舊路材料性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)在舊路改及養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)工程中的應(yīng)用

韋洪峰

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006)

0 引言

科學(xué)、合理的路面設(shè)計(jì)需要依托準(zhǔn)確的現(xiàn)有道路路面狀況評(píng)定、病害成因分析和科學(xué)方案決策三個(gè)重要的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。準(zhǔn)確的現(xiàn)有路面技術(shù)狀況評(píng)定需依托道路信息收集和科學(xué)手段檢測(cè)完成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有道路路面的結(jié)構(gòu)情況、交通量情況及在這種交通荷載作用下現(xiàn)有路面的使用狀況等技術(shù)調(diào)查。現(xiàn)有路面使用狀況評(píng)定應(yīng)符合現(xiàn)行養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范的評(píng)定要求，采用科學(xué)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定分級(jí)。病害成因分析需從現(xiàn)有道路結(jié)構(gòu)狀況、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及現(xiàn)有路面材料技術(shù)狀況三個(gè)方面進(jìn)行病害的成因及發(fā)展程度調(diào)查分析。科學(xué)方案決策需結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)，以病害成因分析為依據(jù)，考慮區(qū)域建設(shè)技術(shù)條件，針對(duì)性地選擇路面結(jié)構(gòu)處置方案。

路面舊路材料性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)是科學(xué)分析舊路的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性能評(píng)估、材料技術(shù)狀況和病害成因的有效技術(shù)方法。在路面處置方案制定中，舊路材料評(píng)價(jià)試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目功能需求和建設(shè)目標(biāo)合理選擇，避免統(tǒng)一按照固定標(biāo)準(zhǔn)，定量確定試驗(yàn)內(nèi)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(xiàng)目，沿線無(wú)替代道路，僅可分幅施工，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案制定中，采用舊路路面材料性能分析試驗(yàn)，從材料性能角度對(duì)現(xiàn)有道路結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估、路面材料技術(shù)狀況評(píng)估和病害成因進(jìn)行評(píng)估，科學(xué)準(zhǔn)確地確定了病害損壞原因，并為舊路結(jié)構(gòu)的利用方案提供充足的技術(shù)支持。以該項(xiàng)目部分舊路面性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，論述該項(xiàng)目舊路材料性能評(píng)價(jià)的應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)方法

針對(duì)路面改造及養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)，自2010年起，開(kāi)展路面改造及養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)科學(xué)化評(píng)價(jià)與決策的設(shè)計(jì)方法研究，并成功應(yīng)用在京哈線改造工程、莊林線改造工程等數(shù)十個(gè)省內(nèi)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目中。主要采用三階段設(shè)計(jì)方法。

1.1 檢測(cè)評(píng)價(jià)分析階段

評(píng)價(jià)階段主要完成：根據(jù)地方建設(shè)資料核實(shí)項(xiàng)目養(yǎng)護(hù)歷史和建設(shè)情況；利用探地雷達(dá)和結(jié)構(gòu)鉆芯完成現(xiàn)有道路路面結(jié)構(gòu)的檢測(cè)；交通量調(diào)查主要依據(jù)沿線國(guó)省干線交通量調(diào)查站數(shù)據(jù)，并采用遼寧省在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)路段設(shè)置的移動(dòng)稱(chēng)重設(shè)備推算的遼寧省普通公路標(biāo)準(zhǔn)軸載譜進(jìn)行荷載驗(yàn)算；利用自動(dòng)化檢測(cè)車(chē)檢測(cè)現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有交通量作用下的使用狀況。

評(píng)價(jià)階段主要完成以下幾點(diǎn)：

(1)調(diào)查評(píng)價(jià)現(xiàn)有道路的交通荷載情況。

(2)檢測(cè)評(píng)價(jià)現(xiàn)有道路的路面結(jié)構(gòu)情況。

(3)檢測(cè)評(píng)價(jià)現(xiàn)有路面的使用狀況。

1.2 病害診斷階段

本階段主要從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)評(píng)估、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)、典型病害鉆芯和路基、路面材料試驗(yàn)分析四個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有路面病害發(fā)展情況及損壞原因進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

(1)采用力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行瀝青面層的永久變形和水泥穩(wěn)定碎石基層疲勞壽命結(jié)構(gòu)性能評(píng)估，其中舊路材料結(jié)構(gòu)參數(shù)采用取芯實(shí)測(cè)和彎沉反算兩種方法進(jìn)行計(jì)算。

(2)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)：采用落錘彎沉儀檢測(cè)現(xiàn)有道路的強(qiáng)度，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足現(xiàn)有交通荷載需求，并反演結(jié)構(gòu)模量。

(3)典型病害處鉆芯：通過(guò)病害處鉆芯查看病害發(fā)展情況，并輔助分析病害成因。

(4)路基路面材料分析：通過(guò)舊路材料與性能試驗(yàn)，分析道路材料組成及使用性能，評(píng)價(jià)道路材料與路面損壞的關(guān)系。選舊路材料試驗(yàn)包括土基CBR和含水量，面層材料組分分析、劈裂強(qiáng)度、勁度模量及貫入剪切強(qiáng)度，基層的劈裂強(qiáng)度等力學(xué)試驗(yàn)。同時(shí)取硬路肩與行車(chē)道芯樣進(jìn)行性能對(duì)比，評(píng)估現(xiàn)有路面材料衰變程度，其中貫入剪切試驗(yàn)對(duì)易發(fā)生車(chē)轍路段的材料性能評(píng)估效果顯著。

1.3 提出解決方案階段

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有道路的評(píng)價(jià)和損壞成因的分析結(jié)果，綜合考慮中長(zhǎng)期交通發(fā)展需求及經(jīng)濟(jì)效果，按照道路服務(wù)對(duì)象及服務(wù)預(yù)期確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，制定出具有針對(duì)性的路面處理方案。

2 路面材料試驗(yàn)分析

結(jié)合現(xiàn)有道路車(chē)轍和龜裂病害損壞的特點(diǎn)，本項(xiàng)目舊路材料分析試驗(yàn)主要從路面材料的抗車(chē)轍性能和抗彎拉性能的角度去分析，為設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。試驗(yàn)內(nèi)容主要有瀝青混合料面層劈裂強(qiáng)度、貫入剪切試驗(yàn)和基層劈裂強(qiáng)度。

(1)路基土CBR試驗(yàn)分析

CBR是評(píng)定路基土承載能力的重要參數(shù)之一，表征路基土強(qiáng)度，在國(guó)外常用路基土和路面材料的CBR值直接指導(dǎo)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取土，取土深度均在土路肩地表1.4m，為更好地反應(yīng)路基土的實(shí)際工作狀態(tài)，取土后以實(shí)際含水量進(jìn)行了室內(nèi)CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，一級(jí)公路用于

表1 路基土CBR試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有路基土強(qiáng)度存在差異，含水量偏高。K232+200處路基土的CBR值符合規(guī)范要求，但K248+900處路基土的CBR值顯著降低，已經(jīng)不滿(mǎn)足規(guī)范要求，降低幅度達(dá)到55%。

(2)面層材料級(jí)配分析

對(duì)上面層和下面層分別進(jìn)行了級(jí)配篩分，級(jí)配結(jié)果如圖1、圖2所示。

原設(shè)計(jì)上面層為橡膠瀝青混凝土，級(jí)配應(yīng)為間斷級(jí)配，根據(jù)級(jí)配曲線可以看出，現(xiàn)有上面層級(jí)配曲線均具有連續(xù)、S型的特點(diǎn)，且9.5mm和13.2mm篩孔的通過(guò)率略超出規(guī)范要求值；下面層級(jí)配中9.5～16mm篩孔的通過(guò)率均高于規(guī)范要求值，4.75～9.5mm之間的粗集料約占30%。

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

(3)瀝青面層劈裂強(qiáng)度

采用面層劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)以評(píng)價(jià)面層的疲勞損傷狀況，針對(duì)病害處以及硬路肩與行車(chē)道強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)損傷狀況。

表2 瀝青面層劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，劈裂強(qiáng)度與勁度模量值之間具有良好的線性關(guān)系，左、右幅車(chē)道瀝青面層材料的試驗(yàn)值無(wú)明顯區(qū)別，試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)規(guī)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(chē)道的劈裂強(qiáng)度與勁度模量顯著低于硬路肩的試驗(yàn)結(jié)果，其中K234+500右幅車(chē)道輕度車(chē)轍處為最小值0.42MPa，與硬路肩相比劈裂強(qiáng)度降低約36.3%，與規(guī)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(qiáng)度

采用瀝青混合料貫入剪切試驗(yàn)，用以評(píng)價(jià)瀝青面層材料的抗車(chē)轍性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 瀝青面層貫入剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總表

試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)有路面材料的剪切強(qiáng)度相對(duì)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(qiáng)度(1.0MPa以上)，降低幅度達(dá)50%以上，表明面層自身抗車(chē)轍能力不足，與級(jí)配分析結(jié)果一致。

(5)基層強(qiáng)度分析

本次試驗(yàn)基層強(qiáng)度以劈裂強(qiáng)度為主，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基層結(jié)構(gòu)材料的整體劈裂強(qiáng)度介于0.5～0.7MPa之間，具有一定的強(qiáng)度，但與硬路肩的強(qiáng)度(1.8MPa)相比，強(qiáng)度降低約50%以上，強(qiáng)度衰減現(xiàn)象明顯，根據(jù)已有研究結(jié)果，基層材料所承受的強(qiáng)度若達(dá)到極限值后，強(qiáng)度衰減將迅速發(fā)展，易造成路面結(jié)構(gòu)性破壞。

表4 基層材料試驗(yàn)結(jié)果匯總表

3 路面損壞原因

通過(guò)舊路材料性能試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果對(duì)材料性能損傷程度進(jìn)行了清晰判斷，針對(duì)病害成因形成以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)本項(xiàng)目交通量較大，左幅工程運(yùn)輸車(chē)輛多為超載車(chē)輛，右幅多為空載運(yùn)輸車(chē)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(xiàn)有結(jié)構(gòu)的差異是車(chē)轍及結(jié)構(gòu)疲勞損壞等路面病害的主要原因，基于5年使用預(yù)期，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基層疲勞已超過(guò)結(jié)構(gòu)承載能力。

(2)現(xiàn)有道路路基土多為粉質(zhì)粘土，全線路基土存在強(qiáng)度差異，特別是甜水鎮(zhèn)段土基強(qiáng)度僅為規(guī)范下限的1/3。結(jié)合道路左側(cè)為溝渠，沿線地下水位較高，路基受含水量影響明顯，強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，路基承載力不足。7～10月份豐水季節(jié)與重載車(chē)輛運(yùn)輸高峰期相吻合，造成道路土基最弱時(shí)，道路承載需求最大，易形成整體性的結(jié)構(gòu)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(wèn)題，也是面層的龜裂等疲勞損壞及車(chē)轍病害較早發(fā)生原因之一，與一般瀝青混合料相比，硬路肩面層劈裂強(qiáng)度為一般值的下限0.8MPa，表征抗變形能力的貫入剪切強(qiáng)度低于一般值50%以上。面層材料的級(jí)配不佳，集料偏細(xì)是造成面層性能問(wèn)題的原因之一。因面層空隙中含泥等雜質(zhì)較多，未能進(jìn)行舊路瀝青性能評(píng)定。

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

(5)面層結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度較差，級(jí)配偏細(xì)，不能滿(mǎn)足一般瀝青混合料的貫入強(qiáng)度要求，在重載交通荷載作用下，面層的車(chē)轍病害出現(xiàn)是必然結(jié)果。目前車(chē)轍主要發(fā)生在表面層，僅重度車(chē)轍病害下面層發(fā)生輕微變形，因此改造設(shè)計(jì)中更應(yīng)注重表面層的抗變形能力要求。部分車(chē)轍與裂縫病害伴生，車(chē)轍部位的裂縫病害大部分由表面層向下發(fā)展，下面層及基層已存在不同程度的裂紋，如不及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，將會(huì)進(jìn)一步造成結(jié)構(gòu)性破壞。

(6)行車(chē)道基層材料強(qiáng)度衰減現(xiàn)象明顯，根據(jù)累計(jì)軸次驗(yàn)算結(jié)果，現(xiàn)有交通量荷載作用下，大部分路段的累計(jì)當(dāng)量軸載作用已接近或超過(guò)基層疲勞壽命值，現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足遠(yuǎn)期服務(wù)目標(biāo)的交通荷載需求，基層已達(dá)到疲勞損壞的初期，部分路段因整體道路強(qiáng)度問(wèn)題已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞。

(7)現(xiàn)有基層基本完整，尚未呈現(xiàn)明顯松散狀態(tài)，具有一定的殘余路用性能，如何延長(zhǎng)現(xiàn)有基層壽命，利用其性能價(jià)值，需在設(shè)計(jì)方案中予以考慮。

4 對(duì)設(shè)計(jì)方案的支撐

(1)舊路結(jié)構(gòu)的利用

根據(jù)舊路基層劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，左右行車(chē)道劈裂強(qiáng)度為0.6～0.8MPa，與規(guī)范設(shè)計(jì)值0.4～0.6MPa相比，強(qiáng)度高出33.3%～50%，基層具有一定相對(duì)較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。面層劈裂強(qiáng)度，右幅輕載路幅強(qiáng)度損失較小，在0.8～1.1MPa之間，具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，右幅重載路幅面層強(qiáng)度損失60%。

受臨近無(wú)替代道路影響，施工僅可采用半幅封閉、半幅施工，根據(jù)軸載換算，施工一年期間，本路段通行車(chē)輛集中單側(cè)路幅每車(chē)道累計(jì)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(dān)單側(cè)集中荷載后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然具有較高的剩余壽命，而左幅單側(cè)通行后，結(jié)構(gòu)損壞加劇，剩余壽命不滿(mǎn)足改造后重載交通通行，因此建設(shè)工序選擇先封閉右幅，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)改造，待左幅改造后進(jìn)行右幅施工。根據(jù)后續(xù)施工期間觀測(cè)，右幅施工期間除局部小面積坑槽外，面層與基層均表現(xiàn)良好，未形成大面積的損壞，與試驗(yàn)和計(jì)算分析結(jié)果一致。

(2)補(bǔ)強(qiáng)與挖換方案的選擇

道路呈現(xiàn)左幅重載車(chē)轍及龜裂損壞，右幅狀況良好，具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，兩種設(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案。

根據(jù)土基CBR試驗(yàn)，路基含水量與路面損害路段形成較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別甜水鎮(zhèn)段，路基含水量36%，CBR值2.71%，路基為松軟狀態(tài)，需進(jìn)行大量的換填處理，換填工程在工程實(shí)施及造價(jià)上均有重大的建設(shè)影響。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有左幅基層雖然疲勞壽命降低，但作為下基層應(yīng)用，降低受力層位，滿(mǎn)足建設(shè)預(yù)期壽命要求，因此，經(jīng)過(guò)造價(jià)和技術(shù)分析，選擇第二方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前運(yùn)行五年，整體路況運(yùn)行良好。

(3)對(duì)材料的選擇

根據(jù)面層材料的劈裂強(qiáng)度和貫入強(qiáng)度試驗(yàn)，現(xiàn)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(qiáng)度降低幅度較低，設(shè)計(jì)方案面層材料選擇上應(yīng)分幅合理，左幅重載側(cè)側(cè)重提升整體面層的抗變形能力，右幅一般建設(shè)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足其交通荷載需求，因此，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)標(biāo)高銜接，全幅加鋪再生柔性基層的設(shè)計(jì)方案。

5 總結(jié)

舊路路面性能試驗(yàn)分析在路面改造及養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)中是必要和重要的環(huán)節(jié)，對(duì)舊路狀況科學(xué)化診斷和設(shè)計(jì)方案科學(xué)決策具有重要作用，對(duì)于舊路路面性能試驗(yàn)分析應(yīng)用提出幾點(diǎn)建議如下：

(1)舊路材料性能試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)需求目標(biāo)和自身狀況特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的選擇，避免按照道路等級(jí)等統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)固化選擇，做到科學(xué)化、針對(duì)性技術(shù)分析。

(2)應(yīng)重視材料自身性能與路面損壞的對(duì)應(yīng)關(guān)系，做到外部因素和自身性能結(jié)合進(jìn)行病害原因分析，有利于針對(duì)性選擇設(shè)計(jì)方案，減少過(guò)度過(guò)高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

(3)一般等級(jí)公路硬路肩較少有車(chē)輛運(yùn)行，可用于評(píng)價(jià)建設(shè)初期材料性能及行車(chē)道材料性能衰減狀況對(duì)比。

(4)舊路面性能試驗(yàn)技術(shù)分析應(yīng)與鉆芯、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、病害檢測(cè)等其他科學(xué)化檢測(cè)診斷手段相結(jié)合，提出合理的針對(duì)性技術(shù)分析。