基于路基路面綜合評估的佛山一環(huán)高速化改造路面方案研究

黃紅明， 曾國東， 周敏， 孟華君， 楊永前

(佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司， 廣東 佛山 528041)

佛山一環(huán)高速公路由東線(和順至北滘公路主干線工程)、南線(北滘至樂從公路主干線工程)、西線(樂從至獅山公路主干線工程)、北線(獅山至和順公路主干線工程)組成，全長99.2km，采用一級公路兼城市道路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，由主、輔路系統(tǒng)組成，其中主路采用雙向八車道，行車速度100km/h；輔路采用雙向六車道，行車速度50km/h。

自2006年11月建成通車以來，佛山一環(huán)高速公路交通流量逐年上升，超載、重載車多，公路服務(wù)水平逐漸降低；部分路段由于路基沉降、原有道路排水設(shè)施部分失效等造成路面積水，影響行車安全；部分路段損壞較為嚴(yán)重且經(jīng)常性養(yǎng)護(hù)維修，局部路段出現(xiàn)較嚴(yán)重的擁擠和堵車現(xiàn)象，已不能滿足公路使用性能的需求，對其進(jìn)行改造已迫在眉睫。為了恢復(fù)佛山一環(huán)高速的服務(wù)水平，提高其路面使用性能，充分發(fā)揮快速通行能力，調(diào)查分析其氣候及交通量的特點(diǎn)，開展基于路基路面綜合評估的路面使用性能評估研究，研究分析路面病害成因及路面改造的總體設(shè)計(jì)方案。

1 佛山一環(huán)地域特點(diǎn)

1.1 氣候特點(diǎn)

佛山一環(huán)高速屬亞熱帶氣候，日照充足，夏季氣溫高且高溫持續(xù)時(shí)間長、冬季氣溫溫和，高溫集中在7、8月份，年平均氣溫21.7～21.9 ℃，極端最高氣溫接近40 ℃，極端最低氣溫-1.9 ℃；年平均降雨量1 681.2mm，最大降雨量可達(dá)2 000 mm，年平均雨日146.5 d，雨季集中在4—9月，期間降雨量約占全年總降雨量的80%，佛山一環(huán)高速屬于典型的高溫及潮濕多雨地區(qū)，雨熱同季，按瀝青路面氣候分區(qū)指標(biāo)，屬1-4-1夏炎熱冬溫潮濕區(qū)，其自然地理氣候條件如表1所示。

表1 自然地理氣候條件

1.2 交通流量特點(diǎn)

對比分析佛山一環(huán)高速典型年份的實(shí)測及工可預(yù)測交通量分布特點(diǎn)，如圖1、2所示，實(shí)測的各線平均交通量分布趨勢與工可預(yù)測的空間分布特征一致，均呈現(xiàn)“東線>南線>西線>北線”的分布趨勢，其中東線交通量最大；各線實(shí)測交通量遠(yuǎn)超工可預(yù)測，2007年東線實(shí)際交通量已是工可預(yù)測近2倍，2014年部分點(diǎn)位已達(dá)到20×104pcu/d，遠(yuǎn)超過工可預(yù)測2026年的14×104pcu/d。根據(jù)圖3可知，2014年實(shí)測的各類型車輛比例情況為：小客車(38.76%)>中貨(24.34%)>拖掛車(19.78%)>大貨(7.47%)>小貨(5.07%)，工可對小客比例預(yù)估相對較準(zhǔn)確，但高估了小貨比例，低估了中貨、大貨，尤其是拖掛車的比例。從佛山一環(huán)交通量調(diào)查情況可知，其交通量大，超載、重載車多，屬于特重交通量等級。

圖1 佛山一環(huán)實(shí)測交通量分布情況(典型年份)

圖2 佛山一環(huán)工可預(yù)測交通量分布情況(典型年份)

圖3 2014年佛山一環(huán)各類型車輛比例情況

2 路基狀況評估

2.1 軟基路段現(xiàn)狀分類原則

通過對佛山一環(huán)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)條件補(bǔ)勘等基礎(chǔ)性工作，及對路容路貌和物理力學(xué)指標(biāo)變化的分析；從治標(biāo)、治本和高速化改造采取的措施等角度，結(jié)合累計(jì)沉降量、裂縫出現(xiàn)頻率和路面維修方案設(shè)計(jì)等控制指標(biāo)，對軟基路段現(xiàn)狀進(jìn)行分類，具體分類原則見表2，可為佛山一環(huán)高速化改造總體方案的制定提供技術(shù)支撐，也便于對軟基路段的發(fā)展趨勢做進(jìn)一步的理論分析和數(shù)值計(jì)算。

2.2 軟基路段基本現(xiàn)狀及原因分析

根據(jù)佛山一環(huán)現(xiàn)場踏勘情況及軟基路段分類原則，其軟基路段現(xiàn)狀分類所占比例情況如圖4所示，北線為一環(huán)全線現(xiàn)狀最好的一條線路，內(nèi)外環(huán)現(xiàn)狀基本一致，絕大多數(shù)為第一類路段，占北線路段長度的72.2%；東線、西線、南線總體情況基本一致，但內(nèi)外環(huán)現(xiàn)狀各有差異，以東線為例，其內(nèi)外環(huán)軟基路段各現(xiàn)狀分類所占比例情況見表3，東線內(nèi)環(huán)較外環(huán)稍差，部分路段現(xiàn)場踏勘時(shí)仍在維修，現(xiàn)場踏勘結(jié)果的優(yōu)劣與新建施工階段監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的正常與否基本吻合，東線沉降完成比例普遍偏小的居多，此種路段往往裂縫較多且沉降較大，另外卸載前沉降速率過大的路段，或集中卸載、異常卸載的路段往往裂縫較多且沉降較大。

從軟基處理方面考慮，第一、二類情況中裂縫產(chǎn)生的主要因素是：路面面層材料選擇和施工不當(dāng)，路面結(jié)

表2 軟基路段分類原則

圖4 佛山一環(huán)軟基路段現(xiàn)狀分類所占比例情況

%

構(gòu)層設(shè)計(jì)未充分考慮車流量、超載重載車多等因素造成的。第三類情況中裂縫產(chǎn)生的主要因素是：軟基處理不當(dāng)造成的，車流量、超載車輛等其他因素起到了推波助瀾的作用；從現(xiàn)場踏勘情況看，第三類主要發(fā)生在橋頭過渡路段、含結(jié)構(gòu)物路段和一些特殊路段(水載為預(yù)壓荷載、有線外工程路段)，若受經(jīng)費(fèi)限制，可考慮只對橋頭過渡路段進(jìn)行深層次軟基處理。

3 路面使用性能評估

為了充分掌握佛山一環(huán)路面使用性能狀況，采用MMTS多功能道路檢測系統(tǒng)對其瀝青路面損壞、平整度、車轍狀況進(jìn)行全覆蓋檢測，采用SRCIM2007型橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)對其路面橫向力系數(shù)SFC進(jìn)行全覆蓋檢測，采用貝克曼梁彎沉儀和FWD落錘式彎沉儀對其承載能力進(jìn)行評價(jià)，最后采用鉆芯法在典型病害路段對其路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行取芯，初步判斷各典型病害發(fā)展?fàn)顩r，具體舊路路面檢測內(nèi)容如表4所示。

表4 舊路路面檢測內(nèi)容

續(xù)表4

檢測指標(biāo)檢測頻率檢測設(shè)備檢測范圍彎沉在抽檢車道內(nèi)連續(xù)檢測,以公里為單位計(jì)算PSSI貝克曼梁彎沉儀K0+000～K99+200主路第1、4車道在典型路段內(nèi)連續(xù)檢測,以百米為單位計(jì)算各結(jié)構(gòu)層模量EiFWD落錘式彎沉儀K2+000～K82+000主路部分典型路段鉆芯按抽芯原則,在典型病害處鉆取芯樣路面取芯機(jī)K0+000～K99+200主路全幅典型病害路段

3.1 路面損壞狀況評估

佛山一環(huán)高速在交通荷載及環(huán)境條件的共同反復(fù)作用下，路面逐漸出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，其2014年路面損壞狀況指數(shù)PCI總體評價(jià)情況見表5。從表5可知：佛山一環(huán)高速橋面鋪裝層狀況良好，其優(yōu)良率高達(dá)95%以上，且1-2車道和3-4車道無顯著差異；路基段1-2車道和3-4車道路況差異較大(3-4車道破損狀況明顯比1-2車道嚴(yán)重)，雖然東線、南線、西線、北線1-2車道和3-4車道總體評分均為“良”(分別為85分和80分左右)，但其反映在路面現(xiàn)場實(shí)際病害面積上相差約2.5倍，3-4車道PCI評價(jià)為中次差的路段長度也比1-2車道多30 km左右。

表5 路面損壞狀況指數(shù)PCI總體評價(jià)匯總(2014年)

3.2 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測評估

佛山一環(huán)高速在運(yùn)營過程中，隨著交通量及累計(jì)軸載的增加，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸衰減，并影響路面行車安全和使用壽命，根據(jù)現(xiàn)場彎沉和鉆芯取樣結(jié)果，第4車道狀況相對第1車道均稍差，為確保路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價(jià)的可靠性，取第4車道最不利值評價(jià)各路段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，評價(jià)結(jié)果見表6。從路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)總體評價(jià)情況來看，佛山一環(huán)全線路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍保持在“優(yōu)”等水平，PSSI值總體評分為93.4，優(yōu)良率為88.3%，路面整體承載能力仍滿足要求。外環(huán)(優(yōu)良率92.2%)略優(yōu)于內(nèi)環(huán)(優(yōu)良率84.7%)，各路線中南線最好，西線、北線次之，東線相對較差(中及以下路段比例有27.4%)。從已有調(diào)查情況來看，佛山一環(huán)高速局部(幾十米或者百米)路面損壞嚴(yán)重路段半剛性基層已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，其路面病害最常見的表現(xiàn)形式主要有：① 縱橫向裂縫交錯密集；② 縱、橫向裂縫兩側(cè)出現(xiàn)一定寬度網(wǎng)裂且伴有唧漿、沉陷；③ 局部網(wǎng)裂凹陷；④ 塊狀修補(bǔ)密集且重新開裂或損壞；⑤ 結(jié)構(gòu)性轍槽。

3.3 路面行駛質(zhì)量、抗滑性能及車轍深度檢測評估

行駛質(zhì)量、抗滑性能、車轍也是高速公路主要的路面使用性能，同時(shí)是確保路面行車舒適性及安全性的重要指標(biāo)。從檢測情況來看，佛山一環(huán)高速全線路段中有96.8%的路段平整度維持在優(yōu)良水平，僅3.2%的路段平整度狀況稍差。平整度較差路段主要集中在路面病害發(fā)展較為顯著且維修養(yǎng)護(hù)精細(xì)化控制欠佳的路段；其次是橋頭過渡段的差異沉降引起的橋頭跳車路段。全線路段中有98.4%的路段抗滑性能維持在優(yōu)良水平，僅1.6%的路段抗滑性能較差；但是全線SFC代表值在46左右，已不能滿足新建高速公路交(竣)工標(biāo)準(zhǔn)(≥54)要求。佛山一環(huán)高速屬特重交通且全年持續(xù)高溫的條件下，其瀝青路面全線無明顯車轍病害，路面車轍現(xiàn)狀總體評價(jià)為良(RD≤10 mm)，仍能滿足新建高速公路交(竣)工標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)總體評價(jià)情況(2014年)

3.4 路面取芯檢測評估

從佛山一環(huán)高速路面損壞狀況檢測情況來看，其路面病害約90%屬裂縫類病害，其中以縱向裂縫為主，主要集中分布在3-4車道的輪跡帶附近，其次為橫向開裂，開裂形式大多貫穿全路幅，另外還有小部分網(wǎng)裂、坑槽，路面損壞嚴(yán)重路段病害分類情況如表7所示。根據(jù)佛山一環(huán)路面損壞嚴(yán)重路段病害分類情況，對典型病害進(jìn)行抽芯檢測分析，全線共抽取芯樣81個，其中縱向裂縫處53個，橫向裂縫處28個，根據(jù)路面病害及鉆取芯樣特點(diǎn)(表8)分析，縱向裂縫產(chǎn)生的原因主要有兩方面：① 交通量以及超重荷載導(dǎo)致路面產(chǎn)生縱向裂縫；② 由于路基不均勻(含低矮路堤)沉降引起的反射裂縫。橫向裂縫產(chǎn)生的原因主要有：基層反射裂縫、軟土路基差異沉降裂縫和面層溫縮裂縫?？硬邸⒕W(wǎng)裂產(chǎn)生的原因主要有兩方面：① 由于縱(橫)裂縫的支縫擴(kuò)散形成，是裂縫引發(fā)的次生破壞；② 由于施工質(zhì)量引起的水損害。

表7 路面損壞嚴(yán)重路段病害分類情況匯總

表8 佛山一環(huán)路面典型病害成因及芯樣特點(diǎn)

續(xù)表8

典型病害類型芯樣特點(diǎn)主要病害成因網(wǎng)裂、坑槽① 是由縱(橫)裂的支縫擴(kuò)散形成的,是裂縫引發(fā)的次生破壞;② 由于施工質(zhì)量引起的水損害

4 路面改造方案研究

基于佛山一環(huán)高速路基路面的實(shí)際情況，參考中國類似工程的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，提出佛山一環(huán)高速化改造的總體理念：路面結(jié)構(gòu)耐久、技術(shù)成熟可行、施工簡便、經(jīng)濟(jì)合理、安全環(huán)保；總體設(shè)計(jì)原則：提高路面可靠度，減少銑刨料，同時(shí)應(yīng)符合分路段、分車道的少挖加鋪方案原則。佛山一環(huán)高速化改造路面結(jié)構(gòu)加鋪厚度采用了4種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，如表9所示，計(jì)算不用加鋪厚度的頂面設(shè)計(jì)彎沉值和層底拉應(yīng)力，確定適宜的加鋪厚度。根據(jù)表9中的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算方案，在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷折減的基礎(chǔ)上，宜加鋪的厚度為7～11 cm。

表9 路面結(jié)構(gòu)加鋪厚度設(shè)計(jì)與驗(yàn)算方法

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算方案確定的適宜加鋪厚度，綜合其設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)原則對舊路路面的加鋪采用整體加鋪10 cm(4 cm上面層+6 cm中面層)的方案，以相鄰結(jié)構(gòu)物進(jìn)行縱斷面拉坡擬合，其中中面層兼作調(diào)平層。從項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)及全壽命周期成本等角度出發(fā)，瀝青上面層采用綜合性能優(yōu)良的SMA-13，中面層采用密級配改性瀝青AC-20C，抗滑磨耗層方案比選情況見表10。結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際情況(氣候、交通量、路基狀況、路面使用狀況、擴(kuò)建方案、資金、交通維護(hù)等)及總體設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)原則，擬采用的加鋪方案如表11所示。

表10 抗滑磨耗層方案比選情況

5 結(jié)論

(1) 調(diào)查分析了佛山一環(huán)的氣候及交通量分布特點(diǎn)，佛山一環(huán)高速公路屬于典型的高溫及潮濕多雨地區(qū)，雨熱同季；其交通量大，超載、重載車多，屬于特重交通量等級。

(2) 通過現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)條件補(bǔ)勘等基礎(chǔ)性工作，結(jié)合累計(jì)沉降量、裂縫出現(xiàn)頻率和路面維修方案設(shè)計(jì)等控制指標(biāo)，從路基狀況等角度考慮路面維修設(shè)計(jì)原則，建議對橋頭過渡路段進(jìn)行深層次軟基處理。

表11 擬采用舊路加鋪方案

(3) 對佛山一環(huán)高速路面使用性能進(jìn)行檢測評估，橋面鋪裝層狀況良好，其優(yōu)良率高達(dá)95%以上，且1-2車道和3-4車道無顯著差異；路基段3-4車道破損狀況明顯比1-2車道嚴(yán)重，其路面病害約90%屬裂縫類病害，其中以縱向裂縫為主，其次為橫向開裂，另有小部分網(wǎng)裂、坑槽。從已有調(diào)查情況看，佛山一環(huán)高速局部(幾十米或者百米)路面損壞嚴(yán)重路段半剛性基層已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞。

(4) 基于佛山一環(huán)高速路基路面的總體狀況及高速化改造的總體理念，提出路面結(jié)構(gòu)改造總體設(shè)計(jì)原則：提高路面可靠度，減少銑刨料，同時(shí)應(yīng)符合分路段、分車道的少挖加鋪方案原則。佛山一環(huán)高速化改造路面工程在按新建高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)要求，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷折減的基礎(chǔ)上，宜加鋪的厚度為7～11 cm，綜合其設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)原則對舊路路面的加鋪采用整體加鋪10 cm(4 cmSMA-13上面層+6 cmAC-20C中面層)的方案，中面層兼作調(diào)平層。