基于路基路面综合评估的佛山一环高速化改造路面方案研究

黄红明， 曾国东， 周敏， 孟华君， 杨永前

(佛山市公路桥梁工程监测站有限公司， 广东 佛山 528041)

佛山一环高速公路由东线(和顺至北滘公路主干线工程)、南线(北滘至乐从公路主干线工程)、西线(乐从至狮山公路主干线工程)、北线(狮山至和顺公路主干线工程)组成，全长99.2km，采用一级公路兼城市道路标准设计，由主、辅路系统组成，其中主路采用双向八车道，行车速度100km/h；辅路采用双向六车道，行车速度50km/h。

自2006年11月建成通车以来，佛山一环高速公路交通流量逐年上升，超载、重载车多，公路服务水平逐渐降低；部分路段由于路基沉降、原有道路排水设施部分失效等造成路面积水，影响行车安全；部分路段损坏较为严重且经常性养护维修，局部路段出现较严重的拥挤和堵车现象，已不能满足公路使用性能的需求，对其进行改造已迫在眉睫。为了恢复佛山一环高速的服务水平，提高其路面使用性能，充分发挥快速通行能力，调查分析其气候及交通量的特点，开展基于路基路面综合评估的路面使用性能评估研究，研究分析路面病害成因及路面改造的总体设计方案。

1 佛山一环地域特点

1.1 气候特点

佛山一环高速属亚热带气候，日照充足，夏季气温高且高温持续时间长、冬季气温温和，高温集中在7、8月份，年平均气温21.7～21.9 ℃，极端最高气温接近40 ℃，极端最低气温-1.9 ℃；年平均降雨量1 681.2mm，最大降雨量可达2 000 mm，年平均雨日146.5 d，雨季集中在4—9月，期间降雨量约占全年总降雨量的80%，佛山一环高速属于典型的高温及潮湿多雨地区，雨热同季，按沥青路面气候分区指标，属1-4-1夏炎热冬温潮湿区，其自然地理气候条件如表1所示。

表1 自然地理气候条件

1.2 交通流量特点

对比分析佛山一环高速典型年份的实测及工可预测交通量分布特点，如图1、2所示，实测的各线平均交通量分布趋势与工可预测的空间分布特征一致，均呈现“东线>南线>西线>北线”的分布趋势，其中东线交通量最大；各线实测交通量远超工可预测，2007年东线实际交通量已是工可预测近2倍，2014年部分点位已达到20×104pcu/d，远超过工可预测2026年的14×104pcu/d。根据图3可知，2014年实测的各类型车辆比例情况为：小客车(38.76%)>中货(24.34%)>拖挂车(19.78%)>大货(7.47%)>小货(5.07%)，工可对小客比例预估相对较准确，但高估了小货比例，低估了中货、大货，尤其是拖挂车的比例。从佛山一环交通量调查情况可知，其交通量大，超载、重载车多，属于特重交通量等级。

图1 佛山一环实测交通量分布情况(典型年份)

图2 佛山一环工可预测交通量分布情况(典型年份)

图3 2014年佛山一环各类型车辆比例情况

2 路基状况评估

2.1 软基路段现状分类原则

通过对佛山一环进行现场踏勘和地质条件补勘等基础性工作，及对路容路貌和物理力学指标变化的分析；从治标、治本和高速化改造采取的措施等角度，结合累计沉降量、裂缝出现频率和路面维修方案设计等控制指标，对软基路段现状进行分类，具体分类原则见表2，可为佛山一环高速化改造总体方案的制定提供技术支撑，也便于对软基路段的发展趋势做进一步的理论分析和数值计算。

2.2 软基路段基本现状及原因分析

根据佛山一环现场踏勘情况及软基路段分类原则，其软基路段现状分类所占比例情况如图4所示，北线为一环全线现状最好的一条线路，内外环现状基本一致，绝大多数为第一类路段，占北线路段长度的72.2%；东线、西线、南线总体情况基本一致，但内外环现状各有差异，以东线为例，其内外环软基路段各现状分类所占比例情况见表3，东线内环较外环稍差，部分路段现场踏勘时仍在维修，现场踏勘结果的优劣与新建施工阶段监控数据的正常与否基本吻合，东线沉降完成比例普遍偏小的居多，此种路段往往裂缝较多且沉降较大，另外卸载前沉降速率过大的路段，或集中卸载、异常卸载的路段往往裂缝较多且沉降较大。

从软基处理方面考虑，第一、二类情况中裂缝产生的主要因素是：路面面层材料选择和施工不当，路面结

表2 软基路段分类原则

图4 佛山一环软基路段现状分类所占比例情况

%

构层设计未充分考虑车流量、超载重载车多等因素造成的。第三类情况中裂缝产生的主要因素是：软基处理不当造成的，车流量、超载车辆等其他因素起到了推波助澜的作用；从现场踏勘情况看，第三类主要发生在桥头过渡路段、含结构物路段和一些特殊路段(水载为预压荷载、有线外工程路段)，若受经费限制，可考虑只对桥头过渡路段进行深层次软基处理。

3 路面使用性能评估

为了充分掌握佛山一环路面使用性能状况，采用MMTS多功能道路检测系统对其沥青路面损坏、平整度、车辙状况进行全覆盖检测，采用SRCIM2007型横向力系数测试系统对其路面横向力系数SFC进行全覆盖检测，采用贝克曼梁弯沉仪和FWD落锤式弯沉仪对其承载能力进行评价，最后采用钻芯法在典型病害路段对其路面结构层进行取芯，初步判断各典型病害发展状况，具体旧路路面检测内容如表4所示。

表4 旧路路面检测内容

续表4

检测指标检测频率检测设备检测范围弯沉在抽检车道内连续检测,以公里为单位计算PSSI贝克曼梁弯沉仪K0+000～K99+200主路第1、4车道在典型路段内连续检测,以百米为单位计算各结构层模量EiFWD落锤式弯沉仪K2+000～K82+000主路部分典型路段钻芯按抽芯原则,在典型病害处钻取芯样路面取芯机K0+000～K99+200主路全幅典型病害路段

3.1 路面损坏状况评估

佛山一环高速在交通荷载及环境条件的共同反复作用下，路面逐渐出现损坏现象，其2014年路面损坏状况指数PCI总体评价情况见表5。从表5可知：佛山一环高速桥面铺装层状况良好，其优良率高达95%以上，且1-2车道和3-4车道无显著差异；路基段1-2车道和3-4车道路况差异较大(3-4车道破损状况明显比1-2车道严重)，虽然东线、南线、西线、北线1-2车道和3-4车道总体评分均为“良”(分别为85分和80分左右)，但其反映在路面现场实际病害面积上相差约2.5倍，3-4车道PCI评价为中次差的路段长度也比1-2车道多30 km左右。

表5 路面损坏状况指数PCI总体评价汇总(2014年)

3.2 路面结构强度检测评估

佛山一环高速在运营过程中，随着交通量及累计轴载的增加，其结构强度逐渐衰减，并影响路面行车安全和使用寿命，根据现场弯沉和钻芯取样结果，第4车道状况相对第1车道均稍差，为确保路面结构强度评价的可靠性，取第4车道最不利值评价各路段的结构强度，评价结果见表6。从路面结构强度指数总体评价情况来看，佛山一环全线路面结构强度仍保持在“优”等水平，PSSI值总体评分为93.4，优良率为88.3%，路面整体承载能力仍满足要求。外环(优良率92.2%)略优于内环(优良率84.7%)，各路线中南线最好，西线、北线次之，东线相对较差(中及以下路段比例有27.4%)。从已有调查情况来看，佛山一环高速局部(几十米或者百米)路面损坏严重路段半刚性基层已出现结构性损坏，其路面病害最常见的表现形式主要有：① 纵横向裂缝交错密集；② 纵、横向裂缝两侧出现一定宽度网裂且伴有唧浆、沉陷；③ 局部网裂凹陷；④ 块状修补密集且重新开裂或损坏；⑤ 结构性辙槽。

3.3 路面行驶质量、抗滑性能及车辙深度检测评估

行驶质量、抗滑性能、车辙也是高速公路主要的路面使用性能，同时是确保路面行车舒适性及安全性的重要指标。从检测情况来看，佛山一环高速全线路段中有96.8%的路段平整度维持在优良水平，仅3.2%的路段平整度状况稍差。平整度较差路段主要集中在路面病害发展较为显著且维修养护精细化控制欠佳的路段；其次是桥头过渡段的差异沉降引起的桥头跳车路段。全线路段中有98.4%的路段抗滑性能维持在优良水平，仅1.6%的路段抗滑性能较差；但是全线SFC代表值在46左右，已不能满足新建高速公路交(竣)工标准(≥54)要求。佛山一环高速属特重交通且全年持续高温的条件下，其沥青路面全线无明显车辙病害，路面车辙现状总体评价为良(RD≤10 mm)，仍能满足新建高速公路交(竣)工标准要求。

表6 路面结构强度指数总体评价情况(2014年)

3.4 路面取芯检测评估

从佛山一环高速路面损坏状况检测情况来看，其路面病害约90%属裂缝类病害，其中以纵向裂缝为主，主要集中分布在3-4车道的轮迹带附近，其次为横向开裂，开裂形式大多贯穿全路幅，另外还有小部分网裂、坑槽，路面损坏严重路段病害分类情况如表7所示。根据佛山一环路面损坏严重路段病害分类情况，对典型病害进行抽芯检测分析，全线共抽取芯样81个，其中纵向裂缝处53个，横向裂缝处28个，根据路面病害及钻取芯样特点(表8)分析，纵向裂缝产生的原因主要有两方面：① 交通量以及超重荷载导致路面产生纵向裂缝；② 由于路基不均匀(含低矮路堤)沉降引起的反射裂缝。横向裂缝产生的原因主要有：基层反射裂缝、软土路基差异沉降裂缝和面层温缩裂缝。坑槽、网裂产生的原因主要有两方面：① 由于纵(横)裂缝的支缝扩散形成，是裂缝引发的次生破坏；② 由于施工质量引起的水损害。

表7 路面损坏严重路段病害分类情况汇总

表8 佛山一环路面典型病害成因及芯样特点

续表8

典型病害类型芯样特点主要病害成因网裂、坑槽① 是由纵(横)裂的支缝扩散形成的,是裂缝引发的次生破坏;② 由于施工质量引起的水损害

4 路面改造方案研究

基于佛山一环高速路基路面的实际情况，参考中国类似工程的经验及教训，提出佛山一环高速化改造的总体理念：路面结构耐久、技术成熟可行、施工简便、经济合理、安全环保；总体设计原则：提高路面可靠度，减少铣刨料，同时应符合分路段、分车道的少挖加铺方案原则。佛山一环高速化改造路面结构加铺厚度采用了4种方法进行设计与验算，如表9所示，计算不用加铺厚度的顶面设计弯沉值和层底拉应力，确定适宜的加铺厚度。根据表9中的路面结构设计验算方案，在考虑结构强度损伤折减的基础上，宜加铺的厚度为7～11 cm。

表9 路面结构加铺厚度设计与验算方法

根据路面结构设计验算方案确定的适宜加铺厚度，综合其设计理念及设计原则对旧路路面的加铺采用整体加铺10 cm(4 cm上面层+6 cm中面层)的方案，以相邻结构物进行纵断面拉坡拟合，其中中面层兼作调平层。从项目的实际特点及全寿命周期成本等角度出发，沥青上面层采用综合性能优良的SMA-13，中面层采用密级配改性沥青AC-20C，抗滑磨耗层方案比选情况见表10。结合该项目的实际情况(气候、交通量、路基状况、路面使用状况、扩建方案、资金、交通维护等)及总体设计理念及设计原则，拟采用的加铺方案如表11所示。

表10 抗滑磨耗层方案比选情况

5 结论

(1) 调查分析了佛山一环的气候及交通量分布特点，佛山一环高速公路属于典型的高温及潮湿多雨地区，雨热同季；其交通量大，超载、重载车多，属于特重交通量等级。

(2) 通过现场踏勘和地质条件补勘等基础性工作，结合累计沉降量、裂缝出现频率和路面维修方案设计等控制指标，从路基状况等角度考虑路面维修设计原则，建议对桥头过渡路段进行深层次软基处理。

表11 拟采用旧路加铺方案

(3) 对佛山一环高速路面使用性能进行检测评估，桥面铺装层状况良好，其优良率高达95%以上，且1-2车道和3-4车道无显著差异；路基段3-4车道破损状况明显比1-2车道严重，其路面病害约90%属裂缝类病害，其中以纵向裂缝为主，其次为横向开裂，另有小部分网裂、坑槽。从已有调查情况看，佛山一环高速局部(几十米或者百米)路面损坏严重路段半刚性基层已出现结构性损坏。

(4) 基于佛山一环高速路基路面的总体状况及高速化改造的总体理念，提出路面结构改造总体设计原则：提高路面可靠度，减少铣刨料，同时应符合分路段、分车道的少挖加铺方案原则。佛山一环高速化改造路面工程在按新建高速公路标准建设要求，同时考虑结构强度损伤折减的基础上，宜加铺的厚度为7～11 cm，综合其设计理念及设计原则对旧路路面的加铺采用整体加铺10 cm(4 cmSMA-13上面层+6 cmAC-20C中面层)的方案，中面层兼作调平层。