舊路材料性能試驗評價在舊路改及養護設計工程中的應用

韋洪峰

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

科學、合理的路面設計需要依托準確的現有道路路面狀況評定、病害成因分析和科學方案決策三個重要的技術節點。準確的現有路面技術狀況評定需依托道路信息收集和科學手段檢測完成，實現現有道路路面的結構情況、交通量情況及在這種交通荷載作用下現有路面的使用狀況等技術調查?，F有路面使用狀況評定應符合現行養護技術規范的評定要求，采用科學的檢測數據進行評定分級。病害成因分析需從現有道路結構狀況、結構強度及現有路面材料技術狀況三個方面進行病害的成因及發展程度調查分析?？茖W方案決策需結合項目建設目標，以病害成因分析為依據，考慮區域建設技術條件，針對性地選擇路面結構處置方案。

路面舊路材料性能評價試驗是科學分析舊路的現有結構性能評估、材料技術狀況和病害成因的有效技術方法。在路面處置方案制定中，舊路材料評價試驗應結合項目功能需求和建設目標合理選擇，避免統一按照固定標準，定量確定試驗內容。

莊林線改造工程為遼寧省一條典型的重載、偏載交通道路改造項目，沿線無替代道路，僅可分幅施工，在項目設計方案制定中，采用舊路路面材料性能分析試驗，從材料性能角度對現有道路結構狀況評估、路面材料技術狀況評估和病害成因進行評估，科學準確地確定了病害損壞原因，并為舊路結構的利用方案提供充足的技術支持。以該項目部分舊路面性能試驗數據為例，論述該項目舊路材料性能評價的應用。

1 設計方法

針對路面改造及養護工程設計，自2010年起，開展路面改造及養護設計科學化評價與決策的設計方法研究，并成功應用在京哈線改造工程、莊林線改造工程等數十個省內重點建設項目中。主要采用三階段設計方法。

1.1 檢測評價分析階段

評價階段主要完成：根據地方建設資料核實項目養護歷史和建設情況；利用探地雷達和結構鉆芯完成現有道路路面結構的檢測；交通量調查主要依據沿線國省干線交通量調查站數據，并采用遼寧省在重點監測路段設置的移動稱重設備推算的遼寧省普通公路標準軸載譜進行荷載驗算；利用自動化檢測車檢測現有路面結構在現有交通量作用下的使用狀況。

評價階段主要完成以下幾點：

(1)調查評價現有道路的交通荷載情況。

(2)檢測評價現有道路的路面結構情況。

(3)檢測評價現有路面的使用狀況。

1.2 病害診斷階段

本階段主要從現有結構評估、結構強度評價、典型病害鉆芯和路基、路面材料試驗分析四個方面對現有路面病害發展情況及損壞原因進行評價分析。

(1)采用力學計算方法，對現有路面結構進行瀝青面層的永久變形和水泥穩定碎石基層疲勞壽命結構性能評估，其中舊路材料結構參數采用取芯實測和彎沉反算兩種方法進行計算。

(2)結構強度評價：采用落錘彎沉儀檢測現有道路的強度，驗證結構強度是否滿足現有交通荷載需求，并反演結構模量。

(3)典型病害處鉆芯：通過病害處鉆芯查看病害發展情況，并輔助分析病害成因。

(4)路基路面材料分析：通過舊路材料與性能試驗，分析道路材料組成及使用性能，評價道路材料與路面損壞的關系。選舊路材料試驗包括土基CBR和含水量，面層材料組分分析、劈裂強度、勁度模量及貫入剪切強度，基層的劈裂強度等力學試驗。同時取硬路肩與行車道芯樣進行性能對比，評估現有路面材料衰變程度，其中貫入剪切試驗對易發生車轍路段的材料性能評估效果顯著。

1.3 提出解決方案階段

根據對現有道路的評價和損壞成因的分析結果，綜合考慮中長期交通發展需求及經濟效果，按照道路服務對象及服務預期確定設計目標，制定出具有針對性的路面處理方案。

2 路面材料試驗分析

結合現有道路車轍和龜裂病害損壞的特點，本項目舊路材料分析試驗主要從路面材料的抗車轍性能和抗彎拉性能的角度去分析，為設計方案提供依據。試驗內容主要有瀝青混合料面層劈裂強度、貫入剪切試驗和基層劈裂強度。

(1)路基土CBR試驗分析

CBR是評定路基土承載能力的重要參數之一，表征路基土強度，在國外常用路基土和路面材料的CBR值直接指導設計。本項目進行了現場取土，取土深度均在土路肩地表1.4m，為更好地反應路基土的實際工作狀態，取土后以實際含水量進行了室內CBR試驗，試驗結果如表1。

《公路路基施工技術規范》規定，一級公路用于

表1 路基土CBR試驗值

路基填筑的土的CBR，上路床不小于6%，下路床不小于4%，上路堤不小于3%，下路堤不小于2%。

通過試驗數據可知，現有路基土強度存在差異，含水量偏高。K232+200處路基土的CBR值符合規范要求，但K248+900處路基土的CBR值顯著降低，已經不滿足規范要求，降低幅度達到55%。

(2)面層材料級配分析

對上面層和下面層分別進行了級配篩分，級配結果如圖1、圖2所示。

原設計上面層為橡膠瀝青混凝土，級配應為間斷級配，根據級配曲線可以看出，現有上面層級配曲線均具有連續、S型的特點，且9.5mm和13.2mm篩孔的通過率略超出規范要求值；下面層級配中9.5～16mm篩孔的通過率均高于規范要求值，4.75～9.5mm之間的粗集料約占30%。

面層集料級配整體偏細，粗集料少，在重載車輛作用下，抗變形能力較差，面層材料級配不佳是在偏載交通條件下，重載路幅重度車轍及輕載路幅輕度車轍路況的關鍵誘因。

(3)瀝青面層劈裂強度

采用面層劈裂強度試驗以評價面層的疲勞損傷狀況，針對病害處以及硬路肩與行車道強度進行對比，評價損傷狀況。

表2 瀝青面層劈裂強度試驗結果匯總表

根據試驗結果可以看出，劈裂強度與勁度模量值之間具有良好的線性關系，左、右幅車道瀝青面層材料的試驗值無明顯區別，試驗值與設計規范要求值(改性瀝青混凝土1.2～1.6MPa，普通瀝青混凝土0.8～1.2MPa)相比均有較為明顯的衰減。行車道的劈裂強度與勁度模量顯著低于硬路肩的試驗結果，其中K234+500右幅車道輕度車轍處為最小值0.42MPa，與硬路肩相比劈裂強度降低約36.3%，與規范要求值1.6MPa相比降低約60.0%，面層疲勞損傷明顯。

(4)瀝青面層貫入剪切強度

采用瀝青混合料貫入剪切試驗，用以評價瀝青面層材料的抗車轍性能，試驗數據見表3。

表3 瀝青面層貫入剪切強度試驗結果匯總表

試驗結果表明，現有路面材料的剪切強度相對較小，約為0.4～0.5MPa之間，顯著低于一般瀝青混合料的剪切強度(1.0MPa以上)，降低幅度達50%以上，表明面層自身抗車轍能力不足，與級配分析結果一致。

(5)基層強度分析

本次試驗基層強度以劈裂強度為主，試驗結果如表4。

根據試驗結果可以看出，基層結構材料的整體劈裂強度介于0.5～0.7MPa之間，具有一定的強度，但與硬路肩的強度(1.8MPa)相比，強度降低約50%以上，強度衰減現象明顯，根據已有研究結果，基層材料所承受的強度若達到極限值后，強度衰減將迅速發展，易造成路面結構性破壞。

表4 基層材料試驗結果匯總表

3 路面損壞原因

通過舊路材料性能試驗，路面病害損壞既有重載交通荷載因素，自身材料性能不足也是路面損壞的重要原因，試驗結果對材料性能損傷程度進行了清晰判斷，針對病害成因形成以下幾點結論：

(1)本項目交通量較大，左幅工程運輸車輛多為超載車輛，右幅多為空載運輸車輛，造成左、右幅路面使用狀況具有顯著差異，交通荷載需求與現有結構的差異是車轍及結構疲勞損壞等路面病害的主要原因，基于5年使用預期，現有結構基層疲勞已超過結構承載能力。

(2)現有道路路基土多為粉質粘土，全線路基土存在強度差異，特別是甜水鎮段土基強度僅為規范下限的1/3。結合道路左側為溝渠，沿線地下水位較高，路基受含水量影響明顯，強度衰減嚴重，路基承載力不足。7～10月份豐水季節與重載車輛運輸高峰期相吻合，造成道路土基最弱時，道路承載需求最大，易形成整體性的結構性損壞。

(3)面層材料存在抗疲勞性能及抗變形能力低于一般材料要求的問題，也是面層的龜裂等疲勞損壞及車轍病害較早發生原因之一，與一般瀝青混合料相比，硬路肩面層劈裂強度為一般值的下限0.8MPa，表征抗變形能力的貫入剪切強度低于一般值50%以上。面層材料的級配不佳，集料偏細是造成面層性能問題的原因之一。因面層空隙中含泥等雜質較多，未能進行舊路瀝青性能評定。

(4)瀝青面層呈現顯著疲勞損傷，與建設初期相比，劈裂強度衰減36%，剪切疲勞更為顯著，也是縱向裂縫及龜裂病害發生的成因。

(5)面層結構抗剪強度較差，級配偏細，不能滿足一般瀝青混合料的貫入強度要求，在重載交通荷載作用下，面層的車轍病害出現是必然結果。目前車轍主要發生在表面層，僅重度車轍病害下面層發生輕微變形，因此改造設計中更應注重表面層的抗變形能力要求。部分車轍與裂縫病害伴生，車轍部位的裂縫病害大部分由表面層向下發展，下面層及基層已存在不同程度的裂紋，如不及時進行維修養護，將會進一步造成結構性破壞。

(6)行車道基層材料強度衰減現象明顯，根據累計軸次驗算結果，現有交通量荷載作用下，大部分路段的累計當量軸載作用已接近或超過基層疲勞壽命值，現有路面結構不能滿足遠期服務目標的交通荷載需求，基層已達到疲勞損壞的初期，部分路段因整體道路強度問題已出現結構性損壞。

(7)現有基層基本完整，尚未呈現明顯松散狀態，具有一定的殘余路用性能，如何延長現有基層壽命，利用其性能價值，需在設計方案中予以考慮。

4 對設計方案的支撐

(1)舊路結構的利用

根據舊路基層劈裂強度試驗，左右行車道劈裂強度為0.6～0.8MPa，與規范設計值0.4～0.6MPa相比，強度高出33.3%～50%，基層具有一定相對較好的結構強度。面層劈裂強度，右幅輕載路幅強度損失較小，在0.8～1.1MPa之間，具有較好的結構強度，右幅重載路幅面層強度損失60%。

受臨近無替代道路影響，施工僅可采用半幅封閉、半幅施工，根據軸載換算，施工一年期間，本路段通行車輛集中單側路幅每車道累計軸載為5.7×108次，右幅基層疲勞剩余壽命為2.87×1010次，左幅疲勞剩余壽命為3.89×109次，即右幅承擔單側集中荷載后，結構強度依然具有較高的剩余壽命，而左幅單側通行后，結構損壞加劇，剩余壽命不滿足改造后重載交通通行，因此建設工序選擇先封閉右幅，進行補強改造，待左幅改造后進行右幅施工。根據后續施工期間觀測，右幅施工期間除局部小面積坑槽外，面層與基層均表現良好，未形成大面積的損壞，與試驗和計算分析結果一致。

(2)補強與挖換方案的選擇

道路呈現左幅重載車轍及龜裂損壞，右幅狀況良好，具有較好的結構強度，因此，兩種設計方案，一為左幅挖換右幅加鋪利用方案，二為以左幅為主，整體補強結構方案。

根據土基CBR試驗，路基含水量與路面損害路段形成較好的對應關系，特別甜水鎮段，路基含水量36%，CBR值2.71%，路基為松軟狀態，需進行大量的換填處理，換填工程在工程實施及造價上均有重大的建設影響。同時，結合現有左幅基層雖然疲勞壽命降低，但作為下基層應用，降低受力層位，滿足建設預期壽命要求，因此，經過造價和技術分析，選擇第二方案進行設計，目前運行五年，整體路況運行良好。

(3)對材料的選擇

根據面層材料的劈裂強度和貫入強度試驗，現有面層材料自身的抗變形能力較弱，而右幅空載路幅面層劈裂強度降低幅度較低，設計方案面層材料選擇上應分幅合理，左幅重載側側重提升整體面層的抗變形能力，右幅一般建設結構滿足其交通荷載需求，因此，設計方案選用左幅雙層改性面層，右幅下面層選用普通瀝青混凝土，考慮設計標高銜接，全幅加鋪再生柔性基層的設計方案。

5 總結

舊路路面性能試驗分析在路面改造及養護工程設計中是必要和重要的環節，對舊路狀況科學化診斷和設計方案科學決策具有重要作用，對于舊路路面性能試驗分析應用提出幾點建議如下：

(1)舊路材料性能試驗應結合項目建設需求目標和自身狀況特點進行針對性的選擇，避免按照道路等級等統一標準固化選擇，做到科學化、針對性技術分析。

(2)應重視材料自身性能與路面損壞的對應關系，做到外部因素和自身性能結合進行病害原因分析，有利于針對性選擇設計方案，減少過度過高標準建設。

(3)一般等級公路硬路肩較少有車輛運行，可用于評價建設初期材料性能及行車道材料性能衰減狀況對比。

(4)舊路面性能試驗技術分析應與鉆芯、結構檢測、病害檢測等其他科學化檢測診斷手段相結合，提出合理的針對性技術分析。