重要作用，往往承載的交通量很大，在多年的交通荷載和自然條件的共同作用下，路面結(jié)構(gòu)性能將發(fā)生較大衰減，分析其結(jié)構(gòu)性能對(duì)高速公路路面維修、改擴(kuò)建加鋪等具有重要的意義。以1999～2000年建成的京哈高速公路沈陽至山海關(guān)段(以下簡稱沈山高速)為例分析超期服役重載交通路面結(jié)構(gòu)性能的變化。沈山高速公路為雙向六車道高速公路，全長360km，路面結(jié)構(gòu)總厚73cm，至今已運(yùn)營超過19年。

1 交通量與軸載

1.1 交通量

沈山高速路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)為1755萬次。作為東北地區(qū)的主要入關(guān)大通道，自通車以來，交通量呈現(xiàn)出“前期快速增長、后期高位運(yùn)行”的態(tài)勢，圖1統(tǒng)計(jì)了沈山高速歷年日平均交通量折算結(jié)果和貨車比例，根據(jù)軸載換算公式，僅2012、2013年兩年設(shè)計(jì)車道軸載作用次數(shù)就達(dá)到1957萬次，超出原設(shè)計(jì)累計(jì)軸載次數(shù)。

根據(jù)疲勞破壞原理，路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞主要由貨車軸載作用引起，從圖1中可以看出沈山高速貨車占比大，2015年以前貨車比例保持在60%以上。因此近年來沈山高速一直處于超期過載服役狀態(tài)。

圖1 沈山高速公路歷年日平均交通量與貨車比例

1.2 軸載譜

瀝青路面的疲勞壽命不僅與交通量的車型分布有關(guān)，還與各軸型的軸重分布有關(guān)，2017年新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范已將軸載譜的收集作為改擴(kuò)建高速公路路面設(shè)計(jì)的要求[1]。為此收集了沈山高速公路的交通量稱重?cái)?shù)據(jù)，將沈山高速的貨車按軸型進(jìn)行分類，經(jīng)統(tǒng)計(jì)6軸貨車所占比重最大，6軸貨車的典型軸載譜如表1、表2。

結(jié)合本高速軸載譜、貨車類型系數(shù)等參數(shù)，計(jì)算出其設(shè)計(jì)荷載為150kN。再根據(jù)實(shí)際測量統(tǒng)計(jì)得到的輪胎接地面積0.0394m2，計(jì)算出設(shè)計(jì)荷載接地壓力為0.95MPa。

2 路面使用性能檢測

依據(jù)2018年9月道路綜合檢測結(jié)果，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)定分析，其總體評(píng)定結(jié)果為：路面使用性能PQI全線平均值為86.30分，破損PCI全線平均值為83.98分，平整度RQI全線平均值為90.04分，車轍RDI全線平均值為82.03分，抗滑性能SRI全線平均值為85.90分。

表1 6軸貨車三聯(lián)軸荷載分布密度

表2 6軸貨車雙聯(lián)軸荷載分布密度

依據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20-2007)的規(guī)定，除平整度指標(biāo)評(píng)定為優(yōu)外，其余指標(biāo)均評(píng)定為良。

圖2 沈山高速2015～2018年路面檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)圖2沈山高速2015～2018年的路面檢測

數(shù)據(jù)可以看出，路面破損指數(shù)PCI在2016、2017年分別下降2.1分、5.8分，處于路面破損急速加快的過程，由于2018年對(duì)破損嚴(yán)重的路段進(jìn)行了維修，使得2018年路面PCI值略有提高。路面行駛舒適性指數(shù)RDI在2016、2018年分別下降了2.9分、1.6分，可以看出路面車轍深度在持續(xù)增加。而路面平整度指數(shù)RQI和抗滑指數(shù)SRI則穩(wěn)定在較高的水平并緩慢下降。因此，路面使用狀況指數(shù)PQI的下降主要來自于PCI指數(shù)的下降，其次是RDI指數(shù)。

將沈山高速歷年的檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并預(yù)測PCI和RDI指數(shù)的變化趨勢見圖3、圖4，可以看出2018年的維修有效地減緩了路面性能指數(shù)的衰減，PCI指數(shù)下降延緩約3年，但是由于維修規(guī)模較小，PCI指數(shù)仍在快速下降，并將在2021年仍會(huì)下降到80分以下；RDI指數(shù)下降延緩約1年，將在2021年進(jìn)入快速發(fā)展階段，而2025年RDI指數(shù)會(huì)下降至30分。因此，為維持沈山高速公路的服務(wù)水平和行駛舒適性，2019～2020年仍需繼續(xù)進(jìn)行路面維修。

圖3 行車道PCI發(fā)展模型

圖4 行車道RDI發(fā)展模型

3 路面病害調(diào)查

為進(jìn)一步了解路面的破損情況，詳細(xì)調(diào)查了具體損壞段落、損壞類型及輕重程度。同時(shí)，對(duì)典型病害進(jìn)行了取芯分析。調(diào)查得出該高速典型病害型式為縱向裂縫、龜裂、塊裂、車轍、坑槽及松散、剝落。各種路面病害的長度及嚴(yán)重程度見圖5。路面病害總長度為1178車道公里，占路面總長度的59.6%，全線分區(qū)間維修車道長度占本區(qū)間總長度百分比見圖6。

圖5 病害類型及輕重程度柱狀圖

圖6 全線各區(qū)間路面病害分布

(1)橫向裂縫

橫向裂縫是北方季凍地區(qū)常見的瀝青路面損壞型式。在裂縫形成初期，如及時(shí)灌縫，對(duì)路面使用性能影響不大。但隨著路齡增長，瀝青彈性恢復(fù)能力逐漸減弱，路表水逐漸進(jìn)入到裂縫內(nèi)部。在重載車的作用下產(chǎn)生極大的動(dòng)水壓力，造成中、下面層及瀝青層底面的基層料發(fā)生松散，松散材料在水的泵吸作用下，被帶到路面，久而久之就形成了局部沉陷。對(duì)路面取芯可發(fā)現(xiàn)，沉陷處基層已經(jīng)發(fā)生損壞。

(2)縱向裂縫

縱向裂縫產(chǎn)生分為兩種原因，一是路基不均勻沉降，包括軟基沉降、路基碾壓不勻引起沉降及路面邊部(或中分帶)水浸引起路基不均勻沉降；二是車輛軸載作用引起的疲勞開裂。沈山高速縱向裂縫主要由第二種情況引起。

(3)龜裂、塊裂

龜裂及塊裂均屬于疲勞開裂，其發(fā)展規(guī)律是自下而上。因此，路表一旦發(fā)生此類病害，表明整個(gè)瀝青層都損壞，需要挖除重建。

(4)車轍

車轍產(chǎn)生的原因是瀝青混合料抗剪性能不足引起的剪切變形。在標(biāo)準(zhǔn)荷載和沈山高速設(shè)計(jì)荷載作用下的剪應(yīng)力沿路面深度范圍內(nèi)的分布見圖7。可以看出，沈山高速下面層的應(yīng)力水平與標(biāo)準(zhǔn)荷載下中面層的應(yīng)力水平相當(dāng)。因此路面剪切變形會(huì)發(fā)展到下面層，維修時(shí)要提高下面層抗車轍指標(biāo)要求。

圖7 瀝青層內(nèi)部剪應(yīng)力分布圖

4 路面材料性能試驗(yàn)

4.1 瀝青試驗(yàn)

由于沈山高速一直處于超期過載服役狀態(tài)，加上貨車超載帶來的不良影響，自通車以來沈山高速一直不斷地進(jìn)行路面維修。經(jīng)過多年的維修，上面層已經(jīng)基本進(jìn)行過處理，中面層未完全處理，下面層僅有少量進(jìn)行過處理。因此，在達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后，各瀝青層的性能情況需要通過試驗(yàn)評(píng)定。通過對(duì)抽提出的瀝青進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)參數(shù)試驗(yàn)，來評(píng)價(jià)其瀝青性質(zhì)變化。通過對(duì)舊路集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，來評(píng)價(jià)其級(jí)配情況。除上面層外，試驗(yàn)材料取樣均取自從未進(jìn)行維修的區(qū)域。

表3 面層材料試驗(yàn)結(jié)果

從以上試驗(yàn)結(jié)果可看出，對(duì)于舊路下面層，油石比為4.57%，略大于目前新建高速公路AC-25下面層的設(shè)計(jì)油石比。粗集料壓碎值也滿足目前規(guī)范要求。但細(xì)集料棱角性不滿足目前規(guī)范，主要原因是原下面層細(xì)集料采用的是天然砂礫。

中面層的瀝青針入度只有13.2，瀝青已經(jīng)嚴(yán)重老化，且較下面層老化更嚴(yán)重。細(xì)集料的棱角性及粗集料的針片狀含量不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。上面層針入度為24.7，由于已進(jìn)行過維修，所以其老化程度好于中面層。上面層瀝青針入度值接近現(xiàn)場熱再生技術(shù)要求的下限值，因此不適合采用現(xiàn)場熱再生的維修方案。

4.2 基層試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)原路基層性能，共在舊路基層取芯樣108處。取芯位置分布在錦州至省界段病害嚴(yán)重處，車道位置為中車道和邊車道。現(xiàn)場取樣時(shí)，絕大多數(shù)芯樣完整無碎裂，說明原路路面結(jié)構(gòu)整體性較好，局部位于路面嚴(yán)重裂縫處的芯樣隨裂縫被切割成塊，但是未松散成粒，這與路面只出現(xiàn)裂縫但并無唧漿、嚴(yán)重沉陷的現(xiàn)狀是吻合的[2]。

通過室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證基層材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖8為基層材料抗壓回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果分布圖，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值為5.3MPa，仍滿足現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)基層材料性能的要求。說明沈山高速的基層材料在重載環(huán)境下超期服役4年后，其結(jié)構(gòu)性能未出現(xiàn)大幅度衰減。

圖8 基層芯樣抗壓強(qiáng)度和回彈模模量

瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，層間完全連續(xù)是基本假設(shè)之一，而層間完全連續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有利的。從沈山高速現(xiàn)場取芯來看，瀝青層之間粘結(jié)較好，而基層之間幾乎完全分離，近似于半光滑接觸。為此計(jì)算了原路面結(jié)構(gòu)在沈山設(shè)計(jì)荷載作用下，不同接觸條件下路面基層內(nèi)部應(yīng)力情況。

表4 不同層間結(jié)合狀態(tài)時(shí)層底拉應(yīng)力

從表4中可看出，基層內(nèi)部最不利位置為上基層底面。針對(duì)沈山高速上下基層間半光滑、下基層與墊層之間光滑的接觸狀態(tài)，層底最大拉應(yīng)力為0.316MPa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值為5.3MPa，換算為抗拉強(qiáng)度約為1.117 MPa，而層底拉應(yīng)力約為抗拉強(qiáng)度的28.3%，即拉應(yīng)力小于疲勞極限，因此基層結(jié)構(gòu)性能滿足疲勞壽命的要求。

5 結(jié)論

通過對(duì)沈山高速公路的交通量數(shù)據(jù)、路面使用性能檢測數(shù)據(jù)、路面病害及路面芯樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出沈山高速已經(jīng)處于超期過載服役狀態(tài)，車輛荷載遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)軸載；路面使用狀況指數(shù)PQI的下降主要來自于PCI指數(shù)的下降，其次是RDI指數(shù)，并需要在2019～2020對(duì)路面進(jìn)行維修，以防止路面PQI指數(shù)過低；原路瀝青面層在多年使用后已經(jīng)老化嚴(yán)重而不適于現(xiàn)場熱再生，維修應(yīng)采用銑刨重鋪方案；基層彎拉強(qiáng)度和疲勞壽命仍能滿足使用要求。