文

針對(duì)既有瀝青路面使用壽命短、養(yǎng)護(hù)效果不佳等問題，北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)在2016年中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)中，立項(xiàng)對(duì)“基于病害探查的既有道路長壽命技術(shù)及綜合管廊運(yùn)維智能管理系統(tǒng)研究”課題開展研究。研究歷時(shí)3年，參研單位包括北京市道路工程質(zhì)量監(jiān)督站、北京市市政工程研究院、北京工業(yè)大學(xué)等單位。

課題立足于1987年至今已有的30余年路面歷史數(shù)據(jù)的調(diào)查，調(diào)研了北京市17條高速公路和83條干線公路的建養(yǎng)歷史和典型病害，多特征、多維度對(duì)比分析路面性能的演變規(guī)律，系統(tǒng)研究了瀝青路面使用性能演變的不同模式和主要影響因素。筆者從理念、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方案設(shè)計(jì)、實(shí)踐應(yīng)用等方面對(duì)課題成果進(jìn)行梳理呈現(xiàn)。

“十四五”期間是全國公路行業(yè)由建設(shè)階段向養(yǎng)護(hù)階段轉(zhuǎn)型的重要時(shí)期，面臨著降低交通基礎(chǔ)設(shè)施維修成本、增強(qiáng)通行保障能力和提高運(yùn)行效率的直接壓力，解決這些問題已經(jīng)成為公路管理的基本要求和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著公路通車規(guī)模的增長和道路服務(wù)年限的增加，瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)任務(wù)日益嚴(yán)峻，主要干道逐步進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，公路養(yǎng)護(hù)市場開始加速增長。截至2019年，全國公路養(yǎng)護(hù)里程達(dá)495.31萬公里，占公路總里程的98.8%，公路養(yǎng)護(hù)公共財(cái)政支出達(dá)到832.98億元。

傳統(tǒng)的瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)年限一般為8年至10年，若按10年一個(gè)大修周期計(jì)算，全國超過80萬公里的瀝青路面中，每年將有近8萬公里需要維修養(yǎng)護(hù)。如果20%既有道路瀝青路面能延長壽命為原來的2倍，就可節(jié)約養(yǎng)護(hù)資金360億元以上，還可以減少因道路施工造成的交通擁堵，避免因修路開采石料造成的環(huán)境破壞。為此，通過合理的養(yǎng)護(hù)措施延長既有道路使用壽命具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境意義，是實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和建設(shè)交通強(qiáng)國的內(nèi)在需求。

既有道路長壽命路面理念

圖1 北京市市管普通公路大修周期及路段數(shù)分布

20世紀(jì)80年代起，北京市大規(guī)模推廣使用石灰土、石灰粉煤灰砂礫等半剛性基層，并修建現(xiàn)代意義上的瀝青混凝土路面。經(jīng)過40年的建設(shè)與發(fā)展，北京市瀝青路面呈現(xiàn)起步早、范圍廣、使用時(shí)間長等特點(diǎn)，在全國瀝青路面建設(shè)和研究中極具代表性和典型性。根據(jù)近年來北京市市管普通公路瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)資料統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。15年以上未實(shí)施結(jié)構(gòu)性大修的路段有18條，其中7條路段使用年限超過30年?？偨Y(jié)這些使用壽命超過設(shè)計(jì)年限，路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好的既有瀝青路面特征：一是路基和排水良好，二是砂礫層等底基層狀況良好，三是采用的道路材料質(zhì)量優(yōu)良，四是施工控制嚴(yán)格，五是采取了規(guī)范的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

為了總結(jié)推廣提高公路工程耐久性、延長路面使用壽命等方面的經(jīng)驗(yàn)，中國公路學(xué)會(huì)于2020年組織開展“長壽命路面獎(jiǎng)”評(píng)審活動(dòng)。經(jīng)過周密組織和嚴(yán)格評(píng)選，G2京津塘高速公路北京段、G20濟(jì)青高速公路濟(jì)南東段、G4廣深高速公路廣州至深圳段榮獲我國第一屆長壽命路面獎(jiǎng)。事實(shí)證明：設(shè)計(jì)年限15年至20年的瀝青路面，經(jīng)歷30年環(huán)境變化和交通荷載的檢驗(yàn)，路面指數(shù)PQI仍然大于85，并未出現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)性損壞，已達(dá)到長壽命路面標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)國內(nèi)外長壽命路面的共性特征和成功經(jīng)驗(yàn)，既有道路長壽命瀝青路面理念，是以結(jié)構(gòu)使用年限“翻一番”為核心，以“路基永久、基層長久、面層耐久”為目標(biāo)，在運(yùn)營10年至15年的既有道路基礎(chǔ)上，通過多指標(biāo)的檢測和分類評(píng)價(jià)，采用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或面層加鋪，將瀝青路面使用壽命延長到30年以上，實(shí)現(xiàn)既有道路的保值增值。

其關(guān)鍵技術(shù)包含四個(gè)方面：一是測得出——綜合現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)檢測出既有道路結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)；二是評(píng)得準(zhǔn)——建立既有道路結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)體系開展準(zhǔn)確評(píng)價(jià)；三是選得對(duì)——選擇的設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法能科學(xué)反映道路工作狀態(tài)；四是用得久——設(shè)計(jì)目標(biāo)能使既有道路的使用年限顯著延長。

既有道路精準(zhǔn)化檢測

通過現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)遴選出具備長壽命路面“基因”的既有道路，是實(shí)現(xiàn)既有道路長壽命的第一步。

圖2 第一屆長壽命路面獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)現(xiàn)場

圖3 IECAS 探地雷達(dá)檢測車

圖4 FWD落錘彎沉車定點(diǎn)檢測

隨著路面無損檢測技術(shù)的發(fā)展，落錘彎沉儀、路用探地雷達(dá)、路況檢測車等先進(jìn)測試儀器的出現(xiàn)，使得更詳細(xì)準(zhǔn)確地分析原有路面成為可能。從道路整體承載能力、結(jié)構(gòu)完整性、基層強(qiáng)度和剛度、路表病害等四個(gè)方面，通過無損和有損測試技術(shù)相結(jié)合，以及新興3D雷達(dá)檢測技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)既有半剛性基層結(jié)構(gòu)損傷和面層功能損傷的自動(dòng)判別，瀝青路面層位實(shí)時(shí)追蹤，降低瀝青面層厚度分析誤差，提高層間剝離、空洞等缺陷的識(shí)別精度。最終提出了集路面破損調(diào)查、探地雷達(dá)探傷、FWD彎沉盆檢測、開挖和取芯試驗(yàn)等為一體的路面結(jié)構(gòu)綜合檢測方法，二次開發(fā)了雷達(dá)檢測設(shè)備，如圖3所示。研發(fā)了基于FWD的路面損傷自動(dòng)判別技術(shù)，如圖4所示。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)多指標(biāo)評(píng)價(jià)

由于瀝青路面的損壞具有多樣性和復(fù)雜性，單一的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，需要建立多指標(biāo)的路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)體系。根據(jù)路面結(jié)構(gòu)綜合檢測方法，選取了路表病害、裂縫程度、基層材料強(qiáng)度和剛度、路面彎沉作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，新增路面結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)參數(shù)新指標(biāo)——路面損傷指數(shù)PDI、路面結(jié)構(gòu)模量Ep、層間剝離指數(shù)，輔以高速公路路面結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的面層損傷指數(shù)SDI和基層損傷指數(shù)BDI，共同構(gòu)建出定量化的既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。基于半剛性基層三階段性能演化規(guī)律和不同的瀝青路面長期性能變化規(guī)律，提出了既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況的四類分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況的四類分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過高速公路10條養(yǎng)護(hù)路段的346組數(shù)據(jù)、普通公路7條維修養(yǎng)護(hù)路段的402組數(shù)據(jù)，如圖5所示，開展了結(jié)構(gòu)狀況分類評(píng)價(jià)驗(yàn)證。高速公路既有瀝青路面無損檢測評(píng)價(jià)與鉆芯取樣的符合度達(dá)到89.88%；普通公路無損檢測評(píng)價(jià)與現(xiàn)場銑刨檢驗(yàn)的符合度達(dá)到96.02%?？傮w來看，既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以合理評(píng)價(jià)出既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可以作為既有道路長壽命路面的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

維修保養(yǎng)精細(xì)化決策

既有道路瀝青路面的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，涉及舊路性能的評(píng)價(jià)、材料的選擇、維修時(shí)機(jī)等多方面問題，目前尚無系統(tǒng)的理論研究結(jié)果。我國當(dāng)前的既有道路瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)還主要是基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。合理的路面維修保養(yǎng)方案，需要經(jīng)過既有道路的資料調(diào)查、交通綜合分析、路況演變分析、結(jié)構(gòu)狀況檢測和評(píng)價(jià)、病害診斷和對(duì)策選擇、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選等環(huán)節(jié)。基于既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況的四分類標(biāo)準(zhǔn)，在歸納總結(jié)路面維修養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了既有分類處置流程，如圖6所示。

圖5 典型路段瀝青路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)分類評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

圖6 既有道路瀝青路面分類處置流程

首先，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)綜合檢測方法精細(xì)化檢測，準(zhǔn)確分類既有道路瀝青路面。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承載力足夠，瀝青路面只存在表面病害的情況下，可以評(píng)價(jià)為A類。這種情況下，可以對(duì)既有瀝青路面進(jìn)行局部病害處理后，直接加鋪新的路面結(jié)構(gòu)層。

當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承載力足夠，但瀝青路面病害不僅限于表面病害，中下瀝青路面層也出現(xiàn)了裂縫、車轍、松散等情況，則可以將路面評(píng)價(jià)為B類。這種情況下，應(yīng)該對(duì)瀝青面層進(jìn)行局部的深度處理，開展基層疲勞損傷驗(yàn)算，并根據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)年限確定加鋪層厚度，對(duì)新鋪結(jié)構(gòu)開展安定分析，確保加鋪層不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍。

評(píng)價(jià)為C類和D類的路面，由于結(jié)構(gòu)性破壞需要恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能，即按照瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范開展設(shè)計(jì)。

技術(shù)方案定量化設(shè)計(jì)

半剛性基層材料是一種應(yīng)力敏感性材料，其疲勞曲線的斜率比瀝青混合料更為平緩。如果通過面層加厚將半剛性基層所承受的拉應(yīng)力進(jìn)一步降低，半剛性基層材料的疲勞壽命還將進(jìn)一步延長，從而減緩半剛性基層材料模量衰減對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的不利影響。在既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況分類評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)狀況較好的A類和B類路面，通過預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或面層加鋪的方式來延長路面的使用壽命。

圖7 既有道路長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)流程

基于半剛性基層的非線性疲勞損傷，通過大量半剛性基層在不同應(yīng)力水平下的疲勞試驗(yàn)，獲得以模量變量表征的疲勞損傷因子表達(dá)式，從而建立基層模量的非線性衰減模型。以基層疲勞損傷和加鋪結(jié)構(gòu)永久變形為設(shè)計(jì)指標(biāo)，以舊路模量確定為關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，建立既有道路長壽命路面設(shè)計(jì)流程，如圖7所示，開展定量化的長壽命路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)。按照結(jié)構(gòu)壽命匹配的理念，應(yīng)通過增加瀝青層厚度、變化層位及更換材料來調(diào)整各結(jié)構(gòu)層間的壽命匹配，使之達(dá)到最合理、最經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，從而使維修后的結(jié)構(gòu)滿足長壽命路面要求。

既有道路長壽命瀝青路面實(shí)踐

北京順密路建于1992年，日均交通量3萬輛次，客貨車比例達(dá)15%。原有路面結(jié)構(gòu)為6厘米瀝青混合料+18厘米二灰穩(wěn)定砂礫+18厘米石灰土。2006年，舊路加鋪一層4厘米瀝青混合料。2014年的路面大修工程中將k13+000～k14+000路段左幅，作為既有道路長壽命路面的試驗(yàn)路段。采用既有瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況綜合檢測方法開展檢測，試驗(yàn)路結(jié)構(gòu)狀況分類評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示。

如表2所示，前500米既有瀝青路面狀況評(píng)定為B類，可通過保留原有路面基層，銑刨老化瀝青混合料加鋪新的瀝青路面結(jié)構(gòu)層，實(shí)現(xiàn)路面使用壽命的延長。后500米路面狀況評(píng)定為A類，可全部保留原瀝青面層，通過拉毛后加鋪適當(dāng)厚度的瀝青面層，延長既有道路使用年限。

表3 半剛性基層模量取值計(jì)算結(jié)果

圖8 既有道路長壽命試驗(yàn)段與普通路段結(jié)構(gòu)與材料對(duì)比

表4 不同路面結(jié)構(gòu)組合的力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

通過試驗(yàn)路段鉆芯取樣和FWD彎沉盆模量反算，可以獲得既有道路半剛性基層模量，計(jì)算基層模量代表值。依據(jù)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算舊路半剛性基層的疲勞壽命，并計(jì)算基于損傷度的累計(jì)當(dāng)量軸次。通過歷年實(shí)測交通狀況，計(jì)算基于交通統(tǒng)計(jì)的累計(jì)當(dāng)量軸次。對(duì)比確定設(shè)計(jì)用半剛性基層模量取值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)路段2014年日平均當(dāng)量軸次為5318次，設(shè)計(jì)年限取20年，考慮沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展及歷年的交通量增長規(guī)律，設(shè)計(jì)年限交通量的平均年增長率取5%，該試驗(yàn)路的設(shè)計(jì)期累計(jì)當(dāng)量軸次約6400萬次。借鑒長壽命路面按功能層位選取瀝青混合料的思想，基于瀝青路面受力特征，擬定試驗(yàn)段的路面結(jié)構(gòu)組合。試驗(yàn)段及普通路段結(jié)構(gòu)和材料組合如圖8所示。不同路面結(jié)構(gòu)組合的力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖9 試驗(yàn)路混合料質(zhì)量監(jiān)測

圖10 應(yīng)變傳感器布設(shè)

試驗(yàn)路建設(shè)過程中開展了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，如圖9所示。同時(shí)，在試驗(yàn)路埋設(shè)瀝青應(yīng)變傳感器，如圖10所示，長期監(jiān)測加鋪結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；試驗(yàn)路建成以后，利用自動(dòng)彎沉車每年檢測試驗(yàn)路和普通路段的彎沉變化。如圖11所示，為典型的瀝青應(yīng)變計(jì)監(jiān)測情況，其中，左圖為A類路面瀝青層底典型應(yīng)變，右圖為B類路面瀝青層底典型應(yīng)變，監(jiān)測結(jié)果符合力學(xué)分析計(jì)算值。

如圖12所示，為豎向應(yīng)變傳感器監(jiān)測到的最大豎向應(yīng)變變化規(guī)律?？梢钥闯觯瑸r青路面結(jié)構(gòu)的永久變形在路面鋪筑后存在明顯的快速增長階段，該階段受外界溫度影響較小，主要反映了交通荷載對(duì)瀝青混合料的壓密作用過程。經(jīng)過8個(gè)月的快速增長后，永久變形迅速趨于穩(wěn)定，永久變形總量緩慢增長，部分階段存在較大的波動(dòng)。夏季和秋季的變形增長較快，但冬季又會(huì)出現(xiàn)少量的變形恢復(fù)，反映了瀝青混合料的溫度敏感性特征。從3年的豎向應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，加鋪層永久變形速率逐漸減小，已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 瀝青層底應(yīng)變監(jiān)測情況

圖12 最大豎向變形監(jiān)測情況

圖13 試驗(yàn)段與普通路段的代表彎沉發(fā)展趨勢

如圖13所示，為2014年至2020年試驗(yàn)路段和普通路段代表彎沉值的對(duì)比圖。相對(duì)于普通路段，試驗(yàn)路段的代表彎沉值變化速率更小，其代表彎沉由通車時(shí)的9.1(0.01毫米)增加到2020年的14.7(0.01毫米)。同時(shí)，試驗(yàn)段的彎沉增加量也在逐年降低，2020年代表彎沉僅比2019年增大了0.2(0.01毫米)，說明試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)性能已趨于穩(wěn)定。普通路段經(jīng)過4年使用運(yùn)營后，路表已出現(xiàn)開裂和車轍，在2018年進(jìn)行了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，實(shí)測代表彎沉有所下降。

同時(shí)，如圖14所示，從4年的車轍情況來看，試驗(yàn)路段基本無車轍，而普通路段使用3年后已出現(xiàn)明顯車轍，最大車轍深度達(dá)12毫米。說明優(yōu)質(zhì)的材料與合理的結(jié)構(gòu)組合，能夠極大地減小加鋪的厚瀝青面層出現(xiàn)永久變形的風(fēng)險(xiǎn)。

既有道路長壽命路面的目標(biāo)，與交通強(qiáng)國目標(biāo)一致。路面結(jié)構(gòu)壽命“翻一番”是更普遍的、第一階段目標(biāo)。推行長壽命路面理念并不復(fù)雜，更不神秘。除了要考慮公路政策、地域環(huán)境、氣候條件、建設(shè)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等因素以外，長壽命路面的基礎(chǔ)是材料生產(chǎn)和施工質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化及相對(duì)穩(wěn)定。是一個(gè)在嚴(yán)肅的政策、嚴(yán)密的理論、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟襟E保證下的完整體系，既有道路長壽命路面技術(shù)應(yīng)考慮路面結(jié)構(gòu)和材料組合，按照結(jié)構(gòu)壽命匹配，應(yīng)通過改變?yōu)r青層功能、變化層位、更換材料，來實(shí)現(xiàn)長壽命目標(biāo)。

圖14 試驗(yàn)路段與普通路段的車轍對(duì)比