關于舊公路路面改擴建施工期的損壞研究

尹和山

(安徽港通建設工程有限公司，安徽 合肥 230011)

關于舊公路路面改擴建施工期的損壞研究

尹和山

(安徽港通建設工程有限公司，安徽 合肥 230011)

為了給公路路面養護維修提供科學的決策依據，通過在公路維修過程中對路面損壞的發展變化進行了評估，評估結果顯示路面狀況指數的變化對路面損害影響不大。同時分析了維修期內的路面疲勞壽命，分析結果顯示二灰砂礫基層和瀝青面層間的狀態處于連續或半連續狀態時，瀝青層底不產生疲勞開裂，而處于不連續的狀態時瀝青層底將在約19個月以后存在產生疲勞開裂的風險；二灰砂礫層底在整個施工期間基本不產生層底開裂的現象。以上研究結果能夠為公路路面養護維修提供科學決策依據，并供同行參考。

公路；路面；改擴建；損壞；研究

0 引言

近二三十年來，我國加快了基礎設施建設步伐，高速公路建設和發展更是突飛猛進。早年建設的高速公路到了需要改擴建和大養護維修的時候了。因此，需要對改擴建施工期舊公路路面的損壞進行研究。

為了給公路路面養護維修提供科學的決策依據，以某高速改擴建為依托，通過在公路維修過程中對路面損壞的發展變化進行了評估，同時分析了維修期內的路面疲勞壽命。研究結果表明：評估結果顯示路面狀況指數的變化對路面損害影響不大；(這是由具體路面試驗段實測得到的數據)二灰砂礫基層和瀝青面層間的狀態處于連續或半連續狀態時，瀝青層底不產生疲勞開裂，而處于不連續的狀態時瀝青層底將在約19個月以后存在產生疲勞開裂的風險；二灰砂礫層底在整個施工期間基本不產生層底開裂的現象。以上研究結果能夠為公路路面養護維修提供科學決策依據，并供同行參考。

1 維修施工期路面路面狀況指數評估

路面路面狀況指數，即PCI，是路面表觀判斷損害程度的綜合指標；是路面損壞類型、損壞程度和損壞密度的函數；PCI越大說明路面損害程度越小。[1]

1.1 某高速公路維修施工期的路面結構

舊路路面結構為：12cm瀝青層+20cm二灰砂礫+18cm二灰礫石土。

1.2 路面路面狀況指數評估模型

本文中的路面狀況指數評估模型如下：[3][4]

(1)

(2)

λ=a1hb1ESALC1,

η=a2hb2ESALC2,

ξ=a3hb3ESALC3,

(3)

Krα=(0.2868-0.0493W)(3.5297+0.0393t)

(4)

Krβ=(0.2992-0.0559W)(3.6373+0.0126t)

(5)

上式中，PCI為路面損壞狀況指數；PCI0為初始損壞狀況指數；γ為路齡；α為壽命指數；β為形狀指數；h為路面瀝青層厚度(cm)；ESAL為每日每車道等效標準軸次；I0為初始彎沉(0.01 mm)；γ、η、ξ為回歸系數；a、b、c、d為回歸系數或指數；Krα、Krβ為環境影響系數；t為年平均氣溫(℃);W為潮濕系數；Kmα、Kmβ為瀝青材料影響系數。

PCI評估模型受交通車輛類型組成、氣候因素、路面結構類型等影響。

1.3 路面路面狀況指數評估結果

假定舊路加鋪在施工第三年實施，通過對PCI逐年預估，施工期各車道PCI預估結果見表1所列。

表1 路面路面狀況指數評估結果

通過PCI預測結果，路面至第三年舊路加鋪時，比初始PCI值下降了2～3，表明施工期間的車輛，對舊路破損程度總體上影響不嚴重。但除上行超車道外，其余車道本身初始PCI相對較低，為保證加鋪時不至于路面破損程度影響至基層以下更深部位，需要在施工前對全線道路進行一次深度病害處治工作，尤其是上行行車道；使施工期間以小修小補為主，從而保證施工期間的正常交通通行能力及施工正常的工程進度。[3]

2 瀝青層層底施工期疲勞壽命分析

道路瀝青面層和半剛性基層之間，理論上需要連接緊密，形成一個連續整體，以共同抵抗車輛對道路的損害。但在運營多年后由于種種原因，大致會出現3種情況，即連續、半連續和不連續。不同的情況，路面受力狀態將會大不相同，各結構層因疲勞誘發的開裂規律，將會發生較大的變化。[4]

疲勞方程的研究方法大致分為三類：現象學法，即傳統的疲勞理論方法；力學近似法，即應用斷裂力學原理分析疲勞裂縫擴展規律，以確定材料疲勞壽命的一種方法；耗散能法，瀝青混合料是一種粘彈性材料，其疲勞破壞可以以能量的形式表示。[5]

三種疲勞模型中，現象學法所得到的疲勞模型最為簡便實用，是應用比較廣泛的評價瀝青混合料疲勞性能的方法。本文擬采用現象學法的疲勞壽命分析方法，對舊路瀝青層層底疲勞壽命進行預估，以判斷施工期舊路是否會在車輛荷載下，出現疲勞裂縫或出現疲勞裂縫的程度，從而對舊路施工期病害發展的預測，提供一個側面支撐。[6]

2.1 疲勞壽命預估模型

本文以某地區的環境條件為基準建立的現場疲勞方程為：[4]

Nf=f(t，W)×(a、εb)

(6)

式中，f(t，W)為環境影響方程；t為年平均氣溫；W為潮濕系數；a為方程系數；b為方程指數；ε為瀝青層底拉應變。

一般而言，年平均氣溫較低的地方，其瀝青面層疲勞性能相對較差，潮濕系數越大的地方，其疲勞性能越差。確定該地區濕度系數為1.3，年平均氣溫為11.4℃，此處選擇以某地區疲勞模型為基準模型，在其基礎上乘以1.1的系數，作為的疲勞模型，公式如下：

Nf=1.1×2.25×10-7ε-3.8828

(7)

2.2 路面層之間的狀態

本項目根據路面病害類型，鉆取芯樣31個。鉆芯選擇的位置主要為橫縫、網裂、車轍等主要病害點位，同時選擇了部分無病害地方進行了比較。

通過對芯樣的分析，結構層層間狀態主要表現出以下幾點：

(1)瀝青層層間狀態均表現出較好的連續性，未見層間接觸不良現象，除個別取樣過程中上面層松散成塊外，主要為龜裂處芯樣；

(2)各種病害芯樣，均有部分芯樣出現基層和面層分層現象，但大部分層間粘結均較好；

(3)無病害芯樣基層和面層之間的連接均較好。通過芯樣分析，舊路大部分情況下，層間接觸表現較好，但依然存在層間不連續的現象。本文將采用面層和基層間連續、1/2連續及不連續三種層問狀態進行分析。[7]

2.4 疲勞壽命評估結果

根據疲勞壽命的評估，不同層間狀態下對應的疲勞軸載次數，結合施工期交通量對舊路的作用次數(施工期瀝青層底軸載作用次數為1.35×107)，推算出瀝青層底可能出現拉應變的時期，為道路施工期養護措施提供依據，結果見表2和表3所列。

表2 施工期不同層間狀態下的荷載作用次數

表3 非施工期不同層間狀態下的荷載作用次數

通過對舊路瀝青層疲勞壽命預估，表明在連續或者半連續的狀態下，施工期瀝青層層底不會由于層底拉應變過大出現破壞；不連續的狀態下，施工期則可能在施工19個月左右的時間出現瀝青層底疲勞破壞，非施工期則均>3年才會出現疲勞破壞；其中施工期連續狀態下，對應的作用次數遠是半連續狀態的4.4×105倍。

3 研究維修施工期路面底層疲勞壽命

當舊路瀝青面層和半剛性基層之間粘結性差時，瀝青結構層中瀝青層層底的受力狀態影響最大；半剛性材料層的層底同樣是該種材料影響最大的部位，同樣可能由于疲勞提前出現開裂。本文通過半剛性材料的疲勞壽命分析，對舊路半剛性層底疲勞壽命進行預估，以判斷施工期舊路在車輛荷載的疲勞性能。

3.1 路面疲勞壽命評估參數

半剛性層底拉應力見表4所列。

表4 舊路底基層層底拉應力(MPa)

3.2 路面疲勞壽命評估結果

根據路面疲勞壽命的評估，舊路底基層層底在產生疲勞開裂時，所需要的標準荷載次數見表5所列同時結合施工期半剛性材料對應的交通量軸載作用次數(施工期半剛性層底軸載作用次數為1.65×107)，表明二灰穩定礫石土在施工期不會因層底拉應力過大，而產生開裂。

表5 施工期不同層間狀態下的荷載作用次數

根據路面疲勞壽命計算結果表明，施工期的交通量均無法達到基層破壞所需要作用荷載次數。在基層與面層的連續狀態下，破壞所需的作用次數為實際次數的728倍；在基層與面層不連續狀態下為68倍。雖然施工期交通荷載不會對水穩底基層產生疲勞開裂，但是連續狀態下底基層能夠承擔的作用次數為不連續的11倍以上。

4 結論

(1)公路施工期間，普通小客車及施工機械的荷載對道路基本不產生較大損害，總體上路面狀況指數的數值僅僅降低約3個評分值。

(2) 根據維修期內的路面疲勞壽命的分析表明，二灰砂礫基層和瀝青面層間的狀態處于連續或半連續狀態時，瀝青層底不產生疲勞開裂。而處于不連續的狀態時瀝青層底將在約19個月以后存在產生疲勞開裂的風險。

(3) 根據路面疲勞壽命計算結果表明，施工期的交通量均無法達到基層破壞所需要作用荷載次數。在基層與面層的連續狀態下，破壞所需的作用次數為實際次數的728倍；在基層與面層不連續狀態下為68倍。

(4)二灰砂礫層底在整個施工期間基本不產生層底開裂的現象。

[1] 高濤.高速公路改擴建工程舊路狀況評價及處治對策研究[J].公路工程，2010(3)：13-18.

[2] 李小剛.無機結合料穩定類疲勞損壞預估模型研究[D].西安:長安大學,2006.

[3] 孫立軍,劉喜平．路面使用性能的標準衰變方程[J].同濟大學學報(自然科學版):1995(5)：512．

[4] 劉黎萍,孫立軍．瀝青路面現場疲勞方程的環境影響系數[J].同濟大學學報(自然科學版),2008(2):178-181．

[5] 孫立軍,劉黎平.瀝青路面結構行為方程中材料影響系數的確定方法[J].公路交通科技,2006(12):6-9．

[6] 王偉力.機場道面性狀評價指標與預測模型研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[7] 王芳.淺談舊瀝青路面結構補強層設計[J].科技信息,2012(35):399.

責任編輯：文 月

2017-03-01

尹和山(1976—)，男，安徽六安人，工程師，研究方向：路橋工程技術與管理。

U418.8

A

1671-8275(2017)03-0136-03