浙北地區農村公路路面病害及養護標準研究

陳 炎，張倩倩

(蘇交科集團股份有限公司，南京 211112)

農村公路是我國公路網的重要組成部分，其規模大、覆蓋面廣。農村公路路面等級不高，路面使用性能逐年下降，容易出現路面坑槽、龜裂等病害[1]。當前農村公路已進入“建養并重”時期，農村公路路面面臨的養護改造壓力越來越大。

自20世紀60年代起，美國開始研究科學的路面養護決策，多采用路況數據與工程經驗判斷相結合的方法。20世紀70年代后期，很多國家針對路面養護開發專門的管理系統，以提高公路養護管理效率，如路面管理系統、公路養護和評價系統等[2-3]。在我國，公路路面維修養護決策主要依據養護技術規范，且絕大部分的研究成果是關于高速公路和國省干線公路，針對農村公路路面的研究相對較少。對于農村公路而言，臨時性養護方法最為常用，尚未開展科學的維修養護標準研究。

本文針對浙北地區農村公路路面維修養護進行全面研究，在有限的資金條件下，開展路面運行狀況調研和使用性能評價，進行農村公路舊路面維修養護決策研究，以期解決上述矛盾和困難，全面提升農村公路路面性能。

1 農村公路路面運營狀況研究

1.1 農村公路路面調查與分析

浙北地區屬于亞熱帶季風氣候，降雨充沛，瀝青路面應該具備優異的抗水損壞性能和低溫抗裂性能，以減少路面產生水損壞、溫度裂縫等病害。

通過調研可知，四級公路是浙北地區等級公路中的主體部分，由于浙北地區經濟水平和交通建設水平較高，部分農村公路可以達到二級以上的技術水平。該地區典型路面結構形式主要為3 cm AC-13C和5 cm AC-13C，多數路段瀝青面層采用3 cm AC-13C+5 cm AC-20C雙面層結構，部分重載交通路段瀝青面層采用4 cm AC-13C+6 cm AC-20C。浙北地區典型瀝青路面結構形式如表1所示。

表1 浙北地區典型瀝青路面結構形式

近年來，浙北地區(調查路段)的超載車比例超過20%，且呈現逐年增加的趨勢，這對浙北地區農村公路的通行能力和服務水平提出了更高要求。

1.2 路面使用性能狀況分析

瀝青路面使用性能評價包括路面損壞、路面車轍、路面平整度、抗滑性能和結構強度(PSSI)5項技術指標[4]。對于農村公路，車轍損壞是計入路面破損率(DR)指標中的，路面結構強度需要單獨計算和評定，評定范圍根據路面養護改造需求、路基地質條件等靈活調整[5]。

在調查統計的浙北地區農村公路中，瀝青路面使用性能總體狀況普遍較差。路面損壞、路面平整度和結構強度均較差，這不僅會影響公路通行能力和行駛質量，還會對浙北地區農村公路路網的服務質量產生不利影響。

結合現場調查結果顯示，浙北地區農村公路瀝青路面整體狀況較差，路面病害中龜裂、重度松散較為普遍。基層集料整體性較差，取芯過程中發生松散破碎，芯樣不能完整取出，與結構強度較差基本符合。

2 農村公路路面維修養護標準研究

2.1 路用性能評價

通過統計分析浙北地區農村公路瀝青路面調查數據，從路面損壞、路面平整度、結構強度和抗滑性能等技術指標進行評價。

2.1.1 路面損壞

路面損壞統計如表2所示。

表2 路面損壞統計 (%)

由表2可知，浙北地區農村公路瀝青路面狀況較差，龜裂面積占比較高，松散和塊狀裂縫次之。

由此可知，在當地需要進行養護改造的瀝青路面中，龜裂、松散和塊狀裂縫是主要病害，也是路面維修養護技術方案制定的主要參考指標。龜裂和塊狀裂縫的形成機理較為相似，可按照網裂形態統一分析。

2.1.2 路面平整度

路面平整度指標是評價瀝青路面路用性能的重要指標，對現場調研得到的IRI(國際平整度指數)進行統計分析，路面平整度統計如表3所示。

表3 路面平整度統計

由表3可知，浙北地區農村公路瀝青路面平整度狀況較差，IRI>6.2 m/km的路段占總調查路段的98%。原路面存在大量的裂縫類病害，再加上大量的修補，路面行駛質量較差。因此，路面平整度也是路面維修養護時應重點考慮的指標。

2.1.3 結構強度

為全面了解浙北地區農村公路的結構強度，以單點彎沉值表征結構強度，結構強度統計如表4所示。

表4 結構強度統計

由表4可知，浙北地區農村公路瀝青路面彎沉值較大，結構強度較差。結合浙北地區農村公路瀝青路面現場調查結果，取芯情況顯示的基層集料整體性較差，與結構強度較差的結論相符。

2.1.4 抗滑性能

浙北地區農村公路瀝青路面抗滑性能評價為中，單點SFC(橫向力系數)值為[33.5，40)的段落占調查路段的100%，相比路面破損、路面平整度和結構強度，抗滑性能相對較好。

已有研究結果顯示，極少路段采用抗滑性能作為養護改造決策的主要指標[6]。因此，推薦浙北地區農村公路路面改造關鍵指標主要選擇路面損壞、路面平整度和結構強度。

2.2 路面養護關鍵指標研究

針對已經實施過養護改造的農村公路路面，通過收集整理路段基礎數據，采用數理統計方法對其進行分析，分析維修養護時可采用的標準與閾值。

2.2.1 面層狀況評價指標

為使評價結果更加準確地反映路面的實際使用品質，合理制定路面維修養護方案，結合浙北地區路面實際狀況，對現有指標進行補充完善，建立適合浙北地區農路公路瀝青路面的評價體系。

由于浙北地區農村公路中一級公路占比較少，絕大部分農村公路屬于二級及二級以下公路，這與《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)中的標準分類情況一致。因此，本文研究的所有路段及其標準的對象均為二級及二級以下公路。

1)路面損壞評定

浙北地區農村公路路面損壞相關的維修養護指標主要是路面網裂(龜裂、塊狀裂縫)和松散，評價指標分別為網裂率(龜裂、塊狀裂縫)和松散面積比，計算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Pw為網裂率，%；Ps為松散率，%；AM為網裂病害折算面積，其為病害面積與權重系數的乘積，m2；AS為松散病害折算面積，其為病害面積與權重系數的乘積，m2；A為調查路面總面積，m2；n為某種路面病害的嚴重程度。

采用保證率系數確定路面性能狀況各指標的養護技術標準，對實施過養護改造利用的農村公路瀝青路面病害數據進行梳理和統計，得出處治標準和閾值，計算公式為

(5)

選擇農村公路瀝青路面中以路面網裂(龜裂、塊狀裂縫)為主要評價指標的路段，統計采用中修措施(面層銑刨重鋪、面層再生、罩面)路段對應的網裂率Pw，采取保證率系數，確定采用中修措施路段的網裂率界限為Pw≥13%。

選擇農村公路瀝青路面中以松散為主要評價指標的路段，統計采用中修措施(面層銑刨重鋪、面層再生、罩面)路段對應的松散率，采取保證率系數，確定采用中修措施路段的松散率界限為Ps≥8%。

研究結果表明，網裂類和松散類是對路面性能影響較大的病害類型，現場調查顯示，這兩類病害易發生在同一路段。建立這兩類病害的復合評價模型，以PDI表示路面損壞復合評價指標，即病害指數，PDI指標擬合數據如表5所示。

表5 PDI指標擬合數據

由表5可知，通過對擬合公式標準方差進行比較，確定擬合精度較高公式。計算公式見式(6)。

(6)

(R2=0.975)

式中，PDI為病害復合評價指標。

2)路面平整度評定

影響路面行駛質量的主要因素是路面平整度。當平整度降至某一限值時，路面行駛質量不能滿足行車對路面的基本功能要求，需要采取改建或重建措施改善平整度，以恢復路面性能[7]。統計采用中修措施路段對應的路面平整度，計算得出農村公路路段中采用中修措施路段所對應的瀝青路面RQI(路面行駛質量指數)指標要求為RQI≤74。

2.2.2 路面結構狀況評價指標

浙北地區農村公路路面結構絕大部分為半剛性基層瀝青路面(二灰穩定碎石基層、水泥穩定碎石基層)，路面基層狀況評定綜合考慮剛度和強度兩個方面，剛度主要由路面彎沉指標表征，強度主要由基層結構的彎拉強度指標表征。

1)剛度評定

結合《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)，選擇SSI(路面結構強度系數)作為瀝青路面結構狀況評價指標。針對采用大修措施(基層銑刨重鋪與基層再生)路段情況，統計分析各路段通過彎沉得到的SSI值，計算保證率系數，確定采用大修措施路段SSI指標要求為SSI≤0.68。

2)強度評定

對于基層而言，彎拉強度是決定在此應力狀態下路面結構是否會產生彎拉破壞的重要參數，可作為輔助指標，對路面承載能力進行決策，強度標準參考《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034—2018)。

2.3 農村公路路面維修養護關鍵指標

針對浙北地區農村公路路面運營狀況，綜合多項改造關鍵指標，研究指標之間的關聯性，建立農村公路路面結構改造利用決策體系。

2.3.1 決策依據

在進行改造利用決策過程中，根據決策目標要求，確定決策指標，制定各種不同路面狀況所對應的改造利用措施，為改造利用決策提供依據。

1)決策指標的分級排序

依據《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)和《公路養護技術規范》(JTG H10—2009)，從理論養護改造需求的角度考慮，在浙北地區農村公路維修養護決策體系中，瀝青路面性能指標決策優先等級可依次排序為：路面結構強度(彎沉數據)、路面損壞、路面平整度。路面結構和材料性能指標，可在各決策指標中進行輔助判斷，不列入決策樹的主要分支。

2)決策條件

決策條件是決策樹構建的另一個重要因素，通過決策條件決定決策樹分支的走向，從而進入下一級決策[8-9]。

2.3.2 維修養護決策體系

在路面改造過程中，需要根據關鍵指標確定舊路面性能，進而確定路面基層和面層養護措施，建立農村公路瀝青路面維修養護決策體系，如圖1所示。

圖1 農村公路瀝青路面維修養護決策體系

3 工程應用及效益評估

依托浙北地區農村公路改造實體工程，開展農村公路路面維修養護決策體系工程應用與評價，對現場維修狀況進行評估。

3.1 路面使用狀況調查

通過對整個路段進行現場調查可知，該路段路面損壞狀況普遍較嚴重，塊狀裂縫和龜裂是主要病害，大量小型坑槽主要出現在重度龜裂處，局部路段產生沉陷，整個路段路面損壞狀況評定等級為差。

該路段總體彎沉狀況評價為中。根據瀝青路面改造利用決策體系要求，SSI值不符合要求，需要對基層芯樣的抗壓強度進行判斷。

取芯結果顯示，路面病害以龜裂、松散居多，病害處基層集料整體性較差，病害已貫通基層，部分基層芯樣在取芯過程中即發生破碎，可知其基層強度較差，不滿足決策體系中對強度的指標要求。

3.2 路面維修養護

通過對浙北地區農村公路路面維修養護決策體系進行決策，得到該路段的維修養護方案為：基層應進行銑刨(大修)。綜合考慮養護、造價和路面材料回收利用情況，確定路面維修方案為：對瀝青面層全部(部分)銑刨后，進行全深式水泥穩定碎石就地冷再生基層施工，然后統一回鋪3 cm AC-13C上面層+5 cm AC-20C下面層，瀝青上面層和下面層間設瀝青黏層，瀝青面層與水泥穩定碎石基層間設瀝青封層。

從現場改造情況來看，浙北地區農村公路路面維修養護標準作為農村公路維修養護的決策工具，在路面性能指標和標準方面的決策是有效的，可以高效、精準指導當地乃至全國各地區農村公路路面大中修養護工作，全面提升農村公路路面性能。

3.3 效益評估

針對路面改造利用過程，對經濟效益和節能環保效益等進行評估。

3.3.1 經濟效益

對進場后的銑刨料生產前的處理成本進行核算，水泥冷再生瀝青混合料中舊料與新料質量比為70∶30，水泥摻量2%。相較于低劑量水泥穩定碎石基層，本項目水泥冷再生瀝青混合料節省成本約105.55萬元，節約成本約59%。

3.3.2 節能環保效益

由能耗計算結果可知，對于整個工程，水泥冷再生瀝青混合料替代水泥穩定碎石瀝青混合料所節約的總能耗為0.2×106MJ，相當于少燃燒7.3 t的標準煤，水泥冷再生瀝青混合料替代水泥穩定碎石瀝青混合料所減少的CO2排放量為0.1×105kg。

4 結論

針對浙北地區農村公路路面病害狀況，對路面維修養護標準展開研究，主要結論如下：

(1)通過對浙北地區農村公路瀝青路面現場調研與分析，浙北地區農村公路路面路用性能總體狀況普遍較差。

(2)針對瀝青路面提出了養護改造的關鍵指標，主要包括路面損壞、路面平整度、結構強度。

(3)通過收集整理已養護路段基礎數據，采用數理統計方法和保證率系數，得出維修養護時可采用的各關鍵指標標準與閾值：路面損壞復合評價指標PDI≤60，采用中修措施；路面平整度RQI≤74時，采用中修措施(面層銑刨、面層再生、罩面處理)；路面結構強度系數SSI≤0.68，采用大修措施(基層銑刨、基層再生)。