关于旧公路路面改扩建施工期的损坏研究

尹和山

(安徽港通建设工程有限公司，安徽 合肥 230011)

关于旧公路路面改扩建施工期的损坏研究

尹和山

(安徽港通建设工程有限公司，安徽 合肥 230011)

为了给公路路面养护维修提供科学的决策依据，通过在公路维修过程中对路面损坏的发展变化进行了评估，评估结果显示路面状况指数的变化对路面损害影响不大。同时分析了维修期内的路面疲劳寿命，分析结果显示二灰砂砾基层和沥青面层间的状态处于连续或半连续状态时，沥青层底不产生疲劳开裂，而处于不连续的状态时沥青层底将在约19个月以后存在产生疲劳开裂的风险；二灰砂砾层底在整个施工期间基本不产生层底开裂的现象。以上研究结果能够为公路路面养护维修提供科学决策依据，并供同行参考。

公路；路面；改扩建；损坏；研究

0 引言

近二三十年来，我国加快了基础设施建设步伐，高速公路建设和发展更是突飞猛进。早年建设的高速公路到了需要改扩建和大养护维修的时候了。因此，需要对改扩建施工期旧公路路面的损坏进行研究。

为了给公路路面养护维修提供科学的决策依据，以某高速改扩建为依托，通过在公路维修过程中对路面损坏的发展变化进行了评估，同时分析了维修期内的路面疲劳寿命。研究结果表明：评估结果显示路面状况指数的变化对路面损害影响不大；(这是由具体路面试验段实测得到的数据)二灰砂砾基层和沥青面层间的状态处于连续或半连续状态时，沥青层底不产生疲劳开裂，而处于不连续的状态时沥青层底将在约19个月以后存在产生疲劳开裂的风险；二灰砂砾层底在整个施工期间基本不产生层底开裂的现象。以上研究结果能够为公路路面养护维修提供科学决策依据，并供同行参考。

1 维修施工期路面路面状况指数评估

路面路面状况指数，即PCI，是路面表观判断损害程度的综合指标；是路面损坏类型、损坏程度和损坏密度的函数；PCI越大说明路面损害程度越小。[1]

1.1 某高速公路维修施工期的路面结构

旧路路面结构为：12cm沥青层+20cm二灰砂砾+18cm二灰砾石土。

1.2 路面路面状况指数评估模型

本文中的路面状况指数评估模型如下：[3][4]

(1)

(2)

λ=a1hb1ESALC1,

η=a2hb2ESALC2,

ξ=a3hb3ESALC3,

(3)

Krα=(0.2868-0.0493W)(3.5297+0.0393t)

(4)

Krβ=(0.2992-0.0559W)(3.6373+0.0126t)

(5)

上式中，PCI为路面损坏状况指数；PCI0为初始损坏状况指数；γ为路龄；α为寿命指数；β为形状指数；h为路面沥青层厚度(cm)；ESAL为每日每车道等效标准轴次；I0为初始弯沉(0.01 mm)；γ、η、ξ为回归系数；a、b、c、d为回归系数或指数；Krα、Krβ为环境影响系数；t为年平均气温(℃);W为潮湿系数；Kmα、Kmβ为沥青材料影响系数。

PCI评估模型受交通车辆类型组成、气候因素、路面结构类型等影响。

1.3 路面路面状况指数评估结果

假定旧路加铺在施工第三年实施，通过对PCI逐年预估，施工期各车道PCI预估结果见表1所列。

表1 路面路面状况指数评估结果

通过PCI预测结果，路面至第三年旧路加铺时，比初始PCI值下降了2～3，表明施工期间的车辆，对旧路破损程度总体上影响不严重。但除上行超车道外，其余车道本身初始PCI相对较低，为保证加铺时不至于路面破损程度影响至基层以下更深部位，需要在施工前对全线道路进行一次深度病害处治工作，尤其是上行行车道；使施工期间以小修小补为主，从而保证施工期间的正常交通通行能力及施工正常的工程进度。[3]

2 沥青层层底施工期疲劳寿命分析

道路沥青面层和半刚性基层之间，理论上需要连接紧密，形成一个连续整体，以共同抵抗车辆对道路的损害。但在运营多年后由于种种原因，大致会出现3种情况，即连续、半连续和不连续。不同的情况，路面受力状态将会大不相同，各结构层因疲劳诱发的开裂规律，将会发生较大的变化。[4]

疲劳方程的研究方法大致分为三类：现象学法，即传统的疲劳理论方法；力学近似法，即应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律，以确定材料疲劳寿命的一种方法；耗散能法，沥青混合料是一种粘弹性材料，其疲劳破坏可以以能量的形式表示。[5]

三种疲劳模型中，现象学法所得到的疲劳模型最为简便实用，是应用比较广泛的评价沥青混合料疲劳性能的方法。本文拟采用现象学法的疲劳寿命分析方法，对旧路沥青层层底疲劳寿命进行预估，以判断施工期旧路是否会在车辆荷载下，出现疲劳裂缝或出现疲劳裂缝的程度，从而对旧路施工期病害发展的预测，提供一个侧面支撑。[6]

2.1 疲劳寿命预估模型

本文以某地区的环境条件为基准建立的现场疲劳方程为：[4]

Nf=f(t，W)×(a、εb)

(6)

式中，f(t，W)为环境影响方程；t为年平均气温；W为潮湿系数；a为方程系数；b为方程指数；ε为沥青层底拉应变。

一般而言，年平均气温较低的地方，其沥青面层疲劳性能相对较差，潮湿系数越大的地方，其疲劳性能越差。确定该地区湿度系数为1.3，年平均气温为11.4℃，此处选择以某地区疲劳模型为基准模型，在其基础上乘以1.1的系数，作为的疲劳模型，公式如下：

Nf=1.1×2.25×10-7ε-3.8828

(7)

2.2 路面层之间的状态

本项目根据路面病害类型，钻取芯样31个。钻芯选择的位置主要为横缝、网裂、车辙等主要病害点位，同时选择了部分无病害地方进行了比较。

通过对芯样的分析，结构层层间状态主要表现出以下几点：

(1)沥青层层间状态均表现出较好的连续性，未见层间接触不良现象，除个别取样过程中上面层松散成块外，主要为龟裂处芯样；

(2)各种病害芯样，均有部分芯样出现基层和面层分层现象，但大部分层间粘结均较好；

(3)无病害芯样基层和面层之间的连接均较好。通过芯样分析，旧路大部分情况下，层间接触表现较好，但依然存在层间不连续的现象。本文将采用面层和基层间连续、1/2连续及不连续三种层问状态进行分析。[7]

2.4 疲劳寿命评估结果

根据疲劳寿命的评估，不同层间状态下对应的疲劳轴载次数，结合施工期交通量对旧路的作用次数(施工期沥青层底轴载作用次数为1.35×107)，推算出沥青层底可能出现拉应变的时期，为道路施工期养护措施提供依据，结果见表2和表3所列。

表2 施工期不同层间状态下的荷载作用次数

表3 非施工期不同层间状态下的荷载作用次数

通过对旧路沥青层疲劳寿命预估，表明在连续或者半连续的状态下，施工期沥青层层底不会由于层底拉应变过大出现破坏；不连续的状态下，施工期则可能在施工19个月左右的时间出现沥青层底疲劳破坏，非施工期则均>3年才会出现疲劳破坏；其中施工期连续状态下，对应的作用次数远是半连续状态的4.4×105倍。

3 研究维修施工期路面底层疲劳寿命

当旧路沥青面层和半刚性基层之间粘结性差时，沥青结构层中沥青层层底的受力状态影响最大；半刚性材料层的层底同样是该种材料影响最大的部位，同样可能由于疲劳提前出现开裂。本文通过半刚性材料的疲劳寿命分析，对旧路半刚性层底疲劳寿命进行预估，以判断施工期旧路在车辆荷载的疲劳性能。

3.1 路面疲劳寿命评估参数

半刚性层底拉应力见表4所列。

表4 旧路底基层层底拉应力(MPa)

3.2 路面疲劳寿命评估结果

根据路面疲劳寿命的评估，旧路底基层层底在产生疲劳开裂时，所需要的标准荷载次数见表5所列同时结合施工期半刚性材料对应的交通量轴载作用次数(施工期半刚性层底轴载作用次数为1.65×107)，表明二灰稳定砾石土在施工期不会因层底拉应力过大，而产生开裂。

表5 施工期不同层间状态下的荷载作用次数

根据路面疲劳寿命计算结果表明，施工期的交通量均无法达到基层破坏所需要作用荷载次数。在基层与面层的连续状态下，破坏所需的作用次数为实际次数的728倍；在基层与面层不连续状态下为68倍。虽然施工期交通荷载不会对水稳底基层产生疲劳开裂，但是连续状态下底基层能够承担的作用次数为不连续的11倍以上。

4 结论

(1)公路施工期间，普通小客车及施工机械的荷载对道路基本不产生较大损害，总体上路面状况指数的数值仅仅降低约3个评分值。

(2) 根据维修期内的路面疲劳寿命的分析表明，二灰砂砾基层和沥青面层间的状态处于连续或半连续状态时，沥青层底不产生疲劳开裂。而处于不连续的状态时沥青层底将在约19个月以后存在产生疲劳开裂的风险。

(3) 根据路面疲劳寿命计算结果表明，施工期的交通量均无法达到基层破坏所需要作用荷载次数。在基层与面层的连续状态下，破坏所需的作用次数为实际次数的728倍；在基层与面层不连续状态下为68倍。

(4)二灰砂砾层底在整个施工期间基本不产生层底开裂的现象。

[1] 高涛.高速公路改扩建工程旧路状况评价及处治对策研究[J].公路工程，2010(3)：13-18.

[2] 李小刚.无机结合料稳定类疲劳损坏预估模型研究[D].西安:长安大学,2006.

[3] 孙立军,刘喜平．路面使用性能的标准衰变方程[J].同济大学学报(自然科学版):1995(5)：512．

[4] 刘黎萍,孙立军．沥青路面现场疲劳方程的环境影响系数[J].同济大学学报(自然科学版),2008(2):178-181．

[5] 孙立军,刘黎平.沥青路面结构行为方程中材料影响系数的确定方法[J].公路交通科技,2006(12):6-9．

[6] 王伟力.机场道面性状评价指标与预测模型研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[7] 王芳.浅谈旧沥青路面结构补强层设计[J].科技信息,2012(35):399.

责任编辑：文 月

2017-03-01

尹和山(1976—)，男，安徽六安人，工程师，研究方向：路桥工程技术与管理。

U418.8

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1671-8275(2017)03-0136-03