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(yǎng)護維修提供科學的決策依據(jù)，通過在公路維修過程中對路面損壞的發(fā)展變化進行了評估，評估結果顯示路面狀況指數(shù)的變化對路面損害影響不大。同時分析了維修期內(nèi)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(tài)處于連續(xù)或半連續(xù)狀態(tài)時，瀝青層底不產(chǎn)生疲勞開裂，而處于不連續(xù)的狀態(tài)時瀝青層底將在約19個月以后存在產(chǎn)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(chǎn)生層底開裂的現(xiàn)象。以上研究結果能夠為公路路面養(yǎng)護維修提供科學決策依據(jù)，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(fā)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(yǎng)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(yǎng)護維修提供科學的決策依據(jù)，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(fā)展變化進行了評估，同時分析了維修期內(nèi)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(shù)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(shù)據(jù))二灰砂礫基層和瀝青面層間的狀態(tài)處于連續(xù)或半連續(xù)狀態(tài)時，瀝青層底不產(chǎn)生疲勞開裂，而處于不連續(xù)的狀態(tài)時瀝青層底將在約19個月以后存在產(chǎn)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(chǎn)生層底開裂的現(xiàn)象。以上研究結果能夠為公路路面養(yǎng)護維修提供科學決策依據(jù)，并供同行參考。

1 維修施工期路面路面狀況指數(shù)評估

路面路面狀況指數(shù)，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(shù)；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(shù)評估模型

本文中的路面狀況指數(shù)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(shù)；PCI0為初始損壞狀況指數(shù)；γ為路齡；α為壽命指數(shù)；β為形狀指數(shù)；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(shù)；a、b、c、d為回歸系數(shù)或指數(shù)；Krα、Krβ為環(huán)境影響系數(shù)；t為年平均氣溫(℃);W為潮濕系數(shù)；Kmα、Kmβ為瀝青材料影響系數(shù)。

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(shù)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(shù)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(xù)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(xiàn)3種情況，即連續(xù)、半連續(xù)和不連續(xù)。不同的情況，路面受力狀態(tài)將會大不相同，各結構層因疲勞誘發(fā)的開裂規(guī)律，將會發(fā)生較大的變化。[4]

疲勞方程的研究方法大致分為三類：現(xiàn)象學法，即傳統(tǒng)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(guī)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)疲勞裂縫或出現(xiàn)疲勞裂縫的程度，從而對舊路施工期病害發(fā)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(qū)的環(huán)境條件為基準建立的現(xiàn)場疲勞方程為：[4]

Nf=f(t，W)×(a、εb)

(6)

式中，f(t，W)為環(huán)境影響方程；t為年平均氣溫；W為潮濕系數(shù)；a為方程系數(shù)；b為方程指數(shù)；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(shù)越大的地方，其疲勞性能越差。確定該地區(qū)濕度系數(shù)為1.3，年平均氣溫為11.4℃，此處選擇以某地區(qū)疲勞模型為基準模型，在其基礎上乘以1.1的系數(shù)，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(tài)

本項目根據(jù)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(wǎng)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(tài)主要表現(xiàn)出以下幾點：

(1)瀝青層層間狀態(tài)均表現(xiàn)出較好的連續(xù)性，未見層間接觸不良現(xiàn)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(xiàn)基層和面層分層現(xiàn)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(xiàn)較好，但依然存在層間不連續(xù)的現(xiàn)象。本文將采用面層和基層間連續(xù)、1/2連續(xù)及不連續(xù)三種層問狀態(tài)進行分析。[7]

2.4 疲勞壽命評估結果

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

表2 施工期不同層間狀態(tài)下的荷載作用次數(shù)

表3 非施工期不同層間狀態(tài)下的荷載作用次數(shù)

通過對舊路瀝青層疲勞壽命預估，表明在連續(xù)或者半連續(xù)的狀態(tài)下，施工期瀝青層層底不會由于層底拉應變過大出現(xiàn)破壞；不連續(xù)的狀態(tài)下，施工期則可能在施工19個月左右的時間出現(xiàn)瀝青層底疲勞破壞，非施工期則均>3年才會出現(xiàn)疲勞破壞；其中施工期連續(xù)狀態(tài)下，對應的作用次數(shù)遠是半連續(xù)狀態(tài)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(tài)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(xiàn)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(shù)

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(jù)路面疲勞壽命的評估，舊路底基層層底在產(chǎn)生疲勞開裂時，所需要的標準荷載次數(shù)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(shù)(施工期半剛性層底軸載作用次數(shù)為1.65×107)，表明二灰穩(wěn)定礫石土在施工期不會因?qū)拥桌瓚^大，而產(chǎn)生開裂。

表5 施工期不同層間狀態(tài)下的荷載作用次數(shù)

根據(jù)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(shù)。在基層與面層的連續(xù)狀態(tài)下，破壞所需的作用次數(shù)為實際次數(shù)的728倍；在基層與面層不連續(xù)狀態(tài)下為68倍。雖然施工期交通荷載不會對水穩(wěn)底基層產(chǎn)生疲勞開裂，但是連續(xù)狀態(tài)下底基層能夠承擔的作用次數(shù)為不連續(xù)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(chǎn)生較大損害，總體上路面狀況指數(shù)的數(shù)值僅僅降低約3個評分值。

(2) 根據(jù)維修期內(nèi)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(tài)處于連續(xù)或半連續(xù)狀態(tài)時，瀝青層底不產(chǎn)生疲勞開裂。而處于不連續(xù)的狀態(tài)時瀝青層底將在約19個月以后存在產(chǎn)生疲勞開裂的風險。

(3) 根據(jù)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(shù)。在基層與面層的連續(xù)狀態(tài)下，破壞所需的作用次數(shù)為實際次數(shù)的728倍；在基層與面層不連續(xù)狀態(tài)下為68倍。

(4)二灰砂礫層底在整個施工期間基本不產(chǎn)生層底開裂的現(xiàn)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(wěn)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(xiàn)場疲勞方程的環(huán)境影響系數(shù)[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(shù)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(yè)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