省道肥梁線瀝青路面病害調查分析研究

王繁興，姜世波，魯圣弟，盛明乾，余四新

（1.泰安市公路局 工程一處，山東 泰安 271000；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥230026；3.高速公路養護技術交通行業重點實驗室（濟南），山東濟南 250031）

省道肥梁線瀝青路面病害調查分析研究

王繁興1，姜世波1，魯圣弟2，盛明乾1，余四新3

（1.泰安市公路局 工程一處，山東 泰安 271000；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥230026；3.高速公路養護技術交通行業重點實驗室（濟南），山東濟南 250031）

路面病害調查及其產生的原因分析研究是路面養護維修方案制定的依據。在項目級路面結構維修方案制定時，為了充分利用原有完好路面結構，同時對路面病害進行根治，延長路面結構壽命，節約路面養護維修費用，需要對原路面結構病害進行詳細調查，對其產生的原因進行深入分析。文章采用路面行駛狀態、FWD彎沉等快速無損檢測方法，結合現場鉆芯及探坑等有損檢測方法對 S250省道肥梁線瀝青路面病害進行了診斷，并從路面結構適應性、交通調查、路面施工質量及材料設計三個方面對路面病害產生的原因進行了分析研究。結果表明：省道費梁線兩個斷面15年累計當量標準軸次分別達到了重載交通和特重交通的水平；全線路面結構彎沉代表值50.01（0.01 mm），大于半剛性半剛性基層瀝青路面彎沉值不超過15.00（0.01 mm）的標準；省道肥梁線路面結構層間不連續，整體性較差。

瀝青路面；病害調查；無損檢測

0 引言

我國早期修建的公路，由于國產瀝青產量低、質量差，同時，受社會經濟條件的限制，“強基、薄面、穩土基”的理念成為了當時公路建設的指導思想，對我國公路建設事業的發展起到了積極的推動作用［1］。半剛性基層具有整體性好、剛度大、力學強度高等特點，而被設計為主要的承重層。同時，半剛性材料底基層用作路面結構的輔助承重層［2－3］。國內傳統半剛性基層瀝青路面的病害調查報告表明，路面早期病害主要有水損害、開裂、車轍3類［4－5］。目前，造成瀝青路面早期損壞的原因眾多，落后的施工和設備水平、日趨嚴重的超載現象，部分地區極端氣候條件都會單獨或者耦合作用，對瀝青路面造成不良影響，逐漸形成早期損害［6－8］。

根據泰安市公路局工程建設檔案，S250肥梁線是山東省中部一條重要南北通道，在泰安境穿越肥城、東平兩個縣市。路線起于肥城老城以北與 S104相交，向西與 S329相交，路線全長 77.739 km。道路主線于2003～2004年建設，路面結構組合為6 cm細粒式瀝青混凝土 ＋16 cm水泥穩定碎石基層＋16 cm水泥穩定砂礫底基層 ＋12 cm水泥穩定砂礫墊層。路線所經區域重載、超載現象比較普遍，建成通車不久，即出現大量早期病害。隨著運營時間的延長，路面早期病害迅速發展，出現了大面積的縱橫向裂縫、坑槽等病害，嚴重降低了道路的行駛性能和安全性。2010年對全線進行中修罩面，主要對原路面病害進行挖補，然后加鋪3或2.5 cm細粒式瀝青混凝土AC－10瀝青混凝土薄層罩面，但未能有效延緩路面結構疲勞開裂、裂縫等病害的發展。在車輛荷載和環境等因素綜合作用下，路面病害持續發展。采用FWD彎沉檢測等快速無損檢測方法，結合現場鉆芯及探坑等有損檢測方法對 S250省道肥梁線瀝青路面病害進行了診斷，并從路面結構適應性、交通調查、路基承載力、路面施工質量四個方面對路面病害產生的原因進行了分析研究。該調查分析結果為路面養護維修方案的制定提供了詳實的依據。

1 路面病害調查

1.1 路面病害調查方案

路面病害調查采用快速無損檢測與局部路段有損檢測相結合的方案，以提高病害調查效率和準確性。首先進行路面病害快速無損檢測，具體包括路面行駛狀態（如路面破損狀態、平整度）和路面結構承載力檢測。路面結構承載力采用落錘式彎沉儀（FWD）進行路面彎沉快速無損檢測。所有檢測方法均根據路基路面現場測試規程［9］的要求進行。半剛性基層瀝青路面，彎沉的大小和均勻程度能反映基層結構的破壞程度。通常情況下半剛性基層瀝青路面彎沉的變異不超過 35%，彎沉平均值不超過15（0.01 mm）。如果彎沉變異系數和彎沉平均值超過上述數據，需要考慮結構的損傷問題，養護設計進行 結構 補 強是 必 要的［10－12］。

為進一步確認結構層病害位置及破損程度，采用了鉆芯與開挖探坑的方式進行路面病害有損檢測。在全線不同典型病害位置鉆芯取樣，共計24處。

1.2 省道肥梁線路面結果

全線路面破損率匯總見表 1，“中”及以下路面破損面積超過50%。平整度匯總表見表2，其中“優”占71.2%。由于破損率及平整度指標僅反映路面表觀功能狀態，路面深層病害情況，需要通過進一步的勘察和驗證。

表1 路面破損率匯總表

表2 平整度匯總表

全線彎沉值平均值25（0.01 mm）、標準差15.26（0.01 mm）、變異系數61.02，和代表值50.01 （0.01 mm）。彎沉值主要分布在15～30（0.01 mm）范圍，占40%；彎沉值大于 30（0.01 mm），接近30%，如圖1（a）所示。根據路面彎沉值進行土基模量反算以判斷土基的承載力大小，不同樁號土基反算模量如圖1（b）所示。從反算結果看，土基模量平均值較小，僅為68 MPa，而且變化范圍較大。工程實踐表明，對于重載交通的半剛性基層瀝青路面，應將土基 FWD反算模量控制在 80 MPa，才能保證路面結構的整體性能。由上述彎沉檢測結果和土基模量反算結果可知，路面彎沉值大、變異系數大，彎沉值大于設計彎沉所占比例很大，土基反算模量較小且變化范圍較大，表明路面結構損壞比較嚴重，重載交通下路面結構不能適應現有的土基條件，導致各種結構性損壞的產生，為恢復路面結構性能，大多數路段需要采取挖除重建或補強措施。

路面不同病害類型處典型芯樣如圖2所示。全線芯樣破損特點表現在以下幾個方面：

（1）路面縱橫裂縫交匯嚴重處有縱裂、橫裂、塊裂等病害發展，裂縫貫穿上下基層，基層和底基層均已碎裂成塊狀（如圖2（c）所示）；

（2）輕度縱橫裂縫位置，裂縫貫穿上基層，下基層狀況良好（如圖2（b）所示）；

（3）個別面層完好路段及自頂向下開裂路段，基層底基層狀況良好（如圖2（a）所示）；

（4）無論是病害處還是完好路段，路面結構層間聯結差，上下基層分離，基層與面層分離。

圖1 路面彎沉分布頻率圖

圖2 路面典型病害處芯樣圖

為了進一步確認深層病害的位置及范圍，在縱裂比較嚴重的路段開挖探坑，探坑挖取位置在右幅行車道，樁號為 K30＋220，探坑位置存在重度縱向裂縫，存在橫裂及伴生不規則裂縫，如圖3所示。根據探坑觀測結果，探坑位置處面層存在橫縱縫以及網裂，開挖后面層碎裂成塊且上、下面層已經分離或極易分離，上、下面層之間已經通過裂縫滲入水分和雜質。開挖至基層后，上基層表面裂縫與面層裂縫位置與走向基本一致，并且上、下基層出現不同程度的碎裂，其中下基層脫料較嚴重，上基層與下基層的層間連接狀況亦較差，下基層底部有一層厚度1 cm的封層，封層狀況良好，封層下為壓實的碎石層。

2 省道肥梁線路面病害原因分析

2.1 路面結構適應性

S250肥梁線路面結構組成型式是山東省早期設計修建的二級公路路面典型結構類型，見表 3。由于當時對路面結構設計理念及重載超載認識上的不足，早期修建的二級公路瀝青路面結構厚度總體比較薄，一般瀝青面層為 5～6.5 cm，基層僅一層，厚度一般為15～18 cm。由于當時設計大都按公路等級進行路面結構厚度設計，采用標準車進行當量軸次計算，低估了重載交通的作用，部分交通量和荷載較重的二級公路使用不久就出現大量疲勞破壞，S250主要表現為路面出現的縱向裂縫、橫向反射裂縫及網裂。

圖3 開挖探坑檢測圖

表3 山東省早期修建的二級公路路面結構

2.2 交通荷載

S250肥梁線是山東省中部一條重要南北通道，沿線鄉鎮人口密集，石料及礦產資源豐富，分布著眾多料場、煤礦、水泥廠等，交通量大，超載嚴重。車輛類型劃分采用我國即將頒布的新版瀝青路面設計規范車輛類型分類方法［13］。該方法的特點是通過代號描述軸型和軸數，并通過軸型和軸數代號的組合描述車輛類型。由于本次調查是針對路面結構損壞和設計計算所進行的交通量調查，因此僅對對路面結構計算影響較大的大中型客貨車進行分析，而小型車輛因對路面損壞較小，不納入統計和分析范圍。選擇東平公路局王臺公路站斷面進行交通調查，調查時間為8∶00至18∶00，期間通行貨車1696輛，因本項目主線無計重收費系統，參考區域內高速公路同類車型軸載譜計算當量軸次［14－15］。

為了直觀起見，將每輛車的軸載譜轉換為當量標準軸次，各種類型的貨車所占比例以及單輛車最大當量軸次和平均當量標準軸次見表4。根據表中每輛車平均當量軸次和在本項目調查到的不同車輛類型組成數量，計算觀測斷面累計當量軸次。東平公路局王臺公路站兩個斷面15年累計當量標準軸次（車道系數取0.7）分別達到2.06×107和3.17× 107，達到了重載交通和特重交通的水平。

表4 東平公路局王臺公路站貨車構成比例及不同車型當量軸次

由上述分析可知，雖然本項目為二級路，但重載車輛比例大，實際交通等級到達了重載交通和特重交通水平。路面結構采用早期普通二級公路典型結構顯然難以承受實際交通荷載作用，路面結構發生早期破壞也是必然的。因此，為了保證本項目路面改造工程設計壽命，應基于實際交通荷載進行路面結構設計。

2.3 路面施工質量

路面損壞除了結構設計不能適應實際重載交通外，路面施工質量不良也是主要原因。其中，結構層間分離和半剛性基層開裂是較為普遍的現象。路面結構設計是建立在彈性層狀連續體系理論基礎上的，層間聯結不緊密，造成設計預期的應力狀態發生變化，加速了結構整體承載力的喪失。而且，層間不連續，還為結構層間水提供了駐留的空間，造成沖涮、破碎等結構性的水損壞，圖4為層間聯結不良導致結構性水損壞。傳統施工方法，底基層和基層需要分層碾壓施工和養生。而分層施工帶來一系列問題，不僅易造成層間污染、影響施工進度，而且使基層結構由一層整體受力變成兩薄層受力，增加了層間結合薄弱環節，違背了其路面結構設計的初衷。而且分層施工形成的層間分離狀態，為層間水的存在提供了空間，一旦基層開裂后，水將滲入結構層間，為結構性的水損壞埋下禍根。

圖4 層間聯結不良導致結構性水損壞圖

2.4 路面材料設計

半剛性基層自身的溫縮和干縮開裂是引起反射裂縫產生的主要原因，而重載交通和水的作用則加速了開裂和結構破壞的進程。半剛性基層材料級配和強度指標不合理是導致半剛性基層自身破壞的主要原因。懸浮型級配結構由于細集料較多，粗集料沒有形成嵌擠狀態，更容易出現干縮和溫縮裂縫。現行瀝青路面設計規范推薦的嵌擠型級配，由于4.75篩孔通過率較低，粗集料料占比重過大，混合料容易離析，并且有“爛根”（粗集料集中在結構層底部，細料集中在結構層上部）現象，導致結構層底部松散，層間連接不良。

水泥穩定碎石強度也是影響半剛性基層反射裂縫的重要因素之一，對目前常用的半剛性基層出現的質量通病要進行認真反思和總結，特別要高度重視防止半剛性基層反射裂縫的措施。嚴格控制半剛性基層及底基層的強度高限和低限，避免一味提高半剛性基層的強度，嚴格控制半剛性基層瀝青路面反射裂縫的發展。根據近幾年國內對半剛性基層的研究，水穩基層7 d浸水無側限抗壓強度不小于3.0 MPa，同時設置高限，即7 d浸水無側限抗壓強度不得高于5 MPa，對水泥用量也進行限制，施工時最高不超過5.0%。

3 結論

我國早期修建的半剛性基層瀝青路面普遍產生了裂縫及水損壞等病害，路面病害調查及其產生的原因分析研究是路面養護維修方案制定的依據。文章采用FWD彎沉檢測等快速無損檢測方法，結合現場鉆芯及探坑等有損檢測方法對S250省道肥梁線瀝青路面病害進行了診斷，并從路面結構適應性、交通調查、路面施工質量及材料設計三個方面對路面病害產生的原因進行了分析研究。結果表明：

（1）東平公路局王臺公路站兩個斷面15年累計當量標準軸次（車道系數取0.7）分別達到2.06×107和3.17×107，達到了重載交通和特重交通的水平，按照二級路設計的路面結構與實際重載交通不相符，設計路面結構層厚度偏薄。

（2）路面結構彎沉值過大，全線路面結構整體彎沉平均值25（0.01 mm），標準差15.26（0.01 mm），變異系數61.02，代表值50.01（0.01 mm）。

（3）路面結構層間不連續，整體性較差，是導致路面病害產生的主要原因。

（4）在下一步路面養護維修方案設計中，應針對路面層間處理、路面結構厚度與交通量的匹配進行專項設計。

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Pavement distress survey and reason analysis of Fei-liang provincial road

Wang Fanxing1，Jiang Shibo1，Lu Shengdi2，et al.
（1.First Engineering Department of Highway Management Bureau of Tai’an，Tai’an 271000；2.Anhui Transportation Holding Group Co.，Ltd.，Hefei 230026，China）

Pavement distress survey and reason analysis can be the reference for maintenance design.It is necessary to diagnose the pavement distress in order to utilize the existing pavement in projectlevel maintenance design to extend the service life of the pavement.Non-destructive testing like running performance and FWD combined with destructive testing like coring and excavating method are applied to detect the pavement distress.The reason for the distress is analyzed and researched from four aspects of pavement structure adaptation，traffic survey，subgrade capacity and construction quality.The results imply that accumulated equivalent standard axle of 15 years of two sections of Feiliang provincial road reached heavy traffic and extra traffic level respectively.Typical value of the deflection of pavement structure on the whole line is 50.01（0.01 mm）0.5001 mm，which is much larger than the standard of 0.15 mm of pavement with semi-rigid pavement weak interlayer bound condition.The pavement structure of Fei-liang provincial road is not continuous and its integrity is poor.

asphalt pavementdisease investigation；nondestructive testing

U416.217

A

1673－7644（2016）05－0477－06

2016－08－29

王繁興（1963－），男，高級工程師，學士，主要從事道路施工與材料方面的研究.E-mail：gcycgck＠163.com