高速公路瀝青路面半剛性基層結構剩余壽命評價方法研究

林 翔，李 強

(公路養護技術國家工程研究中心，北京 100095)

0 引言

半剛性基層結構是我國高等級公路瀝青路面主要結構形式。目前，公路路面技術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構實際破壞狀況及殘余強度等方面均無法準確表征[1-2〗。故在實際養護設計工程中，設計人員只能通過經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]，容易造成養護設計針對性不強、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構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合的方式，分析其使用性能衰減規律與公路養護周期的相關關系，從而提出一套針對半剛性基層剩余使用壽命的評價方法，用于指導半剛性基層瀝青路面養護設計實踐。

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、粉煤灰等無機結合料穩定類材料作為路面基層的結構形式，其主要承擔了提供路面結構承載能力的作用。路面結構壽命的終結一般都以基層結構完全破壞，喪失承載能力作為標志[4]。故本研究主要通過結構完整性及結構強度衰減程度兩個方面對瀝青路面半剛性基層結構整體使用性能進行綜合評價[5-6]，并預測結構剩余使用壽命。

1.1 半剛性基層結構完整性

借鑒路面結構破損狀況指數(PCI)[7]的定義，本研究采用基層結構破損狀況指數來評價半剛性基層結構的完整性。由于基層結構破壞屬于路面結構隱性病害，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驗判斷相結合的方式進行分析評價。

(1)探地雷達數據計算法：利用探地雷達對路面結構內部缺陷的檢測技術應用越來越廣泛。依靠高精度檢測天線，可以對路面基層結構裂縫、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據識別出路面基層結構破壞位置及影響面積，計算基層結構破損狀況指數BCI。該指標為實際檢測得到，可作為定量評價指標。

BCI=1-100%×(基層結構破損面積/路面面積)，

(1)

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

說明：該方法利用檢測數據直接計算得到，屬于最為精確的計算方法，在具備檢測設備條件下，應優先采用該方式計算基層結構破損率。

(2)路面病害結合鉆芯取樣驗證計算法：瀝青路面病害產生及發展，主要包括兩個方面：病害從上至下發展，主要包括溫縮裂縫、疲勞裂縫等；病害從下向上發展，主要包括基層反射裂縫、結構性裂縫等。養護設計項目中，經常需要對病害位置進行取芯，分析病害產生原因及結構破壞層位。該方法將結合鉆芯取樣數據，間接評價基層結構完整性。根據現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構破壞發展層位及影響面積。通過統計分析得出各類典型病害位置下部半剛性基層發生破壞的概率，進而通過路面病害情況，計算基層結構破損狀況指數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所占該類病害芯樣總數的比例。

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。由于嚴重病害的發生經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，在缺少探地雷達設備的情況下，應優先選用該方法計算基層結構破損狀況指數。

(3)路面病害特征推算法：由于半剛性基層結構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、嚴重龜網裂等。故該方法聚焦于以上幾種路面病害，通過大數據統計分析其病害分布特征與結構結構破壞程度的相關關系，見圖1。發現交通軸載作用次數的不斷增加，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，逐漸發展至結構壽命末期的20 m，且該指標呈現出前期衰變較快，后期逐漸穩定的變化規律。嚴重的縱向裂縫一般都屬于結構性裂縫，主要是由于半剛性基層破壞逐漸反射至面層產生的。根據統計數據分析發現，隨著交通軸載作用次數的不斷增加，縱向裂縫長度逐漸增大，由剛開始出現時長度20 m，發展至結構壽命末期長度大于150 m，且呈現出前期較為穩定、后期加速發展的趨勢。該方法根據以上規律，將病害發展階段與路面結構壽命相結合，提取由于半剛性基層破壞而反射至面層的各類常見病害，構建了一套半剛性基層結構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構破損程度，見表1。

圖1 路面病害特征與結構使用年限關系Fig.1 Relationships between pavement disease characteristics and structural service life

說明：該方法屬于經驗推算法，是通過大量工程經驗及數據統計總結得出的，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據定性分析基層破壞程度。在進行網級路況評價分析中，可也利用該方法對路網中各路線基層結構狀況進行定性評價。

表1 路面病害特征推算法評價半剛性基層結構完整性

1.2 半剛性基層結構強度衰減程度

由于路面基層結構屬于路面結構的主要承重層，對其使用性能的評價還需對其結構承載能力進行分析[10]。本研究采用基層模量衰減度指標來評價半剛性基層結構強度衰減情況。結合目前常用的結構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，分別對應著不同的數據需求及計算精度。路面各結構層模量的測試方法應符合《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)及《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2019)的要求。

(1)現場實測模量法：該方法通過承載板法對既有路面逐層開挖并實測各結構層模量，將其與原始設計模量或新建基層結構模量進行比較，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相同結構的新建路面半剛性基層模量為基層初始模量；當無新建結構基層初始模量數據時，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構彎沉盆數據反算基層結構模量作為當量模量[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、施工作業難度及對現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)彎沉盆特征參數分析法：該方法利用落錘式彎沉儀(FWD)檢測路面彎沉盆數據，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構模量的方式主要是落錘式彎沉儀(FWD)檢測彎沉盆數據，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下模量的比值應該具有相對的穩定性及可信度，可用于后期評價分析。

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

表2 材料試驗數據計算法評價半剛性基層強度衰減程度

說明：該方法針對現場取樣進行實驗室檢測，分析強度衰減情況。但由于室內試驗畢竟無法完全還原路面結構原始的受力狀況，而對于已發生破損的材料無法進行室內加載試驗，故該檢測數據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構強度衰減情況。

(4)路面結構強度指數評價法：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，計算出路面結構強度指數(PSSI)，通過PSSI間接判斷基層模量衰減程度[17]，見表3。

表3 路面結構強度指數評價法評價半剛性基層強度衰減程度

說明：通過PSSI判斷路面整體結構強度是當前公路養護設計路況評價的常規做法，但PSSI指標表征的是路面整體結構強度與原始設計結構強度的衰減情況，不能直接反映基層結構的強度衰減。一般認為半剛性基層結構是路面結構承載能力的主要提供層位，故該方法將表征整體結構強度的指標用于間接反映半剛性基層結構的強度狀況，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 衰變規律分析

2.1 模型形式

鑒于現有的研究基礎和所掌握的數據資源情況，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型模型對路面結構剩余壽命變化規律進行擬合分析。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；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或半剛性基層模量衰減度；a0為模型參數；a1為模型參數。

2.2 確定關鍵控制點

(1)由于該方法計算的指標為結構剩余壽命指數，新建路面結構壽命RCImax可取100，結構壽命終結時RCImin取0。

(2)模型參數a1表征的是結構剩余壽命的衰變速度，通過將實際路面結構使用壽命變化情況與不同參數取值結果進行比較分析，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研及統計分析，統計出不同交通狀況下半剛性基層路面結構大修周期，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構使用壽命相比較，可計算各養護階段結構剩余壽命指數，如表5所示。

表4 不同交通等級高速公路結構使用壽命

表5 不同交通等級高速公路剩余壽命指數

3 建立新指標體系與養護類型關系

根據養護設計工程實踐，并結合我國公路瀝青路面養護設計相關標準規范的規定，提出半剛性基層瀝青路面大修及中修的路況邊界條件，與半剛性基層結構破損狀況指數、半剛性基層結構模量衰減度兩項指標建立相關關系[18]，如表6所示。

表6 半剛性基層結構評價指標與養護類型關系

4 確定分析模型

根據已知的剩余壽命指數RCI值及半剛性基層結構破損狀況指數衰減值或半剛性基層結構模量衰減度A值，可計算出模型參數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a0值，如表7所示，并繪制半剛性基層結構剩余壽命對應關系圖，如圖3、圖4所示。

表7 確定模型參數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構剩余使用價值的評價分析。在分析前，需通過現有專項檢測手段或已有檢測數據，分別確定基層結構完整性及基層結構模量衰減度兩項指標。確定方法如下：

(1)當半剛性基層結構完整性評價僅能獲得定性評價結果，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據時，可采用圖3的方法計算結構剩余壽命指數。

圖3 高速公路基層結構壽命與基層模量衰減度關系模型Fig.3 Model of relationship between structural life and base modulus attenuation of expressway base

圖4 高速公路基層結構壽命與基層破損率關系模型Fig.4 Model of relationship between structural life and base damage rate of expressway base

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

(3)當兩方面評價指標均能獲得定量評價數據時，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，經過典型病害位置鉆芯取樣，發現70%的橫向裂縫位置基層發生破壞，80%的縱向裂縫位置基層發生開裂，100%的坑槽位置基層結構破壞。該路段在2015年開展了中修養護工程。

方法驗證：利用以上檢測數據，可計算出該路段半剛性基層結構破損狀況指數為88，衰減值為12；基層結構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，可認為基層結構基本保持良好，沒有發生大范圍的損壞，可以繼續保持原有的狀態。該結論與2015年采用中修工程，重點處治瀝青面層病害的養護方案是相匹配的。

圖5 應用實例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查，發現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年開展了大修養護工程。

方法驗證：利用以上檢測數據，可計算出該路段半剛性基層結構模量衰減度指數為81，衰減值為19；基層結構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，可認為基層結構整體仍具有一定強度，但局部路段基層結構發生較嚴重破壞，應進行徹底的處治并開展補強處理。該結論與2016年采用大修工程，重點處治整體結構層病害，并加鋪瀝青混凝土補強層的養護方案是相匹配的。

圖6 應用實例2Fig.6 Application example 2

7 結論

本研究通過大量調研及數據統計分析，系統的提出了一套高等級公路瀝青路面半剛性基層結構剩余壽命評價方法，主要研究結論包括以下幾方面：

(1)采用結構完整性及結構模量衰減度兩項指標評價半剛性基層結構使用狀況，同時結合現有路況專項調查手段，提出定量計算結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律的統計分析結果轉化為路面結構壽命衰變規律，并與結構完整性及結構模量衰減度兩項評價指標建立匹配關系，從而實現了對現有路面結構剩余壽命的定量化計算。

(3)經過實際養護設計工程驗證，該方法評價結果與路面結構實際破壞特點較為匹配，可用于指導半剛性基層瀝青路面養護設計實踐。