沥青路面结构承载能力评价方法研究及影响因素分析_寇冠宇.pdf

2023 年第 1 期(总第 347 期)黑龙江交通科技HEILONGJIANG JIAOTONG KEJINo1，2023(Sum No347)沥青路面结构承载能力评价方法研究及影响因素分析寇冠宇(华设设计集团股份有限公司，江苏 南京210014)摘要:为寻找旧沥青路面结构承载能力的合理评价方法，依托广东省高速公路改扩建工程，通过弯沉检测和钻芯取样等手段，系统研究了结构承载能力评价方法，选择单点弯沉值、结构层反算模量、路面结构强度指数 PSSI 和芯样强度作为评价指标，系统评价了该公路旧路面结构承载能力的使用现状及内在成因。结果表明，上述评价指标均能较好的评价旧路的结构承载能力，可用于对旧路的残余寿命进行评价。关键词:结构承载能力;沥青路面;弯沉;模量反算;芯样强度中图分类号:U416 217文献标识码:A文章编号:1008 3383(2023)01 0027 03收稿日期:2022 04 121引言沥青路面是我国高等级公路使用的主要路面结构形式之一。近年来，随着经济的快速发展，道路通行的重载货车逐年增加，各省市早期修建的沥青路面已有部分达到设计使用年限，现状道路也出现了不同程度的病害，亟需进行维修改造或改扩建，对旧沥青路面使用现状开展系统、全面的评价，客观认识既有道路的残余寿命1，是提出合理的路面改造方案的重要前提。特别是，旧路的结构承载能力和残余强度的评价十分关键2 3，是路面改扩建设计以及施工现场控制的一个重要参数。为了研究旧沥青路面结构承载能力评价方法，选择合适的手段对既有道路残余寿命进行准确评价，依托广东省开阳高速改扩建工程的旧路调查数据，利用无损弯沉检测和有损现场钻芯等手段，从不同角度对旧路结构承载能力评价方法进行了系统研究。该公路是我国20 世纪90 年代修建的早期高等级公路，具有显著的代表性，目前经过多年使用，由于交通量较大导致服务能力下降，计划开展改扩建。2基于弯沉的旧路结构承载能力评价弯沉是反映路面结构承载能力的关键指标，主要采用单点实测弯沉值、FWD 模量反算、路面结构强度指数(PSSI)评分值以及钻芯取样结果对某公路的旧路结构承载能力进行评价。2 1单点弯沉值旧路单点实测弯沉值过大，则说明其结构承载能力较差，在选择旧路改造及加铺方案时，需要判断其能否直接加铺或者是否需要进行整体结构补强。采用落锤式弯沉仪(FWD)对开阳高速公路上、下行两个方向的行车道和超车道进行弯沉检测，测点按照每 10 m 一点的方式进行布设，单点弯沉值统计结果汇总如表 1 所示。从表 1 中单点弯沉值的检测结果来看，该公路全线弯沉值较小，单点实测弯沉代表值平均为10 4 15 6(0 01 mm)之间，仅有个别路段弯沉代表值大于 25(0 01 mm)以上，约占道路总长度的3%，这说明现状道路的结构承载能力较好，仍具有足够的残余强度。该公路为我国 20 世纪建设的代表性工程，经过多年使用，在现状道路交通量大、重载车辆较多的情况下，仍然能够保持良好的结构承载能力，其中的原因是值得总结和分析的。通过历史资料调研我们发现，该路建设期间的路面结构及材料设计合理，结构安全储备较高。而且，建设期间施工质量控制较为严格，从所收集的建设期间质量抽检资料来看，路基、基层、面层等各层材料施工中变异性很小、材料均匀，可以有效的保证各层材料及混合料符合设计要求，保证工程质量。此外，在该路日常养护中，对于结构承载能力不足路段进行了深度结构补强处理，进一步提高了结构承载能力。72DOI:10.16402/ki.issn1008-3383.2023.01.005总第 347 期黑龙江交通科技第 1 期从表 1 中的结果还可以看出，上、下行两个方向的行车道弯沉值明显大于超车道的弯沉值，这表明行车道的结构承载能力要弱于超车道。结合该公路断面交通量和交通组成的调查情况来看，行车道上行驶的车辆主要是特大货车和小货车，超车道上行驶的车辆主要是小客车，而且现状道路的断面交通量较大，道路拥挤现象十分严重，行车速度和道路通行能力大大降低，特别是高峰时段货车的车速较低。一方面，由于货车的轴重较重，对于路面结构受力十分不利，导致行车道的承载能力衰减较快。另一方面，由于车速低、车辆行驶缓慢，延长了对路面的作用时间，会加剧路面结构强度的衰变，从而导致行车道的结构承载能力不如超车道。表 1单点弯沉值结果统计表路幅车道弯沉代表值/(001 mm)平均值最大值最小值标准差变异系数上行超车道11 52850742148%行车道13 22560351199%下行超车道10 42871142145%行车道15 64210668162%2 2基于 FWD 弯沉盆的路面结构层反算模量为了进一步分析各个结构层材料的模量水平，采用落锤式弯沉仪 FWD 对全线进行了检测，并根据 FWD 检测结果，利用 SIDMOD 程序进行模量反算4。结构层模量反算时将路面结构分为路面+基层+路基 3 层，即:将沥青混凝土四层面层等效为第一层进行反算、中间三层基层等效为第二层进行反算、路基为第三层。FWD 模量反算结果，该公路现状道路面层等效模量主要在 4 000 6 000 MPa之间，基层等效模量主要在 800 1 200 MPa 之间，路基等效模量主要在 200 400 MPa 之间。从模量数值来看，全线路面、基层、路基的剩余结构模量仍较大，衰减幅度不大、路面整体结构强度仍十分良好。3基于路面结构强度指数 PSSI 的结构承载能力评价采用激光动态弯沉测量系统对全线双向四车道进行连续检测5，按单车道每公里计算弯沉代表值，在考虑季节修正和温度修正后，将该数值换算为贝克曼梁弯沉值，最后按照现行规范6 的规定计算路面结构强度指数 PSSI，统计结果如表 2 所示。从表 2 的路面结构强度指数检测结果可以看出，该公路全线总体弯沉水平较好，全线双向四车道 PSSI平均分达到了 97 分。其中:上行超车道 PSSI 平均值为 97 8 分、上行行车道 PSSI 平均值为 96 8 分、下行超车道 PSSI 平均值为 97 3 分、下行行车道PSSI平均值为 96 0 分。PSSI 评分值为优的路段占912%，评分为良的路段占 8 6%，仅有 0 2%的路段评分为中。这说明现状道路的结构强度整体较好、结构承载能力较为优异。总体上看，上行方向弯沉水平比下行方向好，前者路面结构强度更高。下行行车道 PSSI 评分值为优的路段仅为 82 7%。造成这样差异的主要原因是由于上下行方向的交通组成不同，下行方向的货车比例比较高所致。车道分布情况来看，由于超车道主要行驶小型车辆、而行车道以重载货车为主，导致行车道的弯沉水平明显差于超车道。PSSI 评分值为“中”的路段均是出现在行车道位置。表 2路面结构强度指数 PSSI 统计表平均值PSSI优(90)良(80)中(70)次(60)差(60)上行超车道97 8945%55%00%00%00%上行行车道96 8947%51%03%00%00%下行超车道97 3928%72%00%00%00%下行行车道96 0827%16 6%07%00%00%全线平均97 0912%86%02%00%00%82第 1 期寇冠宇:沥青路面结构承载能力评价方法研究及影响因素分析总第 347 期4基于路面芯样的旧路结构承载能力评价为了评价现状道路的残余强度、分析路面病害产生的原因、探明道路的厚度、材料类型和结构类型，我们对全线桥面段以外的车道进行了钻芯检测。采用路面钻孔取芯机对面层和基层进行了现场取芯，选取有代表性的芯样进行现场封存，并在室内进行了抗压强度和劈裂强度试验。基层强度试验采用现行规范7 要求的劈裂强度和无侧限抗压强度试验方法，试验结果汇总如表 3 所示。从表3 中的试验结果可知，在路基状况良好的状态下，水稳基层劈裂强度的平均值可达 1 17 MPa，无侧限抗压强度可达 8 13 MPa，这表明现状道路结构的基层残余强度仍较高，基层使用状态良好。基层是整个路面结构的主要承重层，由于该公路基层残余结构强度较高、使用状况优良，这使得旧路整体结构承载能力较优、单点实测弯沉值较小，因此即使旧路已经超过了原设计的使用年限仍可继续使用，而且在改扩建中也并不需要进行大规模的结构补强，对于结构承载能力满足要求及病害轻微的路段，仅需对旧路进行加铺罩面改善表面功能即可。表 3水稳基层芯样强度试验结果统计表试验类别芯样数量最大值/MPa最小值/MPa平均值/MPa劈裂强度试验162100601 17无侧限抗压强度试验4012105 608 13将取芯点桩号与该点的弯沉调查结果相互对应，并结合现场取芯的情况，可以发现，当测点的弯沉值较小时，取芯的现场情况基本上对应的是表面完好的状态或者细小的横缝、轻微车辙或离析，此时取出的芯样较为完整，一般都可以取至基层，面层层间与基面层间结合基本完好，基层顶面也很少出现松散，路面结构可以形成一个整体，因此能够提高整个结构的承载能力。当测点的弯沉值较大时，大部分芯样的现场情况对应的是纵缝或唧浆的状态，此时芯样较难完整地取出，大部分芯样仅能取出上面层，中、下面层和基层顶部都发生了松散，层间结合不良，路面结构很难形成一个整体来承受车辆荷载的作用。由于这些病害的产生，路面结构发生了损坏，导致了路面结构整体承载能力已经严重不足。对于部分弯沉值较大的测点，取芯的现场情况虽然对应的是表面完好的状态，芯样也能够取出较为完整的沥青面层，但面层内部的空隙率明显偏大，沥青的粘结力较弱，部分芯样的基层顶面发生了松散或基层出现断裂。尽管此时没有病害产生，路面结构也能够形成一个整体，但由于路面结构强度不足以及材料性能的衰减，也导致了结构承载能力不足。5结论依托开阳高速公路改扩建工程，研究了旧路面结构承载能力的评价方法，以单点弯沉值、结构层反算模量、路面结构强度指数 PSSI 和芯样强度等为评价指标，系统分析了旧路面结构承载能力的使用现状及内在成因。这些指标能较好的评价旧路的结构承载能力，对于该公路而言，旧路结构强度整体较好、结构承载能力较为优异，对于结构承载能力满足要求及病害轻微的路段，仅需对旧路进行加铺罩面改善表面功能即可，仅有部分路段弯沉值偏大需要进行局部补强。参考文献:1 梁斌 路面结构承载能力合理量化评定标准研究 J 公路与汽运，2020 198:62 68 2 任新涛 旧水泥混凝土路面沥青加铺层J沈阳大学学报(自然科学版)，2017，29(4):330 334 3 李均，邹志发 基于力学响应的旧路面加铺层结构承载能力研究J 筑路机械与施工机械化，2019，36:29 33 4 王旭东，秦勤 一种动态弯沉盆的模量反算方法J 公路交通科技，1999，16(1):13 16 5 刘亚娟 激光式高速弯沉仪在运营高速公路检测中的应用 J 公路交通科技(应用技术版)，2017，13(9):1 3 6 JTG H5210 2018 公路技术状况评定标准 S 7 JTG E51 2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 S 92