浅谈阳茂高速公路沥青路面保护策略

蔡卓生

(广东省高速公路有限公司)

1 项目概况

广东阳茂高速公路(以下简称该路段)是国道主干线(沈阳)至(海南)广东境内的组成部分,是连接广东、海南、广西三省政治、经济的大通道,也是粤西地区连接珠三角的高速公路主骨架。阳茂高速公路全长 79.76km,双向四车道,设计速度为 120km/h,于 2004年年底建成通车。全线均为沥青混凝土路面,面层设计总厚度为 18cm,桥面沥青混凝土铺装层厚度为 10cm。该路段通车使用五年多来,路面综合状况良好,主要的问题是裂缝、唧浆、车辙、以及横向力系数偏低,特别是裂缝比较严重。为了防止路面的进一步损坏,特别是防止由于路面表面功能的损坏引起路面结构性的损坏,通过对路况病害进行调查和分析,针对阳茂当前路况提出了以预防性养护的路面保护方案,该方案是以低成本的表面处置措施为主,常用措施包括:裂缝处理、雾封层、微表处、热拌沥青混合料加铺层等。与路面病害处理和大中修相比,适时的和有针对性的预防性养护,可以节省工程费用70%～80%以上。因此,路面预防性养护是一种最经济有效的路面维修管理模式。路面预防性养护对延长路面使用寿命和路面大修重建周期,确保道路使用寿命周期经济最大化具有重要意义。

2 路况调查及路面性能评价

(1)通过对该路段路面各项指标的检测和调查,路面状况性能为:平整度评价结果全部为“优”,车辙检测有 42m不满足要求(车辙深度＞15mm,茂阳方向),结构强度有752m评定达不到养护技术标准(茂阳方向);抗滑性能基本上全线都不满足要求,需要尽快处理;在路面损坏评价中,裂缝(包括横向裂缝和纵向裂缝)病害最为突出,其次是车辙。

(2)对裂缝病害与车辙病害进行相关性分析。

通过对该路段沥青路面水损坏调查发现,发生在阳茂高速公路的水损坏有两种表现形态:表面水损坏产生的坑槽和沥青混合料内部水损坏产生的车辙。对于大多数沥青路面来讲,表面水损坏产生的坑槽是非常常见的问题,并不稀奇。然而,对于沥青混合料内部水损坏产生的车辙以往的调查和研究并不多。为此,我们对这个问题进行了比较细致的调查和研究。首先,结合车辙路段的处理,将几处发生严重车辙的位置挖开。挖开后可以发现,中面层松散,集料颗粒上油膜脱落,且沥青上浮至上中面层的界面处,表现出明显的深层水损坏特征。进一步,选典型路段计算路面车辙率和裂缝率(路面裂缝或车辙破损面积与所调查路段的路面总面积之比),进行裂缝与车辙相关性分析,

从相关系数的取值来看,p=0.0003＜α=0.05,且相关系数r=0.90984＞0.8,可以认为裂缝率和车辙率高度相关。也就是说裂缝病害和车辙病害有着很强的关联性。从而可以推断,阳茂高速公路沥青路面的车辙与裂缝漏水有关。因此,对裂缝的处置,防止水分浸入路面,是阳茂高速公路沥青路面预防性养护措施选择的基本原则。

3 阳茂高速公路预防性养护路段划分

(1)分离出PSSI评价结果较低、存在严重纵缝和严重车辙的路段,认为这些路段属于结构性损坏,在采取矫正性养护措施后,再采用相应的预防性养护措施。对于其余路段,根据其它指标,继续细分。

(2)采用横向裂缝长度、向裂缝长度、车辙深度和摩擦系数四指标进行聚类分析。

(3)根据聚类分析结果,参照路面的实际情况对聚类结果进行优化,最终得到该路段预防性养护段落的划分结果。

根据以上三步骤进行预防性养护的段落划分。

3.1 剔除需要进行矫正性养护的路段

对PSSI评价为中及以下的路段进行剔除,只有茂阳方向752mPSSI被评价为中,须剔除。

3.2 路段划分

剔除矫正性养护路段是对路段的初步划分,而进行预防性养护路段划分需明确各路段微观的路面病害特点,不仅要考虑较多的单项路况指标,还要选择较小的路段单元,这样路段样本数量将会增加。该路段路单向长 79.76km,若采用 500m长度为单元,则将有 160个路段样本。根据各种聚类分析法的适用条件,本文选择聚类分析理论中的动态聚类法进行预防性养护路段的划分。

根据以上剔除的路段,再剔除已经采取过微表处理的路段,其余路段按每 500m一个单元,采用横向裂缝长度、向裂缝长度、车辙深度和摩擦系数四个指标进行聚类分析,并形成数据表,由于篇幅限制,这里只给出总的划分结果及对应的处治措施。

(1)阳茂方向。

第1类路面的特点是横缝比较少(81.33m/km),纵缝比较少(11.9m/km),车辙深度很小(6.42mm/km),摩擦系数较小(均值为 39.57),此类路面以改善路面抗滑为主要目的。

第2类路面的特点是横缝比较多(190.96m/km),纵缝比较少(13.2m/km),车辙深度较小(7.14mm/km),摩擦系数较小(均值为 39.84),此类路面以横向裂缝处置和改善路面抗滑为主要目的。

第3类路面的特点是横缝比较多(171m/km),纵缝比较多(143.5m/km),车辙深度较小(7.04mm/km),摩擦系数较小(均值为 38.93),此类路面以纵横向裂缝处置和改善路面抗滑为主要目的。

(2)茂阳方向。

第1类路面的特点是横缝较多(129.26m/km),纵缝较少(22.1m/km),车辙深度相对较小(8.03mm/km),摩擦系数很小(均值为 37.87),此类路面以横向裂缝处置和改善路面抗滑为主要目的。

第2类路面的特点是横缝很多(342.41m/km),纵缝比较多(107.3m/km),车辙深度较小(8.19mm/km),摩擦系数较小(均值为 38.73),此类路面以纵横向裂缝处置和改善路面抗滑为主要目的。

第3类路面的特点是横缝很多(227m/km),纵缝很多(445.8m/km),车辙深度相对较大(8.2mm/km),摩擦系数较小(均值为 38.5)。此类路面以纵横向裂缝和车辙处置和改善路面抗滑为主要目的。

4 路面性能预测模型

根据以往研究成果,采用 S型函数作为路面性能预测模型,并认为S型函数更适合以时间为变量的路面长期性能预测。

根据前面的路面分类结果,对 5年内该路段沥青路面各项性能指标进行汇总(取平均值)得出,该路段路面行驶质量及结构承载力评分结果都比较高,近些年不存在严重衰减的状况。

(1)PCI预测。

通过回归分析,得到阳茂方向PCI预测模型如下(R2= 0.9353)

茂阳方向PCI预测模型如下(R2=0.9615)

通过计算和图表分析(计算和图表分析略)可知,如果不对路面实施保护措施(预防性养护)的话,到第 5～6年时,路面的PCI值将下降至“中”的水平,根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ073.2-2001)以下称《规范》的要求,届时路面需要进行中修罩面。

(2)SRI预测。

通过回归分析,得到阳茂方向SRI预测模型如下(R2= 0.7991)

茂阳方向SRI预测模型如下(R2=0.7589)

通过计算和图表分析(计算和图表分析略)可知,路面现时抗滑性能(SRI)已经下降至“中”以下的水平,根据《规范》的要求,路面需要尽快进行加铺罩面,以改善表面功能,提高路面的安全性。

从以上分析可以看出,S型预测方程的相关系数都比较高,从后期和整体预测趋势看,S型预测趋势比较符合实际情况。预测结果与实测数据误差平均值不超过 0.05%,表明模型具有较好的适用性和稳定性。

5 沥青路面预防性养护计划

5.1 养护计划总原则

对全路线进行裂缝处置(裂缝封堵)。鉴于该路段路面出现的裂缝以横向“轻度”(宽度≤6mm)细微裂缝为主,本着有效、彻底的目的和原则,建议采用开槽灌缝+压缝带方式处置裂缝。

裂缝进行处置后,对全路线实施超薄磨耗层或微表处处置,目的是进一步封堵裂缝,处置轻微车辙,改善路面抗滑能力,提高路面的安全性。

作为备选方案,如果条件许可,也可以考虑现场热再生,或薄加铺层代替超薄磨耗层方案。

(1)裂缝的处治

①重度裂缝;裂缝宽度在 6mm以上的裂缝为重度裂缝,采用先开槽,清理并灌入热沥青,然后填入热拌沥青混合料,捣实,再用压缝带做封缝处理。

②轻微裂缝;全程其它裂缝均为轻微裂缝(宽度＜6mm),建议采用的裂缝修补工艺为:开槽灌缝+压缝带封缝,以处理裂缝的渗水、啃边和崩边,同时防止裂缝继续发展

(2)路面抗滑处治

《规范》中规定,高速公路抗滑能力不足(SFC＜40)的路段,应采取加铺罩面层等措施提高路表面的抗滑能力。罩面前,应先处治好原路面上的各种病害(裂缝、坑槽等)。阳茂高速公路采取的处治方案为:交通量较少,车载相对较轻的阳茂方向采用 1cm微表处处置,交通量较大,车辆超载相对较重的方向采用2cm超薄磨耗层。

(3)唧浆处治:对重度唧浆,使用水泥混凝土置换基层同时在路肩处增设多孔水泥混凝横向盲沟的方法进行处治。对于轻微唧浆采用开槽清理灌缝+压缝带。

(4)坑槽修补,采用园洞方补,同时涂上防水剂,在新旧界面上贴压缝带。

5.2 该路段路面中长期路面保护策略

(1)平均的路面结构整体强度仍处于强度变化的第 I阶段,即整体性工作阶段。

(2)局部路段强度不足(约3km),需采用补强处理。

(3)平整度的平均状况近期没有衰减迹象。

(4)PCI随时间的变化符合“S”型曲线的特征,具有明显的下降趋势,并已接近临界值,需要尽快处理。

(5)影响PCI指标下降的最主要因素是路面裂缝(以横向裂缝为主),针对PCI的措施应以处置裂缝,防止路面透水为主。

(6)路面抗滑性能SRI随时间的变化近似符合“S”型曲线的特征,具有明显的下降趋势,并已达到临界值,需要马上处理。

(7)路面没有表现出透水的迹象,所有的唧浆问题均与裂缝和微小坑槽、中分带排水失效有关。

(8)路面结构的承载能力预测表明,现有路面结构不足以承担设计的累计标准轴载作用次数,应该在适当年份考虑予以补强加铺。

(9)在未获得交通量信息的情况下,暂定在路面通车后的第9～第 10年之间加铺4～6cm细粒式沥青混合料(AC -16c或SMA-13)。

根据该路段路面状况的基本特征,可以认为路面中长期保护策略的核心应该是补强、裂缝、抗滑。

6 总 结

(1)路面技术状况评价结果为:全路段大部分路段的结构强度满足要求,平整度状态良好,裂缝病害严重,多数路段抗滑性能不能满足要求。

(2)多因素显著性分析指出,在阳茂高速公路沥青路面的损坏中,以横向裂缝和车辙对路面状况指数PCI的影响最大。同时,发现这两类路面破坏之间具有相关性,说明阳茂高速公路沥青路面的车辙与中下面层的水损坏有关,这个结论与路面调查结果也是一致的。

(3)按照动态聚类分析方法,把路面按横向裂缝长度、向裂缝长度、车辙深度和摩擦系数四指标进行分类优化,得到三类具有不同路面破坏特征的路面段,预示将采取不同的处治措施。

(4)通过分析比较,认为路面性能衰减规律遵循“S”型函数的特征,并通过回归的方法,分别建立了路面性能指标PCI、RQI、PSSI和SRI的衰减模型,用于预测未来的路面性能。预测结果与实测数据误差平均值不超过 0.05%,表明模型具有较好的适用性和稳定性。

(5)鉴于绝大部分沥青路面采用半刚性基层结构,项目的研究对于采用经济有效的保护途径,来保持和改善这些路面的性能,延长路面的使用寿命,具有重要的示范意义。

7 结 语

阳茂高速公路通过预防养护,对路面进行保护,各项指标得以较大提高,能延缓路面大中修,有效地保持和改善阳茂高速公路沥青路面的使用寿命。