高速公路瀝青路面半剛性基層結(jié)構(gòu)剩余壽命評價方法研究

林 翔，李 強

(公路養(yǎng)護技術(shù)國家工程研究中心，北京 100095)

0 引言

半剛性基層結(jié)構(gòu)是我國高等級公路瀝青路面主要結(jié)構(gòu)形式。目前，公路路面技術(shù)狀況評價指標主要以路表面功能性能評價為主，而對于半剛性基層結(jié)構(gòu)實際破壞狀況及殘余強度等方面均無法準確表征[1-2〗。故在實際養(yǎng)護設(shè)計工程中，設(shè)計人員只能通過經(jīng)驗判斷或進行小范圍的開挖驗證等途徑對半剛性基層使用狀況進行定性評價分析[3]，容易造成養(yǎng)護設(shè)計針對性不強、病害處治不徹底或過度處治等問題。本研究主要從半剛性基層結(jié)構(gòu)完整性及強度衰減等兩方面，采用定量評價與定性分析相結(jié)合的方式，分析其使用性能衰減規(guī)律與公路養(yǎng)護周期的相關(guān)關(guān)系，從而提出一套針對半剛性基層剩余使用壽命的評價方法，用于指導(dǎo)半剛性基層瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計實踐。

1 評價指標及評價方法

瀝青路面半剛性基層是指用水泥、石灰、粉煤灰等無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料作為路面基層的結(jié)構(gòu)形式，其主要承擔了提供路面結(jié)構(gòu)承載能力的作用。路面結(jié)構(gòu)壽命的終結(jié)一般都以基層結(jié)構(gòu)完全破壞，喪失承載能力作為標志[4]。故本研究主要通過結(jié)構(gòu)完整性及結(jié)構(gòu)強度衰減程度兩個方面對瀝青路面半剛性基層結(jié)構(gòu)整體使用性能進行綜合評價[5-6]，并預(yù)測結(jié)構(gòu)剩余使用壽命。

1.1 半剛性基層結(jié)構(gòu)完整性

借鑒路面結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)(PCI)[7]的定義，本研究采用基層結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)來評價半剛性基層結(jié)構(gòu)的完整性。由于基層結(jié)構(gòu)破壞屬于路面結(jié)構(gòu)隱性病害，目前還沒有對其進行直接檢測的方法。本研究主要通過間接檢測與經(jīng)驗判斷相結(jié)合的方式進行分析評價。

(1)探地雷達數(shù)據(jù)計算法：利用探地雷達對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。依靠高精度檢測天線，可以對路面基層結(jié)構(gòu)裂縫、松散、脫空、含水量高、局部沉陷等病害進行識別[8-9]。故該方法推薦直接利用探地雷達檢測數(shù)據(jù)識別出路面基層結(jié)構(gòu)破壞位置及影響面積，計算基層結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)BCI。該指標為實際檢測得到，可作為定量評價指標。

BCI=1-100%×(基層結(jié)構(gòu)破損面積/路面面積)，

(1)

式中，基層結(jié)構(gòu)破損面積為單位長度車道內(nèi)，通過探地雷達檢測識別出基層結(jié)構(gòu)破損病害面積之和；檢測路面面積為單位長度車道路面面積。

說明：該方法利用檢測數(shù)據(jù)直接計算得到，屬于最為精確的計算方法，在具備檢測設(shè)備條件下，應(yīng)優(yōu)先采用該方式計算基層結(jié)構(gòu)破損率。

(2)路面病害結(jié)合鉆芯取樣驗證計算法：瀝青路面病害產(chǎn)生及發(fā)展，主要包括兩個方面：病害從上至下發(fā)展，主要包括溫縮裂縫、疲勞裂縫等；病害從下向上發(fā)展，主要包括基層反射裂縫、結(jié)構(gòu)性裂縫等。養(yǎng)護設(shè)計項目中，經(jīng)常需要對病害位置進行取芯，分析病害產(chǎn)生原因及結(jié)構(gòu)破壞層位。該方法將結(jié)合鉆芯取樣數(shù)據(jù)，間接評價基層結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)現(xiàn)有路表面病害分布特點，挑選典型病害及代表性位置，進行鉆芯取樣，檢測各種典型病害位置下部半剛性基層結(jié)構(gòu)破壞發(fā)展層位及影響面積。通過統(tǒng)計分析得出各類典型病害位置下部半剛性基層發(fā)生破壞的概率，進而通過路面病害情況，計算基層結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)BCI。該指標為實際檢測得到，可作為定量評價指標。

(2)

式中，DR為路表面層破損率；i為典型病害類型；n為典型病害數(shù)量；ji為第i類典型病害折合破損面積占總病害折合破損面積的比例；ki為第i類典型病害基層破壞的芯樣個數(shù)所占該類病害芯樣總數(shù)的比例。

說明：該方法利用路表面病害分布情況，找出典型病害并進行取芯驗證，間接判斷下部半剛性基層破損狀況。由于嚴重病害的發(fā)生經(jīng)常是基層破壞反射至面層所致，該方法通過實地取芯驗證，也具有一定的準確性，但其計算精度要低于探地雷達直接檢測法，在缺少探地雷達設(shè)備的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用該方法計算基層結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)。

(3)路面病害特征推算法：由于半剛性基層結(jié)構(gòu)破壞反射至瀝青路面的病害形式，主要包括貫穿全幅路面的橫向裂縫、輪跡帶位置長度較大的縱向裂縫、唧漿、嚴重龜網(wǎng)裂等。故該方法聚焦于以上幾種路面病害，通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析其病害分布特征與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)破壞程度的相關(guān)關(guān)系，見圖1。發(fā)現(xiàn)交通軸載作用次數(shù)的不斷增加，貫穿全幅路面的橫向裂縫間距逐漸變小，由建成通車時間距大于500 m，逐漸發(fā)展至結(jié)構(gòu)壽命末期的20 m，且該指標呈現(xiàn)出前期衰變較快，后期逐漸穩(wěn)定的變化規(guī)律。嚴重的縱向裂縫一般都屬于結(jié)構(gòu)性裂縫，主要是由于半剛性基層破壞逐漸反射至面層產(chǎn)生的。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，隨著交通軸載作用次數(shù)的不斷增加，縱向裂縫長度逐漸增大，由剛開始出現(xiàn)時長度20 m，發(fā)展至結(jié)構(gòu)壽命末期長度大于150 m，且呈現(xiàn)出前期較為穩(wěn)定、后期加速發(fā)展的趨勢。該方法根據(jù)以上規(guī)律，將病害發(fā)展階段與路面結(jié)構(gòu)壽命相結(jié)合，提取由于半剛性基層破壞而反射至面層的各類常見病害，構(gòu)建了一套半剛性基層結(jié)構(gòu)完整性專項評價指標體系，通過該指標體系推算半剛性基層結(jié)構(gòu)破損程度，見表1。

圖1 路面病害特征與結(jié)構(gòu)使用年限關(guān)系Fig.1 Relationships between pavement disease characteristics and structural service life

說明：該方法屬于經(jīng)驗推算法，是通過大量工程經(jīng)驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計總結(jié)得出的，針對具體項目路段及病害并沒有進行實際檢測或抽樣驗證，故無法定量化計算基層破損率。利用該指標體系，可對基層破壞程度進行定性的分級。在缺乏專項檢測條件的情況下，可僅利用路表面病害數(shù)據(jù)定性分析基層破壞程度。在進行網(wǎng)級路況評價分析中，可也利用該方法對路網(wǎng)中各路線基層結(jié)構(gòu)狀況進行定性評價。

表1 路面病害特征推算法評價半剛性基層結(jié)構(gòu)完整性

1.2 半剛性基層結(jié)構(gòu)強度衰減程度

由于路面基層結(jié)構(gòu)屬于路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，對其使用性能的評價還需對其結(jié)構(gòu)承載能力進行分析[10]。本研究采用基層模量衰減度指標來評價半剛性基層結(jié)構(gòu)強度衰減情況。結(jié)合目前常用的結(jié)構(gòu)層模量專項檢測方法，提供了5種半剛性基層模量衰減度的計算方法，分別對應(yīng)著不同的數(shù)據(jù)需求及計算精度。路面各結(jié)構(gòu)層模量的測試方法應(yīng)符合《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)及《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2019)的要求。

(1)現(xiàn)場實測模量法：該方法通過承載板法對既有路面逐層開挖并實測各結(jié)構(gòu)層模量，將其與原始設(shè)計模量或新建基層結(jié)構(gòu)模量進行比較，得到基層模量衰減度[11-13]。該指標為實際檢測得到，可作為定量評價指標。

基層模量衰減度=

式中，基層初始模量為以相同地區(qū)相同結(jié)構(gòu)的新建路面半剛性基層模量為基層初始模量；當無新建結(jié)構(gòu)基層初始模量數(shù)據(jù)時，以完好路段路肩處基層反算模量作為基層初始模量；基層當量模量為既有路面結(jié)構(gòu)彎沉盆數(shù)據(jù)反算基層結(jié)構(gòu)模量作為當量模量[14]。

說明：目前檢測路面基層模量最準確的方式就是直接開挖路面面層，利用承載板在基層頂面實測回彈模量。但該方法對原有路面的破壞、施工作業(yè)難度及對現(xiàn)有交通的干擾等方面均較大，一般不會大范圍采用。在重點工程或高速公路大修工程等項目中，可采用該方法測量基層模量。

(2)彎沉盆特征參數(shù)分析法：該方法利用落錘式彎沉儀(FWD)檢測路面彎沉盆數(shù)據(jù)，并通過模量反算的方法計算既有路面半剛性基層模量，作為基層當量模量，將其與基層初始模量相比較，計算模量衰減度。計算公式與現(xiàn)場實測法相同。該指標為實際檢測得到，可作為定量評價指標。

說明：該方法主要計算基層模量衰減情況。通過無損手段檢測基層結(jié)構(gòu)模量的方式主要是落錘式彎沉儀(FWD)檢測彎沉盆數(shù)據(jù)，再利用彎沉盆反算模量。由于本研究利用的指標是模量衰減度(即模量比值)，故不同反算方法得到兩種狀態(tài)下模量的比值應(yīng)該具有相對的穩(wěn)定性及可信度，可用于后期評價分析。

(3)材料試驗數(shù)據(jù)計算法：通過對鉆芯取樣收集得到的路面基層結(jié)構(gòu)芯樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，實測基層結(jié)構(gòu)材料的強度指標，并與新建路面結(jié)構(gòu)層強度進行比較，計算模量衰減度[15-16]，見表2。計算公式與現(xiàn)場實測法相同。

表2 材料試驗數(shù)據(jù)計算法評價半剛性基層強度衰減程度

說明：該方法針對現(xiàn)場取樣進行實驗室檢測，分析強度衰減情況。但由于室內(nèi)試驗畢竟無法完全還原路面結(jié)構(gòu)原始的受力狀況，而對于已發(fā)生破損的材料無法進行室內(nèi)加載試驗，故該檢測數(shù)據(jù)的代表性及準確性要低于以上兩種方法，可用于定性評價基層結(jié)構(gòu)強度衰減情況。

(4)路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)評價法：通過自動彎沉儀或貝克曼梁彎沉儀檢測得到的路表回彈彎沉值，計算出路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)(PSSI)，通過PSSI間接判斷基層模量衰減程度[17]，見表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)評價法評價半剛性基層強度衰減程度

說明：通過PSSI判斷路面整體結(jié)構(gòu)強度是當前公路養(yǎng)護設(shè)計路況評價的常規(guī)做法，但PSSI指標表征的是路面整體結(jié)構(gòu)強度與原始設(shè)計結(jié)構(gòu)強度的衰減情況，不能直接反映基層結(jié)構(gòu)的強度衰減。一般認為半剛性基層結(jié)構(gòu)是路面結(jié)構(gòu)承載能力的主要提供層位，故該方法將表征整體結(jié)構(gòu)強度的指標用于間接反映半剛性基層結(jié)構(gòu)的強度狀況，具有一定的代表性，但該評價方法只能作為定性分級的標準。

圖2 修正S型路面使用性能衰變模型Fig.2 Modified S-type pavement serviceability decay model

2 衰變規(guī)律分析

2.1 模型形式

鑒于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)和所掌握的數(shù)據(jù)資源情況，參考《瀝青路面長期性能研究(LAPP)》項目研究成果，本研究采用修正S型模型對路面結(jié)構(gòu)剩余壽命變化規(guī)律進行擬合分析。模型形式如下：

RCI=(RCImax-RCImin)/

(1+a0exp(a1A))+RCImin,

(3)

式中，RCI為半剛性基層剩余壽命指數(shù)；RCImax為半剛性基層壽命上限；RCImin為半剛性基層壽命下限；A為半剛性基層破損狀況指數(shù)或半剛性基層模量衰減度；a0為模型參數(shù)；a1為模型參數(shù)。

2.2 確定關(guān)鍵控制點

(1)由于該方法計算的指標為結(jié)構(gòu)剩余壽命指數(shù)，新建路面結(jié)構(gòu)壽命RCImax可取100，結(jié)構(gòu)壽命終結(jié)時RCImin取0。

(2)模型參數(shù)a1表征的是結(jié)構(gòu)剩余壽命的衰變速度，通過將實際路面結(jié)構(gòu)使用壽命變化情況與不同參數(shù)取值結(jié)果進行比較分析，該方法選取其中吻合度最高的a1值0.06。

(3)通過對全國高速公路大中修周期的調(diào)研及統(tǒng)計分析，統(tǒng)計出不同交通狀況下半剛性基層路面結(jié)構(gòu)大修周期，如表4所示；將各種使用條件下，功能性大修周期及中修周期分別與結(jié)構(gòu)使用壽命相比較，可計算各養(yǎng)護階段結(jié)構(gòu)剩余壽命指數(shù)，如表5所示。

表4 不同交通等級高速公路結(jié)構(gòu)使用壽命

表5 不同交通等級高速公路剩余壽命指數(shù)

3 建立新指標體系與養(yǎng)護類型關(guān)系

根據(jù)養(yǎng)護設(shè)計工程實踐，并結(jié)合我國公路瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計相關(guān)標準規(guī)范的規(guī)定，提出半剛性基層瀝青路面大修及中修的路況邊界條件，與半剛性基層結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)、半剛性基層結(jié)構(gòu)模量衰減度兩項指標建立相關(guān)關(guān)系[18]，如表6所示。

表6 半剛性基層結(jié)構(gòu)評價指標與養(yǎng)護類型關(guān)系

4 確定分析模型

根據(jù)已知的剩余壽命指數(shù)RCI值及半剛性基層結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)衰減值或半剛性基層結(jié)構(gòu)模量衰減度A值，可計算出模型參數(shù)a0，見下式：

a0=((RCImax-RCImin)/(RCI-RCImin)-1)/exp(a1A)。

計算出不同使用條件下模型參數(shù)a0值，如表7所示，并繪制半剛性基層結(jié)構(gòu)剩余壽命對應(yīng)關(guān)系圖，如圖3、圖4所示。

表7 確定模型參數(shù)a0

5 分析流程及方法

利用以上建立起來的模型，可以開展瀝青路面半剛性基層結(jié)構(gòu)剩余使用價值的評價分析。在分析前，需通過現(xiàn)有專項檢測手段或已有檢測數(shù)據(jù)，分別確定基層結(jié)構(gòu)完整性及基層結(jié)構(gòu)模量衰減度兩項指標。確定方法如下：

(1)當半剛性基層結(jié)構(gòu)完整性評價僅能獲得定性評價結(jié)果，而半剛性基層強度衰減性評價可以獲得本研究定量評價數(shù)據(jù)時，可采用圖3的方法計算結(jié)構(gòu)剩余壽命指數(shù)。

圖3 高速公路基層結(jié)構(gòu)壽命與基層模量衰減度關(guān)系模型Fig.3 Model of relationship between structural life and base modulus attenuation of expressway base

圖4 高速公路基層結(jié)構(gòu)壽命與基層破損率關(guān)系模型Fig.4 Model of relationship between structural life and base damage rate of expressway base

(2)當半剛性基層結(jié)構(gòu)完整性評價可獲得定量評價數(shù)據(jù)，而半剛性基層強度衰減性評價只能獲得定性評價結(jié)果時，可采用圖4的方法計算結(jié)構(gòu)剩余壽命指數(shù)。

(3)當兩方面評價指標均能獲得定量評價數(shù)據(jù)時，可兩種方法同時使用，并進行綜合比選。

(4)當兩方面評價指標均無法獲得定量化的計算結(jié)果時，將不適用于本研究中半剛性基層剩余壽命評價方法。

6 方法應(yīng)用及驗證

6.1 案例1：重等交通等級

河北省某條高速公路，重等交通等級，瀝青混凝土路面，2005年建成通車，2014年對路況進行詳細檢測，路面PCI指標均值為86，PSSI指標均值為85；該路段典型病害類型為橫向裂縫、縱向裂縫及坑槽，經(jīng)過典型病害位置鉆芯取樣，發(fā)現(xiàn)70%的橫向裂縫位置基層發(fā)生破壞，80%的縱向裂縫位置基層發(fā)生開裂，100%的坑槽位置基層結(jié)構(gòu)破壞。該路段在2015年開展了中修養(yǎng)護工程。

方法驗證：利用以上檢測數(shù)據(jù)，可計算出該路段半剛性基層結(jié)構(gòu)破損狀況指數(shù)為88，衰減值為12；基層結(jié)構(gòu)模量衰減度定性評價為中等；利用下圖計算出該路段半剛性基層剩余壽命為90%。故對于該路段，可認為基層結(jié)構(gòu)基本保持良好，沒有發(fā)生大范圍的損壞，可以繼續(xù)保持原有的狀態(tài)。該結(jié)論與2015年采用中修工程，重點處治瀝青面層病害的養(yǎng)護方案是相匹配的。

圖5 應(yīng)用實例1Fig.5 Application example 1

6.2 案例2：特重等交通等級

廣東省某條高速公路，特重等交通等級，瀝青混凝土路面，2001年建成通車，2015年對路況進行詳細檢測，現(xiàn)場代表性位置通過承載板實測基層頂面當量回彈模量為242 MPa，原設(shè)計基層頂面當量回彈模量為300 MPa；另外，針對該路段代表性病害分布特征進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)橫向裂縫平均間距為20 m，縱向裂縫平均長度為350 m/km。該路段在2016年開展了大修養(yǎng)護工程。

方法驗證：利用以上檢測數(shù)據(jù)，可計算出該路段半剛性基層結(jié)構(gòu)模量衰減度指數(shù)為81，衰減值為19；基層結(jié)構(gòu)完整性定性評價為差等；利用圖6計算出該路段半剛性基層剩余壽命為60%。故對于該路段，可認為基層結(jié)構(gòu)整體仍具有一定強度，但局部路段基層結(jié)構(gòu)發(fā)生較嚴重破壞，應(yīng)進行徹底的處治并開展補強處理。該結(jié)論與2016年采用大修工程，重點處治整體結(jié)構(gòu)層病害，并加鋪瀝青混凝土補強層的養(yǎng)護方案是相匹配的。

圖6 應(yīng)用實例2Fig.6 Application example 2

7 結(jié)論

本研究通過大量調(diào)研及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，系統(tǒng)的提出了一套高等級公路瀝青路面半剛性基層結(jié)構(gòu)剩余壽命評價方法，主要研究結(jié)論包括以下幾方面：

(1)采用結(jié)構(gòu)完整性及結(jié)構(gòu)模量衰減度兩項指標評價半剛性基層結(jié)構(gòu)使用狀況，同時結(jié)合現(xiàn)有路況專項調(diào)查手段，提出定量計算結(jié)合定性評價的方式對這兩項指標進行分析的方法。

(2)將全國大中修周期分布規(guī)律的統(tǒng)計分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為路面結(jié)構(gòu)壽命衰變規(guī)律，并與結(jié)構(gòu)完整性及結(jié)構(gòu)模量衰減度兩項評價指標建立匹配關(guān)系，從而實現(xiàn)了對現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)剩余壽命的定量化計算。

(3)經(jīng)過實際養(yǎng)護設(shè)計工程驗證，該方法評價結(jié)果與路面結(jié)構(gòu)實際破壞特點較為匹配，可用于指導(dǎo)半剛性基層瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計實踐。