超長(zhǎng)服役期瀝青路面內(nèi)部損傷規(guī)律研究

張于平 曾思清 王端宜 羅傳熙

(廣深高速公路改擴(kuò)建管理處1) 廣州 510000) (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院2) 廣州 510000)

0 引 言

損傷是指在外部荷載或環(huán)境作用下，由結(jié)構(gòu)缺陷的萌生、發(fā)展等不可逆變化引起的材料或結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能的劣化.在過(guò)去，學(xué)者們致力于研究基于均衡條件的路面結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理，關(guān)注損傷發(fā)展的材料或結(jié)構(gòu)自身問(wèn)題[1-3].但是對(duì)于道路而言，路面結(jié)構(gòu)荷載、環(huán)境因素千差萬(wàn)別，部分路面結(jié)構(gòu)即使建設(shè)期帶有嚴(yán)重缺陷，其在運(yùn)營(yíng)期也不會(huì)發(fā)展擴(kuò)大[4-5]；但是部分路面結(jié)構(gòu)即便建設(shè)期結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)良好，在運(yùn)營(yíng)期也可能產(chǎn)生嚴(yán)重的病害[6-7].對(duì)于道路實(shí)體而言，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷發(fā)展規(guī)律與道路結(jié)構(gòu)形式息息相關(guān)[8-10].文中通過(guò)分析超長(zhǎng)服役期路面內(nèi)部損傷類型與發(fā)展規(guī)律，研究瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷與道路結(jié)構(gòu)類型、路基特征、防護(hù)特征等因素的相關(guān)性.

廣東境內(nèi)至今已運(yùn)營(yíng)27年的某高速公路，原設(shè)計(jì)交通量為5.5萬(wàn)pcu/d，現(xiàn)狀交通量約為12.3萬(wàn)pcu/d，路面經(jīng)受了大交通量、高溫、多雨的荷載環(huán)境考驗(yàn).路面整體性能良好，得益于其特有的組合式基層路面結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，但慢車道路面損壞狀況指數(shù)PCI仍高達(dá)95.此外，該高速公路運(yùn)營(yíng)至今只進(jìn)行過(guò)一次整體性罩面養(yǎng)護(hù)，常規(guī)養(yǎng)護(hù)措施均為淺層銑刨重鋪，從未開(kāi)展過(guò)深層病害處理，這為超長(zhǎng)服役期的瀝青路面內(nèi)部損傷規(guī)律研究提供了良好的研究基礎(chǔ).本文將依托該高速公路實(shí)體，開(kāi)展路面內(nèi)部損傷探測(cè)，分析瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷在超長(zhǎng)服役狀況下的發(fā)展規(guī)律.

該路基段落全長(zhǎng)為72 km，采用三維探地雷達(dá)開(kāi)展路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷探測(cè)，探測(cè)范圍覆蓋50%路基段落，以硬路肩、慢車道、主車道為主，一共探測(cè)132 km車道，檢測(cè)段落隨機(jī)分布.

圖1 路面結(jié)構(gòu)圖

1 內(nèi)部損傷

1.1 損傷類型

結(jié)合組合式基層瀝青路面可能存在的損傷病害，脫空與松散采用個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)，并分別分析面積指標(biāo)；裂縫采用裂縫率指標(biāo)(包括橫向裂縫、縱向裂縫)表征檢測(cè)范圍內(nèi)裂縫分布情況，計(jì)算見(jiàn)式(1).為分析裂縫隨深度變化的發(fā)展情況，截取距路表8 cm(即AC-25層頂)及距路表36 cm(即半剛性基層層頂)作為分析界面.

(1)

式中：γc為裂縫率，m/100 m2；A為段落內(nèi)面層、基層裂縫長(zhǎng)度，m；A為段落面積，m2，統(tǒng)計(jì)單元為50 m/車道，即A=187.5 m2.

探測(cè)范圍內(nèi)存在45處脫空病害與38處松散病害，均出現(xiàn)于碎石層，并且均為小型脫空、松散病害.探測(cè)范圍內(nèi)存在合計(jì)長(zhǎng)度為15.5 km裂縫病害，分布于瀝青結(jié)構(gòu)層與半剛性基層中，其中包含444條縱向裂縫.根據(jù)上述探測(cè)結(jié)果可知：在超長(zhǎng)服役期的組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷主要以裂縫病害為主.組合式基層由柔性基層及半剛性基層組合而成，半剛性基層仍然為主要承重層，裂縫病害依然為該類路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的主要病害類型.

1.2 裂縫病害

為分析瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫發(fā)展規(guī)律，將不同車道以及不同結(jié)構(gòu)層的裂縫率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖2.

圖2 不同車道和層位平均裂縫率

由圖2a)可知：慢車道裂縫率>硬路肩裂縫率>主車道裂縫率.慢車道主要承受重型車輛荷載作用，路面結(jié)構(gòu)所承受的荷載大于主車道與硬路肩，因此慢車道裂縫率較主車道與硬路肩高.主車道裂縫率在車輛荷載作用下較無(wú)車輛荷載作用的硬路肩低，分析主要原因?yàn)橛猜芳缭跓o(wú)側(cè)向支擋作用下，邊部自然沉降，存在側(cè)傾拉裂趨勢(shì)；或者由于邊部壓實(shí)度不足，運(yùn)營(yíng)期間自然沉降導(dǎo)致裂縫發(fā)展；此外，硬路肩處于邊部，所受環(huán)境因素(溫度、濕度)影響更為直接，因此硬路肩裂縫率高于主車道.不同車道裂縫率差異表明，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫不僅僅與荷載作用相關(guān)，外部環(huán)境因素也將直接導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部嚴(yán)重開(kāi)裂.

由圖2b)可知：半剛性基層裂縫率高于瀝青層，即半剛性基層中仍有較多裂縫未反射致瀝青結(jié)構(gòu)層，裂縫反射率僅為42%.由于半剛性基層為路面結(jié)構(gòu)主要承重層，并且是裂縫發(fā)展的主要源頭，因此下文將以半剛性基層作為研究對(duì)象，將裂縫率細(xì)分為橫向裂縫率與縱向裂縫率，進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)據(jù)分析工作.

2 橫向裂縫發(fā)展規(guī)律

2.1 橫向裂縫分布規(guī)律

將同一斷面中同時(shí)探測(cè)硬路肩、慢車道與主車道的橫向裂縫率見(jiàn)圖3.

圖3 不同車道橫向裂縫率

由圖3可知：慢車道橫向裂縫率>主車道橫向裂縫率>硬路肩橫向裂縫率.主車道裂縫率在車輛荷載作用下較無(wú)車輛荷載作用的硬路肩高，但兩者差距較小(僅2%)，考慮慢車道橫向裂縫可延展貫穿至主車道與硬路肩，并且主車道由于存在交通荷載作用，理論上主車道橫向裂縫率應(yīng)顯著高于硬路肩橫向裂縫率，但實(shí)際兩者基本一致.可見(jiàn)硬路肩外部環(huán)境對(duì)于橫向開(kāi)裂的影響與交通荷載對(duì)于主車道橫向開(kāi)裂的影響基本一致,即環(huán)境作用是硬路肩橫向裂縫病害發(fā)展的主要因素.

2.2 影響因素

1) 不分車道的橫向裂縫影響因素 將半剛性基層橫向裂縫率與填挖形式、軟基情況、擋墻情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖4.

圖4 橫向裂縫影響因素

由圖4可知：在不分車道的情況下橫向裂縫率與填挖形式、軟基情況、擋墻情況均無(wú)顯著相關(guān)性.

2) 硬路肩的橫向裂縫影響因素 將硬路肩橫向裂縫率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖5.

圖5 硬路肩橫向裂縫影響因素

由圖5可知：硬路肩橫向裂縫發(fā)展與填挖方形式、軟基情況相關(guān)性不高，但與擋墻情況存在顯著相關(guān)性.

3) 非硬路肩的橫向裂縫影響因素 將非硬路肩的橫向裂縫率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖6.

圖6 非硬路肩橫向裂縫影響因素

由圖6可知：非硬路肩橫向裂縫發(fā)展與填挖方形式相關(guān)性不高，但其與軟基情況、擋墻情況存在一定相關(guān)性.

2.3 影響因素分析

將不同車道橫向裂縫率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖7.

圖7 不同車道橫向裂縫率影響因素分析

由圖7可知：①填挖形式對(duì)于不同車道橫向裂縫的發(fā)展并未產(chǎn)生顯著的影響；②因此，軟基是引起非硬路肩區(qū)域橫向裂縫發(fā)展的原因之一；③非擋墻橫向裂縫率顯著高于擋墻區(qū)域；但非擋墻橫向裂縫率顯著低于擋墻區(qū)域.分析原因是擋墻為硬路肩提供了可靠的支撐，減少了硬路肩的沉降，但同時(shí)約束了慢車道與主車道的形變，增大了內(nèi)部應(yīng)力，一定程度上促進(jìn)橫向裂縫病害發(fā)展.

3 縱向裂縫發(fā)展規(guī)律

3.1 縱向裂縫分布規(guī)律

針對(duì)瀝青層、半剛性基層以及不同車道的縱向裂縫率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表1和圖8.

表1 不同結(jié)構(gòu)層縱向裂縫

圖8 不同車道縱向裂縫率

由表1可知：半剛性基層縱向裂縫數(shù)量是瀝青層的264%，可見(jiàn)半剛性基層仍有較多縱向裂縫未反射至瀝青面層，組合式基層路面結(jié)構(gòu)中，裂縫寬度較小的縱向裂縫無(wú)法反射至路表.

由圖8可知：硬路肩縱向裂縫率>慢車道縱向裂縫率率>主車道縱向裂縫.硬路肩在無(wú)側(cè)向支擋作用下，邊部自然沉降，引起縱向裂縫病害，或在擋墻段落由于邊部壓實(shí)度不佳，造成自然沉降，進(jìn)而形成縱向裂縫病害.慢車道承受重型交通荷載，并且慢車道較主車道更靠近邊部，因此慢車道縱向裂縫率較主車道縱向裂縫率高.

3.2 影響因素

1) 不分車道的縱向裂縫影響因素 將半剛性基層橫向裂縫率與填挖形式、軟基情況、擋墻情況相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖9.

圖9 不分車道縱向裂縫影響因素

由圖9可知：在不分車道的情況下縱向裂縫率與填挖形式、軟基情況、擋墻情況均存在顯著相關(guān)性，其中與填挖形式相關(guān)性最顯著.

2) 硬路肩的縱向裂縫影響因素 將硬路肩縱向裂縫率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖10.

圖10 硬路肩縱向裂縫影響因素

由圖10可知：硬路肩縱向裂縫發(fā)展與擋墻情況相關(guān)性不高，但與填挖形式、軟基情況存在顯著相關(guān)性.

3) 非硬路肩的縱向裂縫影響因素 將非硬路肩縱向裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖11.

圖11 非硬路肩縱向裂縫影響因素

由圖11可知：硬路肩縱向裂縫發(fā)展與填挖形式、軟基情況與擋墻情況均存在顯著相關(guān)性.

3.3 影響因素分析

將不同車道縱向裂縫率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖12.

圖12 不同車道縱向裂縫率影響因素分析

1) 填挖形式對(duì)于縱向裂縫的發(fā)展存在顯著的影響，并且縱向裂縫常出現(xiàn)于填方路段.分析主要原因?yàn)樘罘铰坊扇斯ぬ钪唇?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間自然沉降，在超長(zhǎng)服役期是由于不均勻沉降導(dǎo)致出現(xiàn)縱向裂縫.

2) 在軟基與非軟基形式中，硬路肩的縱向裂縫率差異為-31%，可見(jiàn)軟基并不是引起硬路肩縱向裂縫的主要因素；但非硬路肩的縱向裂縫差異為124%，可見(jiàn)軟基是引起主車道與慢車道縱向裂縫的因素之一.

3) 在擋墻與非擋墻形式中，硬路肩的縱向裂縫率差異為-10%，可見(jiàn)非擋墻并不是引起硬路肩縱向裂縫的主要因素；但非硬路肩的縱向裂縫率差異為166%，即擋墻的設(shè)置極大的增大慢車道與主車道的縱向裂縫率，分析原因主要為擋墻約束了慢車道與主車道的形變，增大了內(nèi)部應(yīng)力，促進(jìn)橫向裂縫病害發(fā)展.

4 結(jié) 論

1) 超長(zhǎng)服役期的組合式基層路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷主要為裂縫病害，由于厚瀝青層的原因，半剛性基層大部分裂縫在超長(zhǎng)服役期間也無(wú)法反射至路表.

2) 荷載作用是慢車道橫向裂縫病害發(fā)展的主要因素，但硬路肩橫向裂縫病害發(fā)展的主要因素是環(huán)境作用.自然沉降是縱向裂縫病害發(fā)展的主要因素，并非荷載作用.

3) 軟基是引起非硬路肩車道橫向裂縫發(fā)展的原因之一；設(shè)置擋墻可以有效減少硬路肩橫向裂縫，但有可能增加非硬路肩車道的橫向裂縫.

4) 縱向裂縫常出現(xiàn)于填方路段，軟基將增加非硬路肩縱向裂縫發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，擋墻的設(shè)置將增大非硬路肩車道的縱向裂縫病害風(fēng)險(xiǎn).