超長服役期瀝青路面內(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)自身問題[1-3].但是對于道路而言，路面結(jié)構(gòu)荷載、環(huán)境因素千差萬別，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)營期也不會發(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)營期也可能產(chǎn)生嚴(yán)重的病害[6-7].對于道路實(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].文中通過分析超長服役期路面內(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27年的某高速公路，原設(shè)計(jì)交通量為5.5萬pcu/d，現(xiàn)狀交通量約為12.3萬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)營至今只進(jìn)行過一次整體性罩面養(yǎng)護(hù)，常規(guī)養(yǎng)護(hù)措施均為淺層銑刨重鋪，從未開展過深層病害處理，這為超長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，開展路面內(nèi)部損傷探測，分析瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷在超長服役狀況下的發(fā)展規(guī)律.

該路基段落全長為72 km，采用三維探地雷達(dá)開展路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷探測，探測范圍覆蓋50%路基段落，以硬路肩、慢車道、主車道為主，一共探測132 km車道，檢測段落隨機(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)表征檢測范圍內(nèi)裂縫分布情況，計(jì)算見式(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.探測范圍內(nèi)存在合計(jì)長度為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)上述探測結(jié)果可知：在超長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車輛荷載作用的硬路肩低，分析主要原因?yàn)橛猜芳缭跓o側(cè)向支擋作用下，邊部自然沉降，存在側(cè)傾拉裂趨勢；或者由于邊部壓實(shí)度不足，運(yùn)營期間自然沉降導(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

將同一斷面中同時探測硬路肩、慢車道與主車道的橫向裂縫率見圖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.可見硬路肩外部環(huán)境對于橫向開裂的影響與交通荷載對于主車道橫向開裂的影響基本一致,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?，未?jīng)過長時間自然沉降，在超長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服役期間也無法反射至路表.

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，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.