林江濤，樊 亮，閆 晨

(1.山東省交通科學(xué)研究院山東省道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250001；2.山東高速股份有限公司，濟(jì)南 250101)

截至2019年年底，中國高速公路里程近15×104km，為了保持高速公路服務(wù)水平，每年都要投入巨額的養(yǎng)護(hù)資金。路面破損指標(biāo)是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，它包含裂縫在內(nèi)的4大類、24種病害[1]，路面破損狀況指數(shù)(pavement condition index，PCI)則是對路面破碎指標(biāo)綜合體現(xiàn)。路面破損綜合反映了路面技術(shù)狀況，是確定養(yǎng)護(hù)方式的主要依據(jù)之一，也是確定養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與措施的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

眾多研究者對相關(guān)路面破損進(jìn)行了大量的研究。李小川[2]利用路面PCI等指標(biāo)對路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)指標(biāo)與決策進(jìn)行了論述；李偉等[3]基于3D數(shù)據(jù)和雙尺度聚類算法對路面破碎(裂縫)進(jìn)行檢測；李清泉等[4]利用高精度三維測量技術(shù)進(jìn)行路面破損檢測；李其軒等[5]分別利用蒙特卡洛檢驗(yàn)方法對路面破損面積提取方法進(jìn)行了修正；李莉等[6]、柯文豪等[7]分別提出了適于路面破損圖像處理的邊緣檢測方法及基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)瀝青路面裂縫預(yù)測方法；覃瀟等[8]則對多場耦合下路面混凝土細(xì)觀裂縫的演化規(guī)律進(jìn)行了研究。但是總體來看，前人研究多是對路面破損數(shù)據(jù)采集方法、病害嚴(yán)重程度及細(xì)觀評價(jià)方法的研究，對于路面宏觀病害發(fā)展規(guī)律、趨勢與PCI指標(biāo)并沒有建立起有效聯(lián)系；同時(shí)，中國高速公路主要的瀝青路面基層結(jié)構(gòu)形式為半剛性、復(fù)合基層。眾多研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[9-10]，由于復(fù)合基層中柔性基層的存在，兩種基層類型結(jié)構(gòu)材料、應(yīng)力響應(yīng)等都不同，路面病害表現(xiàn)形式及損害機(jī)理方面都有巨大差異，但是針對兩種基層類型路面破損指標(biāo)演變規(guī)律的對比研究少。

現(xiàn)有路面破損數(shù)據(jù)已經(jīng)很豐富，但現(xiàn)有描述性指標(biāo)卻相對匱乏，致使龐大的病害數(shù)據(jù)利用單一，這造成目前路面養(yǎng)護(hù)缺乏計(jì)劃性、主動性，造成大量養(yǎng)護(hù)資金的損失。因此，將通過對不同基層類型作為研究分析對象，通過對半剛性、復(fù)合基層路面破損數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總，結(jié)合PCI指標(biāo)，發(fā)掘其他有益指標(biāo)及規(guī)律，尋找不同基層路面類型病害發(fā)展趨勢的異同，有效確定養(yǎng)護(hù)維修的最佳時(shí)機(jī)，為高速公路路面科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)來源

采集數(shù)據(jù)路面包括山東省境內(nèi)G2京滬高速、G3京臺高速、G3W德上高速及G2001濟(jì)南繞城高速等11條高速公路，按照分車道進(jìn)行里程計(jì)算，共計(jì)5 244.0 km。由于采集數(shù)據(jù)所涉及高速公路路面里程相對較長，通車年限不一，路面養(yǎng)護(hù)史復(fù)雜，甚至部分統(tǒng)計(jì)路面已經(jīng)改變了原來的路面基層結(jié)構(gòu)層形式，但是整體來看，所統(tǒng)計(jì)路段養(yǎng)護(hù)維修時(shí)對路面基層處理程度、面積有限，因此所統(tǒng)計(jì)路段基本保持了原有路面結(jié)構(gòu)形式。同一基層類型中的各個層位厚度、級配類型都有所差異，但是基本的結(jié)構(gòu)形式基本類似，表1為統(tǒng)計(jì)路面典型路面結(jié)構(gòu)，其中SMA-13表示最大公稱粒徑為13 mm的瀝青瑪碲脂碎石混合料，AC-20、AC-25分別表示最大公稱粒徑為20、25 mm的密實(shí)瀝青混凝土混合料，LSPM-30表示最大公稱粒徑為30 mm的大粒徑透水性瀝青混合料。

表1 典型路面結(jié)構(gòu)

2 路面破損衍生指標(biāo)

2.1 指標(biāo)定義

路面損壞狀況指數(shù)(pavement condition index, PCI)表示路面完好程度的指數(shù)，按照現(xiàn)行公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的瀝青路面的PCI計(jì)算公式如式(1)所示:

PCI=100-15DR0.412

(1)

式(1)中：DR為路面破損率，是各種病害的折合損害面積之和與路面調(diào)查總面積的百分比。

現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對瀝青路面病害的類型及嚴(yán)重程度已經(jīng)做了分類，因此在此基礎(chǔ)上對病害種類數(shù)量及普及范圍數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的病害種類總計(jì)為24種。統(tǒng)計(jì)的方法如下：將不同種類病害作為橫列，用i表示(i=1，2，…，24)；對符合PCI統(tǒng)計(jì)范圍的百米段進(jìn)行編號并作為縱列，用j表示(j=1，2，…，N)；若在某100 m路段內(nèi)，若發(fā)生某種病害則將其數(shù)據(jù)計(jì)為1，若沒有出現(xiàn)此病害則計(jì)為0，該數(shù)據(jù)記為dij。

(2)

(3)

(4)

2.2 基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果

山東高速公路路面PCI指標(biāo)低于70的路段極少，同時(shí)當(dāng)路面PCI為100時(shí)，沒有路面病害發(fā)生，因此PCI統(tǒng)計(jì)范圍為[70,100)，劃分為6個統(tǒng)計(jì)單元，分別為[70,75)、[75,80)、[80,85)、[85,90)、[90,95)及[95,100)，統(tǒng)計(jì)分析所用PCI數(shù)據(jù)均為100 m檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

2.3 結(jié)果分析

按照2.1節(jié)中定義的3個關(guān)于路面破損衍生指標(biāo)，將表2、表3數(shù)據(jù)按照式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算，得到路面病害覆蓋率DCI1、貢獻(xiàn)率DCI2。需要說明的是，由于統(tǒng)計(jì)的路面病害中，部分病害數(shù)量數(shù)據(jù)基本為零，因此在下圖中未進(jìn)行體現(xiàn)，最終結(jié)果如圖1所示。

表3 復(fù)合基層路面病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 半剛性基層路面病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖1(a)、圖1(b)可知：①兩種不同類型基層路面病害種類覆蓋率DCI1占據(jù)絕對位置的均是橫裂修補(bǔ)、縱裂修補(bǔ)、縱向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)4種病害，其他類型病害相對較少；②當(dāng)PCI統(tǒng)計(jì)范圍為[80，85)，半剛性基層路面橫裂修補(bǔ)、縱裂修補(bǔ)、縱向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)4種主要病害的覆蓋率DCI1基本相當(dāng)，并且在該區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，即路面主要病害貢獻(xiàn)率DCI2由橫裂修補(bǔ)、縱裂修補(bǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)，在相對應(yīng)PCI統(tǒng)計(jì)范圍下復(fù)合基層路面沒有表現(xiàn)出上述現(xiàn)象。由圖1(c)、圖1(d)可知：①兩種基層路面病害貢獻(xiàn)率DCI2最大均是橫裂修補(bǔ)、縱裂修補(bǔ)、橫向裂縫(輕)、縱向裂縫(輕)4種病害，其他類型病害貢獻(xiàn)率相對較小；②當(dāng)PCI統(tǒng)計(jì)范圍處于[80，85)時(shí)，半剛性基層路面橫裂修補(bǔ)、縱裂修補(bǔ)、縱向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)4種主要病害的貢獻(xiàn)率DCI2達(dá)到一致，并且在該區(qū)間內(nèi)開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，即路面主要病害由橫裂修補(bǔ)、縱裂修補(bǔ)開始轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)，復(fù)合基層路面沒有表現(xiàn)出上述規(guī)律。

圖1 路面病害相關(guān)衍生指標(biāo)分析

圖2 路面平均病害種類

表4 平均病害種類與PCI值域代表值關(guān)系

為進(jìn)一步分析半剛性、復(fù)合基層主要路面病害的演變情況，將上述三項(xiàng)衍生指標(biāo)變化率進(jìn)行了計(jì)算，需要指出部分病害覆蓋率、貢獻(xiàn)率極小且造成統(tǒng)計(jì)分析的巨大波動，對于此部分?jǐn)?shù)據(jù)不予進(jìn)行匯總，最后結(jié)果如圖3所示。結(jié)合圖3數(shù)據(jù)結(jié)果，將復(fù)合、半剛性基層路面破損類病害發(fā)展分析如下。

圖3 路面破損衍生指標(biāo)變化率

(1)階段Ⅰ，PCI統(tǒng)計(jì)范圍為[90，95)：路面病害以橫向裂縫(輕)及相應(yīng)修補(bǔ)為主，裂縫種類、覆蓋率迅速擴(kuò)展，半剛性、復(fù)合基層路面平均病害種類由1.2、1.3提高到1.9、2.0，增加幅度為65.7%、53.7%；半剛性基層路面橫、縱向裂縫覆蓋率分別提高了313.3%、586.7%；復(fù)合基層橫、縱向裂縫覆蓋率分別提高了194.3%、317.2%，此階段半剛性基層路面主要病害的覆蓋率變化率明顯高于復(fù)合基層路面，表明半剛性基層路面裂縫發(fā)展速度明顯高于復(fù)合基層。

(2)階段Ⅱ，PCI統(tǒng)計(jì)范圍為[85，90)：半剛性基層路面橫向裂縫(重)、縱向裂縫(重)病害覆蓋率分別提高了342.2%、607.3%，即相對嚴(yán)重病害路面覆蓋率迅速提高；對于復(fù)合基層來講，縱向裂縫(重)覆蓋率顯著提高，提高幅度為382.9%，但是橫向裂縫(重)基本變化幅度不大，與[90，95)維持相當(dāng)?shù)乃?。結(jié)果表明復(fù)合基層路面與半剛性基層路面的不同，即復(fù)合基層路面出現(xiàn)嚴(yán)重橫向裂縫的階段明顯晚于半剛性基層路面。同時(shí)，半剛性、復(fù)合基層路面的縱向裂縫(輕)覆蓋率、貢獻(xiàn)率均超過橫向裂縫(輕)所對應(yīng)指標(biāo)，此階段是復(fù)合基層路面縱向裂縫(包括輕、重)發(fā)展最迅速階段，該種形式的裂縫多為行車荷載作用導(dǎo)致的疲勞開裂。

(3)階段Ⅲ，PCI統(tǒng)計(jì)范圍為[80，85)：半剛性基層橫向、縱向裂縫(輕)及相應(yīng)修補(bǔ)覆蓋率、貢獻(xiàn)率在該階段達(dá)到一致，裂縫的未修補(bǔ)量開始超過裂縫的修補(bǔ)量；嚴(yán)重病害種類進(jìn)一步提高，橫、縱向裂縫(重)、塊狀裂縫覆蓋率分別提高了82.5%、95.1%、221.5%，路面開始出現(xiàn)加速破壞的趨勢；路面破損數(shù)據(jù)體現(xiàn)的只是路面表層病害程度，對路面的深層次損傷不能有效表征，大量取芯試驗(yàn)及雷達(dá)檢測表明，半剛性基層該階段路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)性損傷發(fā)展嚴(yán)重，路面表面的養(yǎng)護(hù)處置方式已經(jīng)不能有效發(fā)揮作用，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)性的養(yǎng)護(hù)。復(fù)合基層路面縱向裂縫(輕)、橫向裂縫修補(bǔ)、縱向裂縫修補(bǔ)覆蓋率、貢獻(xiàn)率在該階段達(dá)到一致，但是橫向裂縫(輕)的覆蓋率、貢獻(xiàn)率始終低于上述指標(biāo)；但是橫向裂縫(重)、縱向裂縫(重)在此階段是明顯加速發(fā)展，尤其是橫向裂縫(重)病害，覆蓋率提高了404.6%，此階段溫度應(yīng)力或基層反射應(yīng)力都是可能原因。

(4)階段Ⅳ，PCI統(tǒng)計(jì)范圍為[75，80)：路面破損嚴(yán)重，半剛性基層路面裂縫的未修補(bǔ)量已經(jīng)明顯高于裂縫的修補(bǔ)量，這表明日常修補(bǔ)、封縫養(yǎng)護(hù)措施遠(yuǎn)不及裂縫的出現(xiàn)速率，復(fù)合基層路面塊狀裂縫出現(xiàn)速率明顯提升。按照現(xiàn)行養(yǎng)護(hù)評定標(biāo)準(zhǔn)，此階段路面技術(shù)狀況達(dá)到中，路面達(dá)到中修標(biāo)準(zhǔn)。

(5)階段Ⅴ，PCI統(tǒng)計(jì)范圍為[70，75)：半剛性基層路面各種病害覆蓋率、貢獻(xiàn)率變化率明顯下降，但是塊狀裂縫、橫向裂縫(重)、縱向裂縫(重)擴(kuò)展速度仍相對較高，病害程度持續(xù)增加；復(fù)合基層各項(xiàng)病害覆蓋率變化率明顯下降，但是病害程度持續(xù)增加。

結(jié)合圖3對描述數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，將技術(shù)狀況評定為良以上路面病害發(fā)展趨勢的階段代表進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果如表5所示。

表5 病害發(fā)展主要趨勢

分析認(rèn)為復(fù)合、半剛性基層路面的主要病害類型均是裂縫及相應(yīng)修補(bǔ)，不同時(shí)期裂縫類病害對路面破損的貢獻(xiàn)率平均達(dá)到91.7%，并且病害發(fā)展規(guī)律基本一致，首先是橫向、縱向微裂縫快速擴(kuò)展，然后是橫、縱向裂縫(重)的迅速擴(kuò)展，最后是塊狀裂縫等綜合裂縫的快速擴(kuò)展；但是，每個階段兩種路面類型也表現(xiàn)出明顯不同，半剛性基層早期微裂縫的擴(kuò)展速度明顯高于復(fù)合基層路面，兩種路面類型的縱向裂縫(重)病害發(fā)展最迅速階段出現(xiàn)于同一時(shí)期，但是相較于半剛性基層，復(fù)合基層將橫向裂縫(重)、塊狀裂縫發(fā)展最迅速階段推后了一個階段，這實(shí)際表明復(fù)合基層路面比半剛性基層路面擁有更好的養(yǎng)護(hù)彈性。

造成復(fù)合層、半剛性基層路面病害發(fā)展差異的深層次原因在于半剛性基層與復(fù)合基層路面材料結(jié)構(gòu)及力學(xué)響應(yīng)上的巨大差異，即使不同高速公路路面半剛性、復(fù)合基層路面具體采用的結(jié)構(gòu)、材料及級配存在個體差異，但不同基層類型的差異與同基層類型間的個體差異相比，在整體病害規(guī)律演變方面可暫不考慮。綜上，從整體來看，可以根據(jù)基層路面的類型及病害發(fā)展規(guī)律選擇相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)策略、措施進(jìn)行病害的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，即在某種病害大面積出現(xiàn)前提前介入，養(yǎng)護(hù)應(yīng)該防治結(jié)合，以防為第一選擇，治作為第二選擇，根據(jù)裂縫類型、成因及發(fā)展階段采取針對性養(yǎng)護(hù)措施。一般的當(dāng)路面PCI處于表5所述范圍時(shí)，對于輕微裂縫的防治可以采用霧封層等技術(shù)進(jìn)行處置；對于橫、縱向(重)裂縫可以采用微表處、薄層罩面等養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行防治；當(dāng)病害進(jìn)一步擴(kuò)展至塊狀裂縫發(fā)展迅速階段，可采取就地?zé)嵩偕瑞B(yǎng)護(hù)技術(shù)。

需要指出的是，路面病害的成因，同一表現(xiàn)形式的病害可能的成因會千差萬別，破損類病害同時(shí)伴隨其他類型病害，因此路面養(yǎng)護(hù)還需要具體病害具體分析，根據(jù)實(shí)際情況采取合適的養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)路面。所給出的是基于山東路網(wǎng)級路面破損數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，下一步需要對該數(shù)據(jù)體現(xiàn)的規(guī)律及應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)體工程的有效性驗(yàn)證。

3 結(jié)論

(1)半剛性、復(fù)合基層路面病害覆蓋率、貢獻(xiàn)率均以裂縫類范疇病害占據(jù)主導(dǎo)地位，不同時(shí)期裂縫類病害對路面破損的貢獻(xiàn)率平均達(dá)到91.7%，其他病害種類相對較小或極??；路面平均病害種類與PCI區(qū)間代表值具有良好的線性關(guān)系。

(2)當(dāng)PCI指標(biāo)處于[90，95)時(shí)，半剛性、復(fù)合基層均是橫向、縱向輕微裂縫及病害種類發(fā)展最迅速階段；當(dāng)PCI指標(biāo)處于[85，90)時(shí)，半剛性基層橫向、縱向嚴(yán)重裂縫發(fā)展最迅速，復(fù)合基層縱向嚴(yán)重裂縫發(fā)展最迅速；當(dāng)PCI指標(biāo)處于[80，85)時(shí)，半剛性基層路面未處置裂縫的覆蓋率、貢獻(xiàn)率開始超過裂縫修補(bǔ)，養(yǎng)護(hù)方式出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折；復(fù)合基層路面此階段橫向裂縫(重)發(fā)展最迅速。

(3)相較于半剛性基層，復(fù)合基層將橫向裂縫(重)、塊狀裂縫發(fā)展最迅速階段推后了一段時(shí)期，這表明復(fù)合基層路面比半剛性基層路面具有更好的養(yǎng)護(hù)彈性；路面養(yǎng)護(hù)策略、措施的選擇，宏觀上應(yīng)該根據(jù)不基層類型及路面病害在不同時(shí)期的演變規(guī)律進(jìn)行選擇。