柔性基層在舊瀝青路面補強中的應(yīng)用實踐

王小芹

（廈門中平公路勘察設(shè)計院有限公司）

0 引言

瀝青混凝土路面以其行車舒適、噪音小、維修養(yǎng)護(hù)方便、揚塵小等優(yōu)勢，在我國城市道路路面結(jié)構(gòu)中占有主導(dǎo)地位。隨著道路運營年限的增長，以及重載車輛的增多，加劇了路面的損壞，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強度降低，服務(wù)水平下降，無法適應(yīng)多種交通需求。為恢復(fù)路面服務(wù)功能，延長路面的使用壽命，需對舊瀝青路面進(jìn)行維修補強。目前我國已有學(xué)者對此展開研究，如程珊珊[1]指出瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修方案的選擇與設(shè)計涉及很多因素，針對高速公路瀝青路面維修工程的選擇和設(shè)計，提出了一套較為系統(tǒng)的過程和方法：數(shù)據(jù)采集→路況評價→維修措施選擇→可行性方案→備選方案的評估以及最優(yōu)方案的選擇。鄭義[2]依托江西省昌-泰高速公路技術(shù)改造工程，分析瀝青路面唧漿病害成因，并基于此提出了針對性的結(jié)構(gòu)補強、中分帶排水改造及路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部排水系統(tǒng)等處治措施。在瀝青路面結(jié)構(gòu)組成中，基層類型是影響道路使用性能的重要因素。

在路面結(jié)構(gòu)組成中，基層類型是影響道路使用性能的重要因素。基層類型主要有2種：柔性基層與半剛性基層。相關(guān)研究結(jié)果表明，半剛性基層常用的水泥、石灰、粉煤灰等水硬性材料對溫濕度較為敏感，容易導(dǎo)致反射裂縫，路面壽命大大折減。申結(jié)結(jié)等[3]針對這一現(xiàn)象，借助HPDS2011軟件，對比分析了半剛性和柔性基層的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明柔性基層瀝青路面可以有效抑制反射裂縫的產(chǎn)生。柔性基層可減小基層和底基層的層底拉應(yīng)力，避免拉應(yīng)力在底基層集中存在。

基于此，依托于廈門市濱海西大道提升改造工程，根據(jù)現(xiàn)狀路面的病害及檢測結(jié)果，對病害原因展開分析，考慮柔性基層的優(yōu)勢，重點探討了路面補強方案，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，以期對類似工程具有參考價值。

1 工程概況

1.1 道路建設(shè)概況

廈門市濱海西大道（集美大橋-海翔大道段）于2008年通車，2010年進(jìn)行路面病害維修并罩面。該路段現(xiàn)狀典型路面結(jié)構(gòu)為4㎝厚SMA-13改性瀝青（原罩面）+4cm厚SMA-13改性瀝青+5cm厚AC-16中粒式瀝青+7cm厚AC-25粗粒式瀝青+20cm厚5%水穩(wěn)碎石基層+20cm厚3%水穩(wěn)碎石底基層+20cm厚級配碎石墊層。現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)圖

1.2 路面狀況分析

為準(zhǔn)確判斷路面狀況，通過采取表觀調(diào)查、彎沉檢測及鉆芯取樣等多種方法對路面狀況進(jìn)行綜合分析。

1.2.1 表觀病害調(diào)查分析

濱海西大道主要病害類型為橫向裂縫、縱向裂縫、局部沉陷、龜裂、坑槽及車轍等。部分路段橫向裂縫已采用灌縫處理，但其病害仍在持續(xù)發(fā)展，同時其它路段也在產(chǎn)生一些新的橫向裂縫。某些路段龜裂病害嚴(yán)重，甚至發(fā)展為坑槽（見圖2），已經(jīng)嚴(yán)重危害到行車安全。

圖2 龜裂、坑槽

1.2.2 現(xiàn)狀路面彎沉分析

采用貝克曼梁彎沉儀進(jìn)行彎沉檢測，測得濱海西大道主車道彎沉代表值為60.1（0.01mm），彎沉代表值大，表示路面結(jié)構(gòu)強度嚴(yán)重不足；小車道及BRT車道彎沉代表值55.2（0.01mm），彎沉代表值較大，表示路面結(jié)構(gòu)強度不足[1]。

1.2.3 鉆芯調(diào)查分析

通過對濱海西大道路面橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂及坑槽等病害嚴(yán)重處進(jìn)行鉆芯取樣（見圖3），發(fā)現(xiàn)大部分裂縫貫穿上、中、下面層，基層頂部出現(xiàn)與面層裂縫相對應(yīng)的裂縫，且芯樣中5%水穩(wěn)碎石層松散、板結(jié)差、強度低。龜裂及坑槽處的芯樣中發(fā)現(xiàn)瀝青混合料比較潮濕，出現(xiàn)松散現(xiàn)象，中下層裂縫處有泥出現(xiàn)，上面層底部存在明顯水漬，說明混合料中有水進(jìn)入，基層與面層粘結(jié)較差，且5%水泥穩(wěn)定碎石層松散、開裂，其他區(qū)域板結(jié)也較差，整體強度較低[2]。

圖3 路面取芯現(xiàn)場照片

1.2.4 現(xiàn)狀路面技術(shù)狀況綜合評價

根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[4]及《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5]，對濱海西大道路面強度進(jìn)行評價。主車道路面的彎沉代表值大，路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI評價等級差，路面強度不足；現(xiàn)狀中、重度病害多，路面損壞狀況PCI評價等級為中[3]，具體如表1所示。

表1 主車道路面總體評價

小車道及BRT車道路面的彎沉代表值較大，路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI評價等級為次，路面承載力不足；現(xiàn)狀輕度病害較多，且存在少量重度病害，路面損壞狀況PCI評價等級為良，具體如表2所示。

表2 小車道及BRT車道路面總體評價

1.3 路面病害原因分析

通過對現(xiàn)狀路面的調(diào)查與分析，總結(jié)出路面病害產(chǎn)生的主要原因有以下4點：

⑴該道路施工期間邊施工邊通車，特別是周邊地塊樓盤興建，土方車大量通行，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強度嚴(yán)重下降。

⑵從交通量來看，濱海西大道通車后，部分車輛選擇由本條道路通往同安。特別是同集路提升改造后，周邊道路交通量大部分匯入濱海西大道，造成交通量驟然提升。

⑶重載車輛明顯增多，特別是經(jīng)天馬路進(jìn)入的重車、超限車較多，加速了路面病害的發(fā)展。

⑷路面已運營10年時間，強度降低、表觀破壞在所難免。

2 舊瀝青路面補強方案研究

濱海西大道歷史建設(shè)條件、使用工況差異較小，不同路段整體路面狀況差異甚微，但不同車道之間路面狀況差異較大。小車道及BRT車道路面狀況中等，主車道路面狀況則較差。同時考慮日后運營期間不同車道交通等級差異，舊瀝青路面維修對策主要分為：①小車道及BRT車道路面補強方案；②主車道路面補強方案；③保留層病害處治對策[4]。

2.1 小車道及BRT車道路面補強方案

根據(jù)鉆芯芯樣分析，小車道及BRT車道基層板結(jié)性較好，但實測彎沉代表值為55.2（0.01mm）。該工程路面設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)（15年）小車道及BRT車道累計當(dāng)量軸次為1.0×107次，屬中等交通等級，設(shè)計彎沉值為38.2（0.01mm）（路面結(jié)構(gòu)系數(shù)取值為 1.6）[5]。

在擬定小車道及BRT車道路面補強方案時，主要考慮以下4個因素：①小車道及BRT車道交通量相對較小，屬中等交通等級，對路面結(jié)構(gòu)強度要求相對較低；②現(xiàn)狀小車道及BRT車道路面基層剩余強度較高，應(yīng)盡量保留利用；③現(xiàn)狀小車道及BRT車道病害類型以基層反射裂縫為主；④濱海西大道交通壓力大，特別是BRT車輛需保障通行。

經(jīng)綜合分析，擬定小車道及BRT車道路面采用柔性基層進(jìn)行補強，主要考慮柔性基層具有以下3個優(yōu)勢：①柔性基層補強造價增加不多，但可以有效消除基層反射裂縫；②柔性基層與現(xiàn)狀瀝青面層的層間結(jié)合性好；③半剛性基層需要養(yǎng)護(hù)時間長（7天），對交通影響極大，而柔性基層鋪筑完成隔天即可開放交通，能夠有效降低對交通的影響，社會效益高。

路面補強方案：先銑刨8厘米的SMA表面層以消除現(xiàn)狀路表輕度病害，保留利用原瀝青路面的中、下面層及基層，對現(xiàn)狀中度病害和重度病害單獨處治。通過對實測彎沉進(jìn)行分析，保留層彎沉代表值取值為72（0.01mm），按照《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169-2012），計算出保留層當(dāng)量回彈模量為228MPa。據(jù)此，擬定小車道及BRT車道路面補強結(jié)構(gòu)層為：4cm厚SMA-13改性瀝青+6cm厚AC-20改性瀝青+12cm厚ATB-25瀝青碎石柔性基層+1cm厚下封層，補強層總厚度為23cm，補強后路面標(biāo)高抬高15cm。

2.2 主車道路面補強方案

鉆芯芯樣結(jié)果表明，現(xiàn)狀主車道路面瀝青面層及水穩(wěn)基層取芯呈松散狀，基層與面層粘結(jié)性差，路面實測彎沉代表值60.1（0.01mm）。路面設(shè)計基準(zhǔn)期（15年）內(nèi)主車道累計當(dāng)量軸次為1.8×107次，屬重交通等級，設(shè)計彎沉值為25.5（0.01mm）（路面結(jié)構(gòu)系數(shù)取值為1.2）。

在擬定主車道路面補強方案時，主要考慮以下3個因素：①主車道交通量較大，屬重交通等級，其對路面結(jié)構(gòu)強度要求高；②現(xiàn)狀主車道路面基層剩余強度低，基層裂縫嚴(yán)重、基層板結(jié)性差；③考慮路面補強需抬高路面，應(yīng)綜合考慮與小車道、BRT標(biāo)高以及與周邊地塊標(biāo)高的銜接。

基于上述因素，擬定本次改造挖除瀝青面層及5%水穩(wěn)基層，利用原路面3%水穩(wěn)底基層，并采用柔性基層+半剛性基層補強的組合方案。

通過對實測彎沉進(jìn)行分析，保留層彎沉代表值取值為 250（0.01mm），按照《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169-2012）[6]，計算出保留層當(dāng)量回彈模量為66MPa。據(jù)此，初步擬定主車道路面補強結(jié)構(gòu)層為：4cm厚SMA-13改性瀝青+6cm厚AC-20改性瀝青+12cm厚ATB-25瀝青碎石柔性基層+1cm厚下封層+透層瀝青+33cm厚6%水泥穩(wěn)定碎石底基層。補強層總厚度56cm，該補強方案路面標(biāo)高僅抬高15cm，能與小車道及BRT車道銜接平順，且對周邊地塊影響較小。與此同時，柔性基層能夠有效緩解基層反射裂縫的發(fā)生，避免路面早期損毀的發(fā)生。

2.3 保留層病害處治對策

為有效消除路面病害，確保補強后路面強度整體提升，在對主車道、小車道及BRT車道進(jìn)行補強前，根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》對保留層局部病害單獨處治。

病害類型主要為中度病害和重度病害路段。

2.3.1 中度病害路段

⑴對于縫寬大于0.5cm的裂縫，除采用常規(guī)的清縫、灌縫的處理方式外，為有效防止裂縫反射，在灌縫后的裂縫上面鋪設(shè)寬度為50cm寬的防裂土工布。

⑵對于以網(wǎng)裂、坑槽為主的病害，按照“圓洞方補、斜洞正補、擴(kuò)洞修補”的原則，病害發(fā)展到哪個層次，即處治到那個層次。

2.3.2 重度病害路段

對于水穩(wěn)層整體性已損壞，結(jié)構(gòu)強度下降的重度病害路段，采用挖除并重建原水泥穩(wěn)定碎石基層的處理方式，以恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)強度。

3 路面補強結(jié)構(gòu)驗算

該工程路面補強結(jié)構(gòu)層驗算主要依據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169-2012），以路表彎沉值為設(shè)計指標(biāo)，瀝青層剪應(yīng)力為驗算指標(biāo)。采用東南大學(xué)交通學(xué)院瀝青路面計算程序進(jìn)行路面力學(xué)計算，借助殼牌公司瀝青路面計算軟件BISAR3.0進(jìn)行瀝青層剪應(yīng)力驗算。

3.1 主車道路面補強結(jié)構(gòu)驗算

主車道路面補強結(jié)構(gòu)驗算采用東南大學(xué)交通學(xué)院瀝青路面計算程序，對初擬的主車道路面補強結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行路表彎沉值計算，計算結(jié)果瀝青頂面施工控制彎沉為19.2（0.01mm）。

3.1.1 以彎沉為設(shè)計指標(biāo)

該路面補強為柔性基層，根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》[6]式（5.4.3）計算設(shè)計彎沉，道路等級系數(shù)Ac取1.0，面層類型系數(shù)As取1.0，基層類型系數(shù)Ab確定為1.2。設(shè)計彎沉值為：

Ld=600Ne-0.2AcAsAb

=600×（1.8×107）-0.2×1.0×1.0×1.2

=25.5（0.01mm）

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》[6]表（3.2.7）和表（5.4.1），確定該路面結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足目標(biāo)可靠度90%的可靠系數(shù)γa按1.04考慮。根據(jù)初擬路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算結(jié)果，路表計算彎沉為19.2（0.01mm），路面結(jié)構(gòu)強度驗算結(jié)果為：

γaLs=1.04×19.2=20.0＜Ld=25.5（0.01mm）

可見，初擬路面結(jié)構(gòu)組合滿足設(shè)計要求。

3.1.2 以瀝青剪應(yīng)力為驗算指標(biāo)

采用《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》[6]式（5.4.6）計算瀝青混合料結(jié)構(gòu)層容許抗剪強度。考慮最不利情況，交叉口容易發(fā)生剪切疲勞破壞，瀝青混合料抗剪強度在0.795MPa以上才能滿足抗剪強度要求，對于一般行駛路段，瀝青表面層混合料的抗剪強度也應(yīng)該在0.471MPa以上才能滿足設(shè)計要求。該工程主車道采用的SMA-13改性瀝青抗剪強度在0.8MPa以上，可以滿足該項目一般路段的抗剪性能要求。

3.2 小車道及BRT車道路面補強結(jié)構(gòu)驗算

小車道及BRT車道路面補強結(jié)構(gòu)驗算采用東南大學(xué)交通學(xué)院瀝青路面計算程序，對初擬的主車道路面補強結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行路表彎沉值計算，計算結(jié)果瀝青頂面施工控制彎沉為29.9（0.01mm）。

3.2.1 以彎沉為設(shè)計指標(biāo)

該路面補強為柔性基層，根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》式（5.4.3）計算設(shè)計彎沉，道路等級系數(shù)Ac取1.0，面層類型系數(shù)As取1.0，基層類型系數(shù)Ab確定為1.6。設(shè)計彎沉值為：

Ld=600Ne-0.2AcAsAb

=600×（1.0×107）-0.2×1.0×1.0×1.6

=38.2（0.01mm）

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》表（3.2.7）和表（5.4.1），確定該路面結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足目標(biāo)可靠度90%的可靠系數(shù)γa按1.04考慮。根據(jù)初擬路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算結(jié)果，路表計算彎沉為29.9（0.01mm），路面結(jié)構(gòu)強度驗算結(jié)果為：

γaLs=1.04×29.9=31.1＜Ld=38.2（0.01mm）

可見，初擬路面結(jié)構(gòu)組合滿足設(shè)計要求。

3.2.2 以瀝青剪應(yīng)力為設(shè)計指標(biāo)

該工程小車道及BRT車道采用的SMA-13改性瀝青抗剪強度在0.8MPa以上，可以滿足該項目一般路段的抗剪性能要求。

4 舊瀝青路面補強應(yīng)用成果

在工程施工期間，濱海西大道日常交通量仍較大，但通過采用柔性基層補強能及時開放交通，做到施工期間保暢通，保障BRT車輛不中斷，有效降低路面改造對現(xiàn)狀交通的影響。

目前該工程已建成通車，通過對路表進(jìn)行彎沉檢測，改造后小車道及BRT車道彎沉代表值為28.8（0.01mm），改造后主車道彎沉代表值為 18.5（0.01mm），均能夠滿足施工控制彎沉的要求。同時對路面平整度等各項指標(biāo)進(jìn)行檢測均能滿足規(guī)范要求，路面技術(shù)狀況PQI值達(dá)到優(yōu)，行車舒適度高。

5 結(jié)論

隨著運營道路的通車?yán)锍毯吐俘g逐漸增長，瀝青路面的病害問題已日益突出。為減小對交通的影響，延長路面使用壽命，應(yīng)采取有效措施并及時維修補強。出現(xiàn)病害的情況有多種，因此維修前應(yīng)充分調(diào)查，查明病害成因，針對性制定補強方案。研究結(jié)果表明，在對舊瀝青路面的補強工作中，采用柔性基層可以充分利用舊路強度，有效降低對現(xiàn)狀交通的影響，縮短工期，降低投資。