沥青路面结构承载能力评价方法研究及影响因素分析

寇冠宇

(华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014)

1 引 言

沥青路面是我国高等级公路使用的主要路面结构形式之一。近年来，随着经济的快速发展，道路通行的重载货车逐年增加，各省市早期修建的沥青路面已有部分达到设计使用年限，现状道路也出现了不同程度的病害，亟需进行维修改造或改扩建，对旧沥青路面使用现状开展系统、全面的评价，客观认识既有道路的残余寿命[1]，是提出合理的路面改造方案的重要前提。特别是，旧路的结构承载能力和残余强度的评价十分关键[2-3]，是路面改扩建设计以及施工现场控制的一个重要参数。

为了研究旧沥青路面结构承载能力评价方法，选择合适的手段对既有道路残余寿命进行准确评价，依托广东省开阳高速改扩建工程的旧路调查数据，利用无损弯沉检测和有损现场钻芯等手段，从不同角度对旧路结构承载能力评价方法进行了系统研究。该公路是我国20世纪90年代修建的早期高等级公路，具有显著的代表性，目前经过多年使用，由于交通量较大导致服务能力下降，计划开展改扩建。

2 基于弯沉的旧路结构承载能力评价

弯沉是反映路面结构承载能力的关键指标，主要采用单点实测弯沉值、FWD模量反算、路面结构强度指数(PSSI)评分值以及钻芯取样结果对某公路的旧路结构承载能力进行评价。

2.1 单点弯沉值

旧路单点实测弯沉值过大，则说明其结构承载能力较差，在选择旧路改造及加铺方案时，需要判断其能否直接加铺或者是否需要进行整体结构补强。采用落锤式弯沉仪(FWD)对开阳高速公路上、下行两个方向的行车道和超车道进行弯沉检测，测点按照每10 m一点的方式进行布设，单点弯沉值统计结果汇总如表1所示。

从表1中单点弯沉值的检测结果来看，该公路全线弯沉值较小，单点实测弯沉代表值平均为10.4～15.6(0.01 mm)之间，仅有个别路段弯沉代表值大于25(0.01 mm)以上，约占道路总长度的3%，这说明现状道路的结构承载能力较好，仍具有足够的残余强度。该公路为我国20世纪建设的代表性工程，经过多年使用，在现状道路交通量大、重载车辆较多的情况下，仍然能够保持良好的结构承载能力，其中的原因是值得总结和分析的。通过历史资料调研我们发现，该路建设期间的路面结构及材料设计合理，结构安全储备较高。而且，建设期间施工质量控制较为严格，从所收集的建设期间质量抽检资料来看，路基、基层、面层等各层材料施工中变异性很小、材料均匀，可以有效的保证各层材料及混合料符合设计要求，保证工程质量。此外，在该路日常养护中，对于结构承载能力不足路段进行了深度结构补强处理，进一步提高了结构承载能力。

从表1中的结果还可以看出，上、下行两个方向的行车道弯沉值明显大于超车道的弯沉值，这表明行车道的结构承载能力要弱于超车道。结合该公路断面交通量和交通组成的调查情况来看，行车道上行驶的车辆主要是特大货车和小货车，超车道上行驶的车辆主要是小客车，而且现状道路的断面交通量较大，道路拥挤现象十分严重，行车速度和道路通行能力大大降低，特别是高峰时段货车的车速较低。一方面，由于货车的轴重较重，对于路面结构受力十分不利，导致行车道的承载能力衰减较快。另一方面，由于车速低、车辆行驶缓慢，延长了对路面的作用时间，会加剧路面结构强度的衰变，从而导致行车道的结构承载能力不如超车道。

表1 单点弯沉值结果统计表

2.2 基于FWD弯沉盆的路面结构层反算模量

为了进一步分析各个结构层材料的模量水平，采用落锤式弯沉仪FWD对全线进行了检测，并根据FWD检测结果，利用SIDMOD程序进行模量反算[4]。结构层模量反算时将路面结构分为路面+基层+路基3层，即：将沥青混凝土四层面层等效为第一层进行反算、中间三层基层等效为第二层进行反算、路基为第三层。FWD模量反算结果，该公路现状道路面层等效模量主要在4 000～6 000 MPa之间，基层等效模量主要在800～1 200 MPa之间，路基等效模量主要在200～400 MPa之间。从模量数值来看，全线路面、基层、路基的剩余结构模量仍较大，衰减幅度不大、路面整体结构强度仍十分良好。

3 基于路面结构强度指数PSSI的结构承载能力评价

采用激光动态弯沉测量系统对全线双向四车道进行连续检测[5]，按单车道每公里计算弯沉代表值，在考虑季节修正和温度修正后，将该数值换算为贝克曼梁弯沉值，最后按照现行规范[6]的规定计算路面结构强度指数PSSI，统计结果如表2所示。从表2的路面结构强度指数检测结果可以看出，该公路全线总体弯沉水平较好，全线双向四车道PSSI平均分达到了97分。其中：上行超车道PSSI平均值为97.8分、上行行车道PSSI平均值为96.8分、下行超车道PSSI平均值为97.3分、下行行车道PSSI平均值为96.0分。PSSI评分值为优的路段占91.2%，评分为良的路段占8.6%，仅有0.2%的路段评分为中。这说明现状道路的结构强度整体较好、结构承载能力较为优异。总体上看，上行方向弯沉水平比下行方向好，前者路面结构强度更高。下行行车道PSSI评分值为优的路段仅为82.7%。造成这样差异的主要原因是由于上下行方向的交通组成不同，下行方向的货车比例比较高所致。车道分布情况来看，由于超车道主要行驶小型车辆、而行车道以重载货车为主，导致行车道的弯沉水平明显差于超车道。PSSI评分值为“中”的路段均是出现在行车道位置。

表2 路面结构强度指数PSSI统计表

4 基于路面芯样的旧路结构承载能力评价

为了评价现状道路的残余强度、分析路面病害产生的原因、探明道路的厚度、材料类型和结构类型，我们对全线桥面段以外的车道进行了钻芯检测。采用路面钻孔取芯机对面层和基层进行了现场取芯，选取有代表性的芯样进行现场封存，并在室内进行了抗压强度和劈裂强度试验。基层强度试验采用现行规范[7]要求的劈裂强度和无侧限抗压强度试验方法，试验结果汇总如表3所示。从表3中的试验结果可知，在路基状况良好的状态下，水稳基层劈裂强度的平均值可达1.17 MPa，无侧限抗压强度可达8.13 MPa，这表明现状道路结构的基层残余强度仍较高，基层使用状态良好。基层是整个路面结构的主要承重层，由于该公路基层残余结构强度较高、使用状况优良，这使得旧路整体结构承载能力较优、单点实测弯沉值较小，因此即使旧路已经超过了原设计的使用年限仍可继续使用，而且在改扩建中也并不需要进行大规模的结构补强，对于结构承载能力满足要求及病害轻微的路段，仅需对旧路进行加铺罩面改善表面功能即可。

表3 水稳基层芯样强度试验结果统计表

将取芯点桩号与该点的弯沉调查结果相互对应，并结合现场取芯的情况，可以发现，当测点的弯沉值较小时，取芯的现场情况基本上对应的是表面完好的状态或者细小的横缝、轻微车辙或离析，此时取出的芯样较为完整，一般都可以取至基层，面层层间与基面层间结合基本完好，基层顶面也很少出现松散，路面结构可以形成一个整体，因此能够提高整个结构的承载能力。当测点的弯沉值较大时，大部分芯样的现场情况对应的是纵缝或唧浆的状态，此时芯样较难完整地取出，大部分芯样仅能取出上面层，中、下面层和基层顶部都发生了松散，层间结合不良，路面结构很难形成一个整体来承受车辆荷载的作用。由于这些病害的产生，路面结构发生了损坏，导致了路面结构整体承载能力已经严重不足。对于部分弯沉值较大的测点，取芯的现场情况虽然对应的是表面完好的状态，芯样也能够取出较为完整的沥青面层，但面层内部的空隙率明显偏大，沥青的粘结力较弱，部分芯样的基层顶面发生了松散或基层出现断裂。尽管此时没有病害产生，路面结构也能够形成一个整体，但由于路面结构强度不足以及材料性能的衰减，也导致了结构承载能力不足。

5 结 论

依托开阳高速公路改扩建工程，研究了旧路面结构承载能力的评价方法，以单点弯沉值、结构层反算模量、路面结构强度指数PSSI和芯样强度等为评价指标，系统分析了旧路面结构承载能力的使用现状及内在成因。这些指标能较好的评价旧路的结构承载能力，对于该公路而言，旧路结构强度整体较好、结构承载能力较为优异，对于结构承载能力满足要求及病害轻微的路段，仅需对旧路进行加铺罩面改善表面功能即可，仅有部分路段弯沉值偏大需要进行局部补强。