平朔线病害分析及大修方案

党彦荣

（山西省公路局 朔州分局勘测设计所，山西 朔州 036002）

平朔线是省道212线，起点位于平鲁区郑家营村，向南经井坪至朔城区铺上村，全长54 km，K0+000—K28+680 为二级公路标准，K28+680—K54+000段为一级公路标准，是一条以运煤为主的混合交通路线，同时也是国家重点工程平朔露天煤矿专用公路，是平鲁、朔城区煤炭运往神头发电厂和其他各地的必经通道，也是朔州这座新兴城市市郊连接的主要干线。平鲁区、朔城区蕴藏着丰富的矿产资源。近年来随着沿线经济的发展，交通量不断增长，一些大吨位车辆的增加，致使路线上的路面均有不同程度的病害，特别K32+000—K41+200段，长9.2 km路段车辙病害相当严重，路况差。

1 现有路面状况检测与评价

1.1 检测内容

路况检测主要分为3个主要阶段：

a）首先组织专业人员进行实地踏勘，初步掌握项目路段线型特点、路况条件，并与沿线养护工区进行座谈，收集道路基础资料。

b）然后对项目路段进行全面的检测，包括道路破损状况、平整度状况、车辙深度及结构强度状况等。

c）针对项目路段进行重点检测，包括钻芯取样、材料试验等，为病害原因诊断及养护方案制定提供数据支撑。

本项目路况检测的指标及检测里程见表1。

1.2 路面损坏状况评价

根据《公路技术状况评定标准》（JTG H20—2007）中的相关规定对项目路段的路面破损状况进行评价，本项目采用的评价单元为1 000 m。项目路段全线破损较多，PCI均值为75.9，评价等级为中，上行方向PCI均值为74.0，下行方向PCI均值为77.9。其路面破损状况纵向分布情况如图1所示。

表1 路面技术状况检测与评价内容

图1 路面破损状况（PCI）纵向分布图

1.3 路面结构强度评价

本路段结构强度采用PSSI指标进行评价，评价单元长度为1 000 m。根据《公路技术状况评定标准》（JTG H20-2007）中规定路面结构强度指数计算方法，利用各路段单元实测代表弯沉值与设计弯沉值进行计算，得出各路段单元的结构强度指数PSSI并做出等级评价，其回弹弯沉及路面结构强度指数PSSI纵向分布情况如图2及图3所示。

图2 路面回弹弯沉纵向分布图

图3 路面结构强度（PSSI）纵向分布图

项目路段回弹弯沉较大，平均值为77（0.1 mm），远大于设计弯沉25（0.1 mm）。PSSI全线均值为25.6，评价等级为差，上行方向PSSI均值为25.4，下行方向PSSI均值25.9。由弯沉检测结果及PSSI评价结果可知，项目路段的路面结构强度明显不足，处在结构使用寿命末期。

1.4 路面平整度状况

利用《公路技术状况评定标准》（JTG H20—2007）中提供的换算方程，将国际平整度指数IRI值换算为路面行驶质量指数RQI，评价的路段单元长度为1 000 m。评价结果如图4所示。

图4 路面行驶质量（RQI）纵向分布图

项目路段全线RQI均值为84.3，评价结果为良，上行方向RQI均值82.3，下行方向RQI均值为86.3。

1.5 路面车辙状况

1.5.1 路面车辙深度

由现场踏勘发现，项目路段在重车荷载的长期作用下，全线已出现了不同程度的车辙病害，且部分辙槽位置伴有裂缝产生，路面结构发生了较大变形，对行车安全形成了极大的隐患。

由检测数据可知，项目路段全线车辙深度较大，其中上行方向车辙深度最大值为14.52 mm，下行方向车辙深度最大为24.07 mm。全线车辙深度分布情况如图5路面车辙病害所示。

图5 路面车辙病害

1.5.2 车辙深度指数

利用《公路技术状况评定标准》（JTG H20—2007）中提供的计算公式，计算路面车辙深度指数RDI，评价的路段单元长度为1 000 m。评价结果见图6路面车辙深度（RDI）纵向分布状况[1]。

由评价结果可知，项目路段车辙深度指数RDI全线均值为72.8，评价结果为中，上行方向RDI均值为79.1，下行方向RDI均值为66.1。

图6 路面车辙深度指数（RDI）纵向分布状况

由现场踏勘及路况评价结果可知，项目路段的主要病害为车辙、横向裂缝、纵向裂缝及龟裂等。目前路况水平衰减严重，不仅影响了行驶舒适性，并且对行车安全造成了隐患。

项目路段各路况指标均值及评价结果如表2路面技术状况评价结果所示。项目路段路面使用性能指数PQI全线均值为80.4，评价等级均为良等；路面损坏状况指数PCI全线均值为76.0，评价等级均为中等；路面行驶质量指数RQI全线均值为84.3，评价等级均为良等；路面结构强度指数PSSI全线均值为25.7，评价等级为差等；路面车辙深度指数RDI全线均值为72.9，评价等级均为中等。

表2 路面技术状况评价结果

2 病害原因诊断

2.1 专项检测

2.1.1 钻芯取样

针对典型病害位置进行钻芯取样，主要观测的内容包括：沥青结构层厚度、沥青层结构完整性、基层结构厚度、基层结构状况、结构层间黏结状况等。通过钻芯取样检测，可得出以下结论：

a）车辙病害 (a)大部分车辙处面层、基层结构完整，其中车辙较为严重的K36+900处面层及基层出现了松散破碎现象；(b)辙槽处沥青面层厚度明显小于隆起处及路肩处面层厚度，路面结构出现了严重的变形；(c)部分芯样出现了层间黏结不良的现象。

b）裂缝类病害 (a)项目路段路面厚度分布不均匀，沥青面层最薄处为5 cm，最厚为11.7 cm；(b)面层均已沿裂缝处开裂，基层大多松散破碎；(c)裂缝位置芯样基层由于松散破碎大多未取出，取出的芯样大部分存在层间黏结不良现象。

2.1.2 室内材料试验

沥青混合料的级配和沥青含量等因素对路面的使用性能影响较大，因此项目组利用钻取的芯样试件进行了室内材料试验，沥青含量试验结果如表3所示，上下面层混合料级配试验结果如表4所示，级配曲线如图7、图8所示。

表3 混合料沥青含量试验结果

表4 矿料筛分结果

图7 沥青上面层AC-16级配曲线

图8 沥青下面层AC-25级配曲线

由室内试验结果可得到以下几点结论：

a）项目路段上面层及下面层混合料沥青含量均符合规范要求。

b）上面层混合料级配曲线不符合规范要求，9.5 mm以上筛孔通过量偏小，在规范要求范围以外，级配曲线不够平滑。

c）下面层混合料级配曲线虽然在规范要求内，但级配曲线非常不平滑，级配组合不佳。

项目路段上下面层级配曲线均不合理，这是导致混合料性能达不到技术要求的关键因素，从而引发路面的损坏。

2.2 病害原因诊断

基于路况检评结果及钻芯取样、材料试验结果，项目组针对项目路段车辙、横向裂缝、纵向裂缝、龟裂等病害展开了病害原因诊断，分析结果如下。

2.2.1 车辙病害

造成项目路段车辙病害的主要原因包括：a）由于沿线有矿场，导致项目路段交通量大，且以重载车为主，2012年的交通量调查结果17 591辆/d，货车比例占到32%以上，重型车辆占45%左右，客车比例为23%，路面在重载车辆的长期作用下产生变形；b）项目路段基层强度不足，由钻芯结果可知，大部分基层已出现了松散破碎现象；c）层间黏结不良，导致轮迹带处向两边挤压；d）此外，由设计文件可知，项目路段表面层使用的是90号沥青，沥青标号较高，也是产生车辙的原因之一。

2.2.2 横向裂缝

项目路段所在地朔州市，夏季炎热，最高气温可达38℃以上，冬季寒冷，最低温度-15℃左右。四季温差较大，温度变化会使路面结构内部产生温度应力，若温度变化较大或温度变化频率较快，产生的温度应力将不断增大，直至其大于路面结构层材料的极限抗拉强度，从而引发结构层开裂，产生横向裂缝。此外，项目路段还存在大量横向贯穿裂缝，经钻芯取样结果可知，面层已沿裂缝断裂，基层出现了松散破碎的现象，判断此类裂缝为半刚性基层的反射裂缝，裂缝是由下至上发展的。

2.2.3 纵向裂缝

由病害分析结果可知，项目路段存在部分纵向裂缝，这是由于平朔线长期承受重车反复碾压，这些车辆行驶速度缓慢、接地压强高，会在半刚性基层的底部产生极大的拉应力，在行车荷载的反复作用下，当半刚性基层底部的疲劳拉应力超过半刚性材料的抗拉强度时，半刚性基层的底部就会出现裂缝并逐渐在裂缝两侧形成板块，相邻板块端部之间会产生竖向位移差，引起面层的剪切疲劳而导致开裂。

2.2.4 龟裂

由项目路段龟裂处的钻芯结果可以看出，龟裂处基层已破碎，且面层已出现裂缝，层间黏结不良，因此判断项目路段产生龟裂的原因主要是由于沥青混合料质量标准偏低，沥青面层结合料老化、力学性能降低，在重载、超载车辆的反复作用下路面出现裂缝。裂缝封堵效果不佳，雨水下渗后在轮胎泵吸作用下，半刚性基层的灰浆被吸出，导致基层破碎松散，基层强度损失诱发沉陷，沉陷变形过大会进一步加剧沥青面层的开裂。此外，由于层间黏结不良、上下层脱开，导致表面层的沥青混合料单独承受荷载和温度的作用，从而加速龟裂产生和发展。

3 大修方案设计

3.1 方案选择

本项目使用性质是运煤专线，且大吨位运煤车辆较多，对路面有较大的破坏作用。针对本项目大吨位车辆多而导致路面使用周期缩短这一现象。项目组采用全寿命周期成本理念确定路面结构，根据交通组成，并针对旧路路况的不同，对该项目路段的路面各层的强度指标进行了精确的计算，最终确定了设计方案及路面结构。

3.2 方案设计

根据养护对策的选择结果，项目组提出了大修养护方案。首先铣刨回收现有沥青面层结构，对原基层进行17 cm水泥就地冷再生作为新结构层的底基层，在其上加铺20 cm水泥稳定碎石上基层进行补强，然后依次设置乳化沥青透层、改性沥青封层，加铺8 cm半柔性厂拌冷再生沥青混合料下面层，喷洒黏层油后铺筑5 cm改性沥青AC-16沥青混凝土上面层，大修方案如图9所示。

本方案充分利用了原路面材料，同时半柔性厂拌冷再生沥青混合料具有较好的抗车辙性能。

图9 大修养护方案

3.3 方案说明

半柔性厂拌冷再生混合料作为基层与面层之间的过渡层（或直接作为下面层），是我国近年来在旧料回收和循环利用领域的最新科技成果。该项技术的核心是冷再生结合料，它是由完全刚性的水硬性胶结料和完全柔性的特种乳化沥青组成的双胶结料，其中完全柔性的特种乳化沥青是一种裂解滞后早强乳化沥青与多种化学剂的复合多相胶结剂。多种化学剂的作用是调节复合多相胶结剂的性能，主要包括早强剂（2 h开放交通）、快干剂（24 h）、修复剂、膨胀剂、抗裂剂[2]。

该项技术通过利用冷再生结合料，将一定比例的沥青路面铣刨料与新集料、水进行常温拌和，常温铺筑，形成一种新沥青路面结构层[2]。与一般的再生技术相比，半柔性厂拌冷再生技术具有以下几项特点：

a）旧料回收利用率高达70%，远远高于厂拌热再生的旧料掺配率（最高仅能达到30%）。

b）采用冷拌和、冷摊铺，完全避免了热拌沥青混合料生产及摊铺过程中产生的废气污染和资源消耗，拌和1 t冷再生混合料节约燃油消耗6～8 kg，可节约资源60%以上，降低能耗与排放75%以上。

c）成本远小于其他类型的再生技术，造价与同样厚度的沥青下面层相比，至少可节约5%～10%。

d）抗车辙能力强，60℃车辙动稳定度高达9 000次/mm，极大地提高了路面下面层的抗车辙能力。

e）在-10℃时低温弯曲应变可达到2 740με，与热拌沥青混合料的低温抗裂及柔韧性相当，作为过渡层在防止反射裂缝方面效果显著。

f）劈裂强度为0.66 MPa，干湿劈裂强度比为85.1%，马歇尔稳定度达到5.8 kN（流值为4.4 mm），冻融劈裂强度比为85.1%，动态弹性模量为5 000 MPa，即强度与弹性模量高，承载能力大。

g）施工工艺简单，仅需对普通沥青混凝土拌和楼增添加水系统，利用普通的摊铺机和压路机施工，不需专用设备，养生4 h后即可开放轻交通。

近几年来，我国公路发展非常迅速，随着交通量的日益增加，大量公路已接近设计使用年限，需要进行大修或改造，现场冷再生技术是最适宜的维修或改造方式。现场冷再生技术，可充分利用旧路面面层和基层材料，不仅可以节约能源，降低施工成本，更有益于环境保护。

4 结束语

本文结合省道平朔线K32+000—K41+200段沥青混凝土路面产生的车辙病害，通过路面状况检测与评价，阐述了车辙形成的原因，并提出了此路段相应的半柔性厂拌冷再生沥青混合料大修方案。传统的基于“强基薄面”设计理念的半刚性基层沥青路面是我国公路路面的主要结构形式，这种路面虽然减少了初期投资，但是由此也带来了早期损坏严重的弊端。随着使用年限的增加，有越来越多的公路面临大修或改建工程，一方面需要大量的新基层和面层材料，另一方面还有因翻新而废弃的渣料需要环保处理。运用“全寿命沥青路面”设计理念及节能环保的冷再生技术，可有效治理路面病害，提高路面耐久性。在此希望和从事公路路面设计、养护的专业技术人员来进行交流，共同探讨。