基于多維度空間綜合檢測技術的高速公路路面養護方案研究

孫健、孔維臻

（廣東華美加工程顧問有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概況

廣州至河源高速公路惠州段，起點樁號K69+667.472，終點樁號K144+245，路線全長75.34km，至2023 年通車已有11 年，其路面結構為倒裝式柔性基層結構。全線采用雙向六車道瀝青混凝土路面，路基寬度34.5m，設計行車速度為120km/h。路面結構設計采用倒裝式柔性基層瀝青路面結構，橋梁設計車輛荷載：公路-I 級。于2012 年1 月10 日建成通車。

2 路面使用狀況分析

2.1 路面結構強度分析

2021 年7 月，廣東華美加工程顧問有限公司對廣河高速惠州段廣州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050（運營期樁號K128+644—K130+144）段路面進行路面常規檢測，路面彎沉檢測采用落錘式彎沉儀。

采用落錘式彎沉儀對廣州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三車道進行檢測，河源方向K126+550—K128+050（運營期樁號K128+644—K130+144）段第一、二、三車道的路面彎沉值進行檢測，檢測結果見表1 所列。

表1 路面彎沉及結構強度指數PSSI 評價結果匯總

由表1 可知，檢測路段存在以下問題：

一是河源方向檢測路段第三車道彎沉值整體上大于廣州方向第三車道的彎沉值，說明河源方向第三車道檢測路段的路面強度更弱，路面更易發生損壞。二是廣州方向K106+500—K107+500 路段的彎沉代表值為28.20（0.01mm），廣州方向K126+550—K18+050（運營期樁號K128+644—K130+144）路段的彎沉代表值為29.54（0.01mm），接近路面設計彎沉值，道路儲備強度不足。三是河源方向K126+550—K128+050（運營期樁號K128+644—K130+144）路段的彎沉代表值為31.50（0.01mm），彎沉較大，超出路面設計彎沉值，路面結構強度明顯不足。

2.2 路面損壞狀況

路面狀況采用多功能道路檢測車檢測，利用視覺傳感器，對路面病害進行掃描。路面病害主要是縱向裂縫及橫向裂縫，另外有少量龜裂、坑槽和松散，路面損壞典型照片如圖1、圖2 所示。

圖1 裂縫、龜裂

圖2 松散、龜裂坑槽

經檢測和調查，按公里劃分的各區間段病害數量進行統計和等級評定，路面病害形式主要有：裂縫、龜裂、松散、坑槽，雖然病害種類多樣，但路面PCI 評價大部分在92 以上，評價等級為優，沒有評價為良及其以下路段。

2.3 探地雷達檢測分析

3D 探地雷達（Ground Penertrating Radar—GPR）工程探測屬于一種高頻微電子及計算機綜合應用的前沿技術，特別是近代計算機的高速發展，使得該項技術廣泛應用于工程探測。可以將路面深層存在的脫空、松散、裂縫類型直觀地反映出來，對彎沉較大疑似脫空的位置進行復核、驗證。

在對檢測數據進行分析后，發現右幅第三車道彎沉值總體偏大，存在疑似脫空及松散的情況，具體路段彎沉值如圖3 所示。

圖3 河源方向K127+246—K127+478 第三車彎沉值

由圖3 可知，該路段已有多處位置彎沉超過30（0.01mm）的設計值。利用3D 探地雷達對該路段進行掃描，發現河源方向K127+246—K127+478 第三車道基層存在沉降、脫空及松散的情況，較為典型位置如圖4、圖5 所示。

圖4 河源方向K127+246—K127+478 第三車道雷達影像截圖

圖5 河源方向K127+560—K127+562 第三車道雷達影像截圖

由圖4 可知，在黑色加粗方框（原圖是紅色方框）范圍內，路面10～50cm 之間，出現不規則波浪形曲線，究其原因是基層的不均勻沉降，引起路面脫空。3D 雷達的掃描結果基本與彎沉值呈現出對應關系。

由5 可知，河源方向K127+560—K127+562 第三車上面層總體狀況良好，但在路表下50cm 處，黑色豎向加粗方框（原圖是紅色框）存在內部脫空情況，同時也印證了彎沉的檢測結果，找到該路段彎沉較大的真實原因，為下一步病害處治手段選擇提供重要參考。

綜合利用落錘式彎沉儀及3D 探地雷達，對廣州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三車道，河源方向K126+550—K128+050（運營期樁號K128+644—K130+144）段第一、二、三車道的路面進行3D 雷達掃描，并結合彎沉檢測結果，發現路面病害呈現如下特點：

其一，河源方向的K126+550—K128+050 路段彎沉和內部病害都遠大于廣州方向K106+500—K107+500 路段，且均為第三車道病害較為突出。因其長期受車輛重載的作用，彎沉也較大。

其二，基層出現前后基層沉降及脫空和局部松散的路段，落錘式彎沉儀檢測出的彎沉較大，基層的結構承載能力不足，以河源方向樁號為K127+264—K127+478 的第三車道較為明顯，路面基層內部脫空和沉降較為嚴重[1]。

其三，面層裂縫及面層修補的路段，檢測出的彎沉值較小，可以發現內部病害的出現對路面彎沉造成不利影響[2]。

綜上所述，廣州方向K106+500—K107+500 與河源方向K126+550—K128+050 路段面層整體使用性能良好，基層存在一些內部的沉降及脫空病害，結構承載能力降低[3]。對于彎沉較大且基層強度明顯不足或病害較為嚴重的路段，應采取一定的養護措施及時處治，提升路面的行駛質量。如果不及時處治將進一步加重路面的變形和車轍問題，影響行車舒適性和安全性。

2.4 有限元分析

結合彎沉反算的應力應變，利用有限元對標準荷載作用下的瀝青路面進行分析，圖6 為荷載中心位置下豎向壓應變隨深度的變化曲線，表2 為其各個層位對應的豎向壓應變大小。

圖6 荷載中心位置下豎向壓應變隨深度的變化曲線

表2 倒裝式柔性基層瀝青路面不同深度處壓應變大小

由表2 及圖6 可知：

一是豎向壓應變在上面層內先增加到最大值而后逐漸減小，在水泥穩定碎石底基層時壓應變有所增大。二是不同的顏色區域代表壓應變值的大小，壓應變隨著深度的增加而減小，倒裝式柔性基層瀝青路面的應變分布較為均勻。三是倒裝式柔性基層瀝青路面的上、中、下面層壓應變在荷載作用范圍內隨著與輪隙中心距離的縮減，先減小后增大，在荷載作用中心附近達到最大。四是上、下、底基層壓應變在荷載作用范圍內隨著與輪隙中心距離的縮減逐漸減小，在輪隙中心附近達到最大。土基頂面最大豎向壓應變為122.873με，壓應變較大原因在于倒裝式柔性基層結構在荷載作用下承載能力較低，容易發生協同變形，產生車轍損害[4]。

2.5 路面使用狀況綜合分析

針對廣河高速惠州段廣州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050 路段路面進行常規檢測、專項檢測及有限元分析，由檢測結果分析可知：

一是檢測路段路面的功能性指標良好，如路面破損、車轍及平整度；而路面的結構承載能力出現不足。河源方向路段的代表彎沉過大，已不滿足設計技術要求[5]；廣州方向路段的代表彎沉雖滿足設計要求，但已接近設計臨界值，且目前距道路設計年限仍有較長時間。從剩余壽命角度考慮，也應對其進行預防性養護，延長其使用壽命。二是3D 雷達檢測表明河源方向有內部病害的路段較多，占檢測里程的23.6%，廣州方向路段良好，占檢測里程的4.5%。病害類型主要為面層的裂縫、坑槽及修補問題和基層的沉降、脫空、局部松散問題。三是雷達檢測結果與彎沉對比發現對于路面內部脫空和基層沉降等內部病害較為嚴重的路段，結構承載能力降低，彎沉較大。整體來說此次檢測路段的路面基層脫空病害較少。

3 路面綜合處治方案確定

廣州方向K106+500—K107+500 彎沉代表值為28.2（0.01mm），廣州方向K126+550—K128+050 彎沉代表值為 29.54（0.01mm），與設計彎沉值 30（0.01mm）相近，結構強度處于臨界狀態。為了提高路面結構強度和使用壽命，考慮在路面結構驗算的基礎上，采用直接加鋪罩面方案。

河源方向采用直接加鋪罩面方案。河源方向K126+550—K128+050 彎沉代表值為 31.50（0.01mm），超出路面設計彎沉值30（0.01mm），且部分路段存在內部脫空，結構承載能力明顯不足，提出采用加鋪結構補強層的處治方案。

除采用結構補強層的養護方法外，針對3D 雷達探測出的結構強度不足的位置，重點對河源方向建議采用注漿補強與加鋪罩面相結合的綜合處治方法，對級配碎石層到路基均進行注漿補強，提高路面結構整體承載能力。注漿補強主要集中在級配碎石層及水穩層。由于注漿補強后提高了基層剛度，理論上更易產生反射裂縫。

加鋪厚度的確定：

結合路面彎沉實測值，對原路面結構層材料模量進行試算，使得路面結構的實測彎沉代表值與計算彎沉值相接近，表明此時試算的結構層材料模量與實際結構層材料的模量相接近。此次路面結構層材料模量試算僅考慮瀝青碎石上基層及以上面層材料模量的衰變，采用HPDS 對基層模量進行試算，如表3所示。

表3 各結構層實測彎沉值下對應的模量

結合各結構層實測彎沉值下對應的模量，利用HPDS 對加鋪結構層厚度進行初步設計，不同彎沉代表值下所需加鋪厚度如表4 所示。

表4 不同彎沉值代表值下所需加鋪厚度

由表4 可知：

其一，采用直接加鋪罩面方案時，當原路面檢測彎沉值代表值在33（0.01mm）～40（0.01mm）時，路面直接加鋪層厚度至少需要4.2～10.2cm。

其二，采用直接加鋪罩面方案主要針對彎沉較小的路段，結構整體無明顯變化。廣州方向路面實測代表彎沉值為28.2（0.01mm）時，經驗算加鋪層厚度為1cm，滿足設計要求。

其三，河源方向路面實測代表值為34.5（0.01mm），直接加鋪厚度最少需6cm。對級配碎石到路基注漿補強的位置，經驗算后需再加鋪1cm。

綜上所述，提高路面結構強度和使用壽命，采用直接加鋪罩面方案，經過結構設計驗算和技術經濟比較，最終確定加鋪層的厚度為6cm，并對級配碎石到路基注漿補強。

4 結語

高速公路養護方案的選擇，是一項復雜的系統工程。綜合利用荷載傳感器、視覺傳感器、3D 雷達探測器，同時應用有限元進行仿真，從多維空間對路面現有病害進行檢測，針對性地對現有病害進行處治，不僅節省工程造價，更能保障處治措施的有效性。