孫健、孔維臻

（廣東華美加工程顧問有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概況

廣州至河源高速公路惠州段，起點(diǎn)樁號(hào)K69+667.472，終點(diǎn)樁號(hào)K144+245，路線全長(zhǎng)75.34km，至2023 年通車已有11 年，其路面結(jié)構(gòu)為倒裝式柔性基層結(jié)構(gòu)。全線采用雙向六車道瀝青混凝土路面，路基寬度34.5m，設(shè)計(jì)行車速度為120km/h。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用倒裝式柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計(jì)車輛荷載：公路-I 級(jí)。于2012 年1 月10 日建成通車。

2 路面使用狀況分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2021 年7 月，廣東華美加工程顧問有限公司對(duì)廣河高速惠州段廣州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營(yíng)期樁號(hào)K128+644—K130+144）段路面進(jìn)行路面常規(guī)檢測(cè)，路面彎沉檢測(cè)采用落錘式彎沉儀。

采用落錘式彎沉儀對(duì)廣州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三車道進(jìn)行檢測(cè)，河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營(yíng)期樁號(hào)K128+644—K130+144）段第一、二、三車道的路面彎沉值進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1 所列。

表1 路面彎沉及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI 評(píng)價(jià)結(jié)果匯總

由表1 可知，檢測(cè)路段存在以下問題：

一是河源方向檢測(cè)路段第三車道彎沉值整體上大于廣州方向第三車道的彎沉值，說明河源方向第三車道檢測(cè)路段的路面強(qiáng)度更弱，路面更易發(fā)生損壞。二是廣州方向K106+500—K107+500 路段的彎沉代表值為28.20（0.01mm），廣州方向K126+550—K18+050（運(yùn)營(yíng)期樁號(hào)K128+644—K130+144）路段的彎沉代表值為29.54（0.01mm），接近路面設(shè)計(jì)彎沉值，道路儲(chǔ)備強(qiáng)度不足。三是河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營(yíng)期樁號(hào)K128+644—K130+144）路段的彎沉代表值為31.50（0.01mm），彎沉較大，超出路面設(shè)計(jì)彎沉值，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯不足。

2.2 路面損壞狀況

路面狀況采用多功能道路檢測(cè)車檢測(cè)，利用視覺傳感器，對(duì)路面病害進(jìn)行掃描。路面病害主要是縱向裂縫及橫向裂縫，另外有少量龜裂、坑槽和松散，路面損壞典型照片如圖1、圖2 所示。

圖1 裂縫、龜裂

圖2 松散、龜裂坑槽

經(jīng)檢測(cè)和調(diào)查，按公里劃分的各區(qū)間段病害數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和等級(jí)評(píng)定，路面病害形式主要有：裂縫、龜裂、松散、坑槽，雖然病害種類多樣，但路面PCI 評(píng)價(jià)大部分在92 以上，評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)，沒有評(píng)價(jià)為良及其以下路段。

2.3 探地雷達(dá)檢測(cè)分析

3D 探地雷達(dá)（Ground Penertrating Radar—GPR）工程探測(cè)屬于一種高頻微電子及計(jì)算機(jī)綜合應(yīng)用的前沿技術(shù)，特別是近代計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，使得該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程探測(cè)?？梢詫⒙访嫔顚哟嬖诘拿摽?、松散、裂縫類型直觀地反映出來，對(duì)彎沉較大疑似脫空的位置進(jìn)行復(fù)核、驗(yàn)證。

在對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)右幅第三車道彎沉值總體偏大，存在疑似脫空及松散的情況，具體路段彎沉值如圖3 所示。

圖3 河源方向K127+246—K127+478 第三車彎沉值

由圖3 可知，該路段已有多處位置彎沉超過30（0.01mm）的設(shè)計(jì)值。利用3D 探地雷達(dá)對(duì)該路段進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)河源方向K127+246—K127+478 第三車道基層存在沉降、脫空及松散的情況，較為典型位置如圖4、圖5 所示。

圖4 河源方向K127+246—K127+478 第三車道雷達(dá)影像截圖

圖5 河源方向K127+560—K127+562 第三車道雷達(dá)影像截圖

由圖4 可知，在黑色加粗方框（原圖是紅色方框）范圍內(nèi)，路面10～50cm 之間，出現(xiàn)不規(guī)則波浪形曲線，究其原因是基層的不均勻沉降，引起路面脫空。3D 雷達(dá)的掃描結(jié)果基本與彎沉值呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由5 可知，河源方向K127+560—K127+562 第三車上面層總體狀況良好，但在路表下50cm 處，黑色豎向加粗方框（原圖是紅色框）存在內(nèi)部脫空情況，同時(shí)也印證了彎沉的檢測(cè)結(jié)果，找到該路段彎沉較大的真實(shí)原因，為下一步病害處治手段選擇提供重要參考。

綜合利用落錘式彎沉儀及3D 探地雷達(dá)，對(duì)廣州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三車道，河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營(yíng)期樁號(hào)K128+644—K130+144）段第一、二、三車道的路面進(jìn)行3D 雷達(dá)掃描，并結(jié)合彎沉檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)路面病害呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

其一，河源方向的K126+550—K128+050 路段彎沉和內(nèi)部病害都遠(yuǎn)大于廣州方向K106+500—K107+500 路段，且均為第三車道病害較為突出。因其長(zhǎng)期受車輛重載的作用，彎沉也較大。

其二，基層出現(xiàn)前后基層沉降及脫空和局部松散的路段，落錘式彎沉儀檢測(cè)出的彎沉較大，基層的結(jié)構(gòu)承載能力不足，以河源方向樁號(hào)為K127+264—K127+478 的第三車道較為明顯，路面基層內(nèi)部脫空和沉降較為嚴(yán)重[1]。

其三，面層裂縫及面層修補(bǔ)的路段，檢測(cè)出的彎沉值較小，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部病害的出現(xiàn)對(duì)路面彎沉造成不利影響[2]。

綜上所述，廣州方向K106+500—K107+500 與河源方向K126+550—K128+050 路段面層整體使用性能良好，基層存在一些內(nèi)部的沉降及脫空病害，結(jié)構(gòu)承載能力降低[3]。對(duì)于彎沉較大且基層強(qiáng)度明顯不足或病害較為嚴(yán)重的路段，應(yīng)采取一定的養(yǎng)護(hù)措施及時(shí)處治，提升路面的行駛質(zhì)量。如果不及時(shí)處治將進(jìn)一步加重路面的變形和車轍問題，影響行車舒適性和安全性。

2.4 有限元分析

結(jié)合彎沉反算的應(yīng)力應(yīng)變，利用有限元對(duì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的瀝青路面進(jìn)行分析，圖6 為荷載中心位置下豎向壓應(yīng)變隨深度的變化曲線，表2 為其各個(gè)層位對(duì)應(yīng)的豎向壓應(yīng)變大小。

圖6 荷載中心位置下豎向壓應(yīng)變隨深度的變化曲線

表2 倒裝式柔性基層瀝青路面不同深度處壓應(yīng)變大小

由表2 及圖6 可知：

一是豎向壓應(yīng)變?cè)谏厦鎸觾?nèi)先增加到最大值而后逐漸減小，在水泥穩(wěn)定碎石底基層時(shí)壓應(yīng)變有所增大。二是不同的顏色區(qū)域代表壓應(yīng)變值的大小，壓應(yīng)變隨著深度的增加而減小，倒裝式柔性基層瀝青路面的應(yīng)變分布較為均勻。三是倒裝式柔性基層瀝青路面的上、中、下面層壓應(yīng)變?cè)诤奢d作用范圍內(nèi)隨著與輪隙中心距離的縮減，先減小后增大，在荷載作用中心附近達(dá)到最大。四是上、下、底基層壓應(yīng)變?cè)诤奢d作用范圍內(nèi)隨著與輪隙中心距離的縮減逐漸減小，在輪隙中心附近達(dá)到最大。土基頂面最大豎向壓應(yīng)變?yōu)?22.873με，壓應(yīng)變較大原因在于倒裝式柔性基層結(jié)構(gòu)在荷載作用下承載能力較低，容易發(fā)生協(xié)同變形，產(chǎn)生車轍損害[4]。

2.5 路面使用狀況綜合分析

針對(duì)廣河高速惠州段廣州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050 路段路面進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)、專項(xiàng)檢測(cè)及有限元分析，由檢測(cè)結(jié)果分析可知：

一是檢測(cè)路段路面的功能性指標(biāo)良好，如路面破損、車轍及平整度；而路面的結(jié)構(gòu)承載能力出現(xiàn)不足。河源方向路段的代表彎沉過大，已不滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求[5]；廣州方向路段的代表彎沉雖滿足設(shè)計(jì)要求，但已接近設(shè)計(jì)臨界值，且目前距道路設(shè)計(jì)年限仍有較長(zhǎng)時(shí)間。從剩余壽命角度考慮，也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，延長(zhǎng)其使用壽命。二是3D 雷達(dá)檢測(cè)表明河源方向有內(nèi)部病害的路段較多，占檢測(cè)里程的23.6%，廣州方向路段良好，占檢測(cè)里程的4.5%。病害類型主要為面層的裂縫、坑槽及修補(bǔ)問題和基層的沉降、脫空、局部松散問題。三是雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與彎沉對(duì)比發(fā)現(xiàn)對(duì)于路面內(nèi)部脫空和基層沉降等內(nèi)部病害較為嚴(yán)重的路段，結(jié)構(gòu)承載能力降低，彎沉較大。整體來說此次檢測(cè)路段的路面基層脫空病害較少。

3 路面綜合處治方案確定

廣州方向K106+500—K107+500 彎沉代表值為28.2（0.01mm），廣州方向K126+550—K128+050 彎沉代表值為 29.54（0.01mm），與設(shè)計(jì)彎沉值 30（0.01mm）相近，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度處于臨界狀態(tài)。為了提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，考慮在路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，采用直接加鋪罩面方案。

河源方向采用直接加鋪罩面方案。河源方向K126+550—K128+050 彎沉代表值為 31.50（0.01mm），超出路面設(shè)計(jì)彎沉值30（0.01mm），且部分路段存在內(nèi)部脫空，結(jié)構(gòu)承載能力明顯不足，提出采用加鋪結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層的處治方案。

除采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層的養(yǎng)護(hù)方法外，針對(duì)3D 雷達(dá)探測(cè)出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的位置，重點(diǎn)對(duì)河源方向建議采用注漿補(bǔ)強(qiáng)與加鋪罩面相結(jié)合的綜合處治方法，對(duì)級(jí)配碎石層到路基均進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，提高路面結(jié)構(gòu)整體承載能力。注漿補(bǔ)強(qiáng)主要集中在級(jí)配碎石層及水穩(wěn)層。由于注漿補(bǔ)強(qiáng)后提高了基層剛度，理論上更易產(chǎn)生反射裂縫。

加鋪厚度的確定：

結(jié)合路面彎沉實(shí)測(cè)值，對(duì)原路面結(jié)構(gòu)層材料模量進(jìn)行試算，使得路面結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)彎沉代表值與計(jì)算彎沉值相接近，表明此時(shí)試算的結(jié)構(gòu)層材料模量與實(shí)際結(jié)構(gòu)層材料的模量相接近。此次路面結(jié)構(gòu)層材料模量試算僅考慮瀝青碎石上基層及以上面層材料模量的衰變，采用HPDS 對(duì)基層模量進(jìn)行試算，如表3所示。

表3 各結(jié)構(gòu)層實(shí)測(cè)彎沉值下對(duì)應(yīng)的模量

結(jié)合各結(jié)構(gòu)層實(shí)測(cè)彎沉值下對(duì)應(yīng)的模量，利用HPDS 對(duì)加鋪結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，不同彎沉代表值下所需加鋪厚度如表4 所示。

表4 不同彎沉值代表值下所需加鋪厚度

由表4 可知：

其一，采用直接加鋪罩面方案時(shí)，當(dāng)原路面檢測(cè)彎沉值代表值在33（0.01mm）～40（0.01mm）時(shí)，路面直接加鋪層厚度至少需要4.2～10.2cm。

其二，采用直接加鋪罩面方案主要針對(duì)彎沉較小的路段，結(jié)構(gòu)整體無明顯變化。廣州方向路面實(shí)測(cè)代表彎沉值為28.2（0.01mm）時(shí)，經(jīng)驗(yàn)算加鋪層厚度為1cm，滿足設(shè)計(jì)要求。

其三，河源方向路面實(shí)測(cè)代表值為34.5（0.01mm），直接加鋪厚度最少需6cm。對(duì)級(jí)配碎石到路基注漿補(bǔ)強(qiáng)的位置，經(jīng)驗(yàn)算后需再加鋪1cm。

綜上所述，提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，采用直接加鋪罩面方案，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定加鋪層的厚度為6cm，并對(duì)級(jí)配碎石到路基注漿補(bǔ)強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路養(yǎng)護(hù)方案的選擇，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。綜合利用荷載傳感器、視覺傳感器、3D 雷達(dá)探測(cè)器，同時(shí)應(yīng)用有限元進(jìn)行仿真，從多維空間對(duì)路面現(xiàn)有病害進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)有病害進(jìn)行處治，不僅節(jié)省工程造價(jià)，更能保障處治措施的有效性。