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(yáng)市 110166)

0 引言

遼寧省地處我國(guó)東北，為季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季寒冷，夏季炎熱，統(tǒng)計(jì)了遼寧省2010年以后通車的十余條高速公路，典型路面結(jié)構(gòu)為:3.5cmSMA-13L+5～6cm LAC-20+7～8cmAC-25+37～40cm水穩(wěn)碎石基層+15～20cm級(jí)配碎石墊層，路面厚度70～78cm，瀝青面層厚度15.5～17.5cm。某高速公路位于遼寧東北部，樁號(hào)范圍為K0+000～K86+300，路面寬度22.5m，路基寬度26m。由于處于高速公路網(wǎng)的末端，交通量較小。初期建設(shè)的面層結(jié)構(gòu)為5cm改性瀝青LAC-20+7cmAC-25，預(yù)留3.5cmSMA-13L表面層未實(shí)施，瀝青層僅12cm。

該高速公路所在區(qū)域?qū)儆诎敫珊?、半濕?rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年平均降水量678～738mm，年平均氣溫5.1～6.5℃，極端最高氣溫35.2～36.5℃，極端最低氣溫-36.3～-41.7℃，冬季寒冷是該區(qū)域的顯著氣象特點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)分析了歷年的交通量數(shù)據(jù)，該高速主要交通組成為小客車，其自然數(shù)占比達(dá)80%左右。設(shè)計(jì)年限內(nèi)路面結(jié)構(gòu)所承受的累計(jì)大型客車和貨車的交通量為150萬(wàn)輛，其交通等級(jí)屬于輕交通。

1 路面技術(shù)狀況

依據(jù)2019年7月道路綜合檢測(cè)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90.55分，路面損壞狀況PCI全線平均值為83.48分，平整度RQI全線平均值為95.05分，車轍RDI全線平均值為95. 05分，跳車指數(shù)PBI全線平均值為97.13分。檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)了該高速公路歷年路面使用性能指數(shù)及其分項(xiàng)指標(biāo)，從圖1中可以看出，除2016年大量灌縫后路面技術(shù)指標(biāo)上升外，2017～2019年間，路面使用性能指數(shù)PQI和路面破損指數(shù)PCI逐年下降，而行駛質(zhì)量指數(shù)RQI和車轍深度指數(shù)RQI較為穩(wěn)定，因此PQI指數(shù)的下降主要源于路面破損的持續(xù)發(fā)展。

2 路面病害診斷

該路段2012年通車運(yùn)營(yíng)，從2015年開(kāi)始，該公路路面開(kāi)始逐漸出現(xiàn)橫縱向裂縫，且裂縫數(shù)量逐年增多，養(yǎng)路部門每年進(jìn)行大量的灌縫工作，以防止雨水滲透加劇路面破損。隨著運(yùn)營(yíng)年限的增長(zhǎng)，在車輛荷載、自然老化的共同作用下，裂縫周邊開(kāi)始出現(xiàn)大量的微裂縫，已經(jīng)無(wú)法通過(guò)灌縫來(lái)維持路面使用性能。

2.1 病害分類

該項(xiàng)目路面存在的病害有橫縫、縱縫、松散、老化以及局部坑槽，其中最主要病害為縱向裂縫，為便于分析病害的發(fā)展深度并確定維修方案，根據(jù)裂縫的密集程度和發(fā)展深度，將不同病害段落進(jìn)行了分類：

(1)間斷縱縫：間斷或一條縱縫，共115.3車道公里，占比33.4%。

(2)輕度縱縫：2條縱縫，共87.2車道公里，占比25.3%。

(3)重度縱縫：3條及以上縱縫或塊裂，共22.4車道公里，占比6.5%。

通過(guò)路面典型病害的取芯進(jìn)一步探尋路面裂縫的發(fā)展深度，共取芯100個(gè)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，路面間斷縱縫主要為1cm以內(nèi)的淺層病害，而輕度縱縫多發(fā)展至表面層，重度縱縫路段則多半瀝青層完全開(kāi)裂，另有17.9%的重度縱縫芯樣基層出現(xiàn)開(kāi)裂。

2.2 病害成因

(1)凍脹引起的局部開(kāi)裂

由于瀝青混合料未經(jīng)車輛碾壓進(jìn)一步密實(shí)等原因造成孔隙率大，致使冬季融化的雪水進(jìn)入混合料內(nèi)部，產(chǎn)生凍脹造成了局部開(kāi)裂。局部裂縫進(jìn)一步發(fā)展、連通形成大量的縱、斜向裂縫。

(2)上面層單獨(dú)受力，產(chǎn)生疲勞破壞

由于層間粘結(jié)不良，尤其是上、下面層之間產(chǎn)生滑動(dòng)，致使上面層單獨(dú)受力，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

為了準(zhǔn)確了解路面結(jié)構(gòu)在不同層間接觸狀態(tài)條件下路面的受力狀況，計(jì)算了在雙圓均布垂直荷載作用下，層間滑動(dòng)和層間連續(xù)兩種狀態(tài)的路面應(yīng)變情況，計(jì)算位置在平面上選取了4點(diǎn)，分別為A(單圓荷載中心)、B(單圓荷載邊緣)、C(輪隙4等分處)、D(輪隙中心)，在深度上選取了瀝青層表面(h=0)、表面層層底(h=5cm)、下面層層底(h=12cm)，見(jiàn)圖3。

表1 不同層間連接狀態(tài)下路面內(nèi)部瀝青層拉應(yīng)變計(jì)算指標(biāo)表(單位：με)

瀝青層層底拉應(yīng)變指標(biāo)主要表征瀝青層的疲勞特性，其指標(biāo)大小與瀝青層疲勞壽命成反比，即拉應(yīng)變數(shù)值越大，瀝青層疲勞壽命越短。通過(guò)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，在層間接觸狀態(tài)為連續(xù)的情況下，表面層層底、下面層層底和路表的A、B兩點(diǎn)都是處于受壓狀態(tài)，即瀝青層不可能出現(xiàn)疲勞破壞。只是在C、D點(diǎn)出現(xiàn)了拉應(yīng)變，且數(shù)值較小。

對(duì)于層間光滑的條件下，除路表A點(diǎn)受壓以外，路面各層的各點(diǎn)都處于受拉狀態(tài)，對(duì)路表最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在C點(diǎn)，而對(duì)表面層底和下面層底最大值都出現(xiàn)在A點(diǎn)，且整個(gè)瀝青層拉應(yīng)變最大點(diǎn)出現(xiàn)在表面層層底的A點(diǎn)，但表面層層底數(shù)值和下面層層底數(shù)值相差較小。說(shuō)明了在層間光滑的條件下，瀝青層非常容易出現(xiàn)疲勞裂縫，尤其是表面層厚度較薄時(shí)拉應(yīng)變數(shù)值會(huì)更大，如果此時(shí)上面層的瀝青飽和度較低時(shí)，即使在很小的交通量下，上面層也可能發(fā)生疲勞破壞。

通過(guò)計(jì)算，自通車至2019年，原路共承受荷載作用100.2萬(wàn)次，而上面層只能承受85.1萬(wàn)次荷載作用，路面出現(xiàn)疲勞破壞。

(3)溫度收縮引起開(kāi)裂

一般來(lái)說(shuō)，溫度收縮只會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫。2019年5月項(xiàng)目組對(duì)該高速公路的裂縫情況作了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得到橫縫間距情況如表2。其中橫縫最密集路段間距只有6m左右，意味著該瀝青混合料只能抵抗6m范圍內(nèi)的溫度收縮應(yīng)力，而半幅瀝青路面寬度為11.25m，故部分路段會(huì)在道路中部產(chǎn)生一道縱向開(kāi)裂，以釋放橫向的溫縮應(yīng)力。作為對(duì)比遼寧省同類地區(qū)路面橫向裂縫間距一般為20～30m，說(shuō)明薄層路面的抗裂縫性能較差。

表2 典型路段橫向裂縫統(tǒng)計(jì)表

3 路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

通過(guò)分析該高速公路瀝青PCI指標(biāo)的變化規(guī)律，應(yīng)用參數(shù)自適應(yīng)方法擬合逐路段的PCI衰減規(guī)律，進(jìn)而得到該高速路面總體PCI指標(biāo)衰減模型。從PCI指標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)可以看出，在通車初期，PCI指標(biāo)逐年平穩(wěn)下降。在2017年至2020年間PCI指標(biāo)的下降速率明顯加快，表明路面的破損狀況已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入加速破壞的階段，預(yù)計(jì)在2020年P(guān)CI指標(biāo)將達(dá)到80分左右，需要及時(shí)進(jìn)行維修。隨著通車年限的增加，破損狀況逐漸加重，如不及時(shí)進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)維修處理，按照目前的預(yù)測(cè)，2025年該高速公路PCI指標(biāo)可降低至40左右。

根據(jù)PCI衰減預(yù)測(cè)模型得到推遲維修將會(huì)增加的維修費(fèi)用，推遲至2021、2022、2023、2024年維修分別需增加1611、3563、6120、9341萬(wàn)元。因此綜合考慮路面性能和經(jīng)濟(jì)情況，在2020年進(jìn)行路面維修是合適的。

4 維修方案

結(jié)合本高速公路現(xiàn)狀病害較多的情況，且路面結(jié)構(gòu)較薄，因此維修的總原則為路面病害處理后進(jìn)行加鋪罩面。由于原路存在嚴(yán)重剝落和大量的裂縫深度在1cm范圍內(nèi)的微裂縫、間斷縱縫，病害處理方案為全斷面銑刨1cm后，再根據(jù)各種病害類型的發(fā)展深度，銑刨至相應(yīng)層位后重鋪瀝青層。全部病害處理完畢后，可采用4cmSMA-13L、4cmAC-13或2cm超薄磨耗層罩面。

SMA混合料具有更優(yōu)異的高溫抗車轍、低溫抗裂以及使用壽命，但是造價(jià)較高，而超薄磨耗層由于厚度較薄，其造價(jià)最低，但是使用性能相對(duì)較差，AC型混合料居中，為評(píng)價(jià)不同罩面材料優(yōu)劣，采用全壽命周期的費(fèi)用性能比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.1 費(fèi)用

結(jié)合遼寧省的歷年經(jīng)驗(yàn)，SMA-13L、AC-13F和超薄磨耗層三種罩面材料的設(shè)計(jì)使用壽命為：15年、10年和5年。三種罩面首次施工均在2020年。為保持路面狀態(tài)，超薄磨耗層罩面需在2025年及2030年再進(jìn)行兩次罩面；其它兩種罩面在2030年實(shí)施一次超薄磨耗層罩面。費(fèi)用計(jì)算時(shí)將工程實(shí)施的拌合站建設(shè)、交通封閉等措施費(fèi)用，以及罩面前所需的原路病害處理費(fèi)用，折合成罩面材料的每平方米費(fèi)用得到造價(jià)時(shí)值，再按年利率6%計(jì)算貸款利息，并按10%進(jìn)行折現(xiàn)，得到三種罩面類型15年內(nèi)總費(fèi)用。

表3 全壽命周期內(nèi)三種不同罩面材料的費(fèi)用(元/m2)

4.2 費(fèi)用性能比

路面使用性能包括高低溫性能、耐久性等多方面，為便于量化，抗裂性能依據(jù)混合料低溫彎曲指標(biāo)、抗滑性能依據(jù)橫向力系數(shù)指標(biāo)、抗車轍性能依據(jù)動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算而得，均以AC-13F為基準(zhǔn)，另外兩種材料的數(shù)值是相對(duì)AC-13F的比值。

考慮到該高速車流量小，對(duì)抗車轍性能等要求不高，只考慮疲勞及抗裂計(jì)算性價(jià)比。三種材料的性價(jià)比排序?yàn)锳C-13>SMA-13>超薄磨耗層。

瀝青路面使用壽命和其厚度是密切相關(guān)的，采用SMA或AC罩面，瀝青層較超薄磨耗層罩面多2cm，路面瀝青層抗疲勞壽命更高。且AC結(jié)構(gòu)施工相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)拌合站、施工人員素質(zhì)、原材料要求均低于另外兩種罩面類型。

根據(jù)上述分析，推薦采用AC-13F進(jìn)行罩面。同時(shí)在配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用細(xì)級(jí)配，高油石比，提高其使用壽命及抗?jié)B水性能。

5 結(jié)論

交通量較小的公路路面分期修建可以緩解建設(shè)期的資金壓力，但是其路面病害的發(fā)展和技術(shù)性能的衰減較同等條件下的典型路面結(jié)構(gòu)明顯更快。以遼寧省某高速公路為例，通過(guò)調(diào)查取芯及計(jì)算分析了其主要病害縱向裂縫是由穩(wěn)定應(yīng)力、路面凍脹、拉應(yīng)變疲勞共同造成的，并通過(guò)PCI指數(shù)的衰減模型分析其適宜的加鋪時(shí)機(jī)，最后通過(guò)全壽命的費(fèi)用性能比指標(biāo)計(jì)算，推薦在2020年加鋪4cmAC13-F。