半剛性及復合基層瀝青路面破損指標演變規(guī)律研究

林江濤，樊 亮，閆 晨

(1.山東省交通科學研究院山東省道路結構與材料重點實驗室，濟南 250001；2.山東高速股份有限公司，濟南 250101)

截至2019年年底，中國高速公路里程近15×104km，為了保持高速公路服務水平，每年都要投入巨額的養(yǎng)護資金。路面破損指標是一項綜合性指標，它包含裂縫在內的4大類、24種病害[1]，路面破損狀況指數(pavement condition index，PCI)則是對路面破碎指標綜合體現。路面破損綜合反映了路面技術狀況，是確定養(yǎng)護方式的主要依據之一，也是確定養(yǎng)護時機與措施的重點、難點。

眾多研究者對相關路面破損進行了大量的研究。李小川[2]利用路面PCI等指標對路面預防性養(yǎng)護指標與決策進行了論述；李偉等[3]基于3D數據和雙尺度聚類算法對路面破碎(裂縫)進行檢測；李清泉等[4]利用高精度三維測量技術進行路面破損檢測；李其軒等[5]分別利用蒙特卡洛檢驗方法對路面破損面積提取方法進行了修正；李莉等[6]、柯文豪等[7]分別提出了適于路面破損圖像處理的邊緣檢測方法及基于廣義回歸神經網絡瀝青路面裂縫預測方法；覃瀟等[8]則對多場耦合下路面混凝土細觀裂縫的演化規(guī)律進行了研究。但是總體來看，前人研究多是對路面破損數據采集方法、病害嚴重程度及細觀評價方法的研究，對于路面宏觀病害發(fā)展規(guī)律、趨勢與PCI指標并沒有建立起有效聯(lián)系；同時，中國高速公路主要的瀝青路面基層結構形式為半剛性、復合基層。眾多研究及實踐經驗表明[9-10]，由于復合基層中柔性基層的存在，兩種基層類型結構材料、應力響應等都不同，路面病害表現形式及損害機理方面都有巨大差異，但是針對兩種基層類型路面破損指標演變規(guī)律的對比研究少。

現有路面破損數據已經很豐富，但現有描述性指標卻相對匱乏，致使龐大的病害數據利用單一，這造成目前路面養(yǎng)護缺乏計劃性、主動性，造成大量養(yǎng)護資金的損失。因此，將通過對不同基層類型作為研究分析對象，通過對半剛性、復合基層路面破損數據進行分析匯總，結合PCI指標，發(fā)掘其他有益指標及規(guī)律，尋找不同基層路面類型病害發(fā)展趨勢的異同，有效確定養(yǎng)護維修的最佳時機，為高速公路路面科學養(yǎng)護決策提供有效的數據支持。

1 數據來源

采集數據路面包括山東省境內G2京滬高速、G3京臺高速、G3W德上高速及G2001濟南繞城高速等11條高速公路，按照分車道進行里程計算，共計5 244.0 km。由于采集數據所涉及高速公路路面里程相對較長，通車年限不一，路面養(yǎng)護史復雜，甚至部分統(tǒng)計路面已經改變了原來的路面基層結構層形式，但是整體來看，所統(tǒng)計路段養(yǎng)護維修時對路面基層處理程度、面積有限，因此所統(tǒng)計路段基本保持了原有路面結構形式。同一基層類型中的各個層位厚度、級配類型都有所差異，但是基本的結構形式基本類似，表1為統(tǒng)計路面典型路面結構，其中SMA-13表示最大公稱粒徑為13 mm的瀝青瑪碲脂碎石混合料，AC-20、AC-25分別表示最大公稱粒徑為20、25 mm的密實瀝青混凝土混合料，LSPM-30表示最大公稱粒徑為30 mm的大粒徑透水性瀝青混合料。

表1 典型路面結構

2 路面破損衍生指標

2.1 指標定義

路面損壞狀況指數(pavement condition index, PCI)表示路面完好程度的指數，按照現行公路技術狀況評定標準規(guī)定的瀝青路面的PCI計算公式如式(1)所示:

PCI=100-15DR0.412

(1)

式(1)中：DR為路面破損率，是各種病害的折合損害面積之和與路面調查總面積的百分比。

現行技術規(guī)范對瀝青路面病害的類型及嚴重程度已經做了分類，因此在此基礎上對病害種類數量及普及范圍數量的統(tǒng)計，統(tǒng)計的病害種類總計為24種。統(tǒng)計的方法如下：將不同種類病害作為橫列，用i表示(i=1，2，…，24)；對符合PCI統(tǒng)計范圍的百米段進行編號并作為縱列，用j表示(j=1，2，…，N)；若在某100 m路段內，若發(fā)生某種病害則將其數據計為1，若沒有出現此病害則計為0，該數據記為dij。

(2)

(3)

(4)

2.2 基本統(tǒng)計結果

山東高速公路路面PCI指標低于70的路段極少，同時當路面PCI為100時，沒有路面病害發(fā)生，因此PCI統(tǒng)計范圍為[70,100)，劃分為6個統(tǒng)計單元，分別為[70,75)、[75,80)、[80,85)、[85,90)、[90,95)及[95,100)，統(tǒng)計分析所用PCI數據均為100 m檢測數據，統(tǒng)計匯總數據如表2、表3所示。

2.3 結果分析

按照2.1節(jié)中定義的3個關于路面破損衍生指標，將表2、表3數據按照式(2)、式(3)進行計算，得到路面病害覆蓋率DCI1、貢獻率DCI2。需要說明的是，由于統(tǒng)計的路面病害中，部分病害數量數據基本為零，因此在下圖中未進行體現，最終結果如圖1所示。

表3 復合基層路面病害統(tǒng)計結果

表2 半剛性基層路面病害統(tǒng)計結果

由圖1(a)、圖1(b)可知：①兩種不同類型基層路面病害種類覆蓋率DCI1占據絕對位置的均是橫裂修補、縱裂修補、縱向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)4種病害，其他類型病害相對較少；②當PCI統(tǒng)計范圍為[80，85)，半剛性基層路面橫裂修補、縱裂修補、縱向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)4種主要病害的覆蓋率DCI1基本相當，并且在該區(qū)間內出現轉折，即路面主要病害貢獻率DCI2由橫裂修補、縱裂修補轉變?yōu)榭v向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)，在相對應PCI統(tǒng)計范圍下復合基層路面沒有表現出上述現象。由圖1(c)、圖1(d)可知：①兩種基層路面病害貢獻率DCI2最大均是橫裂修補、縱裂修補、橫向裂縫(輕)、縱向裂縫(輕)4種病害，其他類型病害貢獻率相對較??；②當PCI統(tǒng)計范圍處于[80，85)時，半剛性基層路面橫裂修補、縱裂修補、縱向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)4種主要病害的貢獻率DCI2達到一致，并且在該區(qū)間內開始出現轉折，即路面主要病害由橫裂修補、縱裂修補開始轉變?yōu)榭v向裂縫(輕)、橫向裂縫(輕)，復合基層路面沒有表現出上述規(guī)律。

圖1 路面病害相關衍生指標分析

圖2 路面平均病害種類

表4 平均病害種類與PCI值域代表值關系

為進一步分析半剛性、復合基層主要路面病害的演變情況，將上述三項衍生指標變化率進行了計算，需要指出部分病害覆蓋率、貢獻率極小且造成統(tǒng)計分析的巨大波動，對于此部分數據不予進行匯總，最后結果如圖3所示。結合圖3數據結果，將復合、半剛性基層路面破損類病害發(fā)展分析如下。

圖3 路面破損衍生指標變化率

(1)階段Ⅰ，PCI統(tǒng)計范圍為[90，95)：路面病害以橫向裂縫(輕)及相應修補為主，裂縫種類、覆蓋率迅速擴展，半剛性、復合基層路面平均病害種類由1.2、1.3提高到1.9、2.0，增加幅度為65.7%、53.7%；半剛性基層路面橫、縱向裂縫覆蓋率分別提高了313.3%、586.7%；復合基層橫、縱向裂縫覆蓋率分別提高了194.3%、317.2%，此階段半剛性基層路面主要病害的覆蓋率變化率明顯高于復合基層路面，表明半剛性基層路面裂縫發(fā)展速度明顯高于復合基層。

(2)階段Ⅱ，PCI統(tǒng)計范圍為[85，90)：半剛性基層路面橫向裂縫(重)、縱向裂縫(重)病害覆蓋率分別提高了342.2%、607.3%，即相對嚴重病害路面覆蓋率迅速提高；對于復合基層來講，縱向裂縫(重)覆蓋率顯著提高，提高幅度為382.9%，但是橫向裂縫(重)基本變化幅度不大，與[90，95)維持相當的水平。結果表明復合基層路面與半剛性基層路面的不同，即復合基層路面出現嚴重橫向裂縫的階段明顯晚于半剛性基層路面。同時，半剛性、復合基層路面的縱向裂縫(輕)覆蓋率、貢獻率均超過橫向裂縫(輕)所對應指標，此階段是復合基層路面縱向裂縫(包括輕、重)發(fā)展最迅速階段，該種形式的裂縫多為行車荷載作用導致的疲勞開裂。

(3)階段Ⅲ，PCI統(tǒng)計范圍為[80，85)：半剛性基層橫向、縱向裂縫(輕)及相應修補覆蓋率、貢獻率在該階段達到一致，裂縫的未修補量開始超過裂縫的修補量；嚴重病害種類進一步提高，橫、縱向裂縫(重)、塊狀裂縫覆蓋率分別提高了82.5%、95.1%、221.5%，路面開始出現加速破壞的趨勢；路面破損數據體現的只是路面表層病害程度，對路面的深層次損傷不能有效表征，大量取芯試驗及雷達檢測表明，半剛性基層該階段路面內部結構性損傷發(fā)展嚴重，路面表面的養(yǎng)護處置方式已經不能有效發(fā)揮作用，此時應進行必要的結構性的養(yǎng)護。復合基層路面縱向裂縫(輕)、橫向裂縫修補、縱向裂縫修補覆蓋率、貢獻率在該階段達到一致，但是橫向裂縫(輕)的覆蓋率、貢獻率始終低于上述指標；但是橫向裂縫(重)、縱向裂縫(重)在此階段是明顯加速發(fā)展，尤其是橫向裂縫(重)病害，覆蓋率提高了404.6%，此階段溫度應力或基層反射應力都是可能原因。

(4)階段Ⅳ，PCI統(tǒng)計范圍為[75，80)：路面破損嚴重，半剛性基層路面裂縫的未修補量已經明顯高于裂縫的修補量，這表明日常修補、封縫養(yǎng)護措施遠不及裂縫的出現速率，復合基層路面塊狀裂縫出現速率明顯提升。按照現行養(yǎng)護評定標準，此階段路面技術狀況達到中，路面達到中修標準。

(5)階段Ⅴ，PCI統(tǒng)計范圍為[70，75)：半剛性基層路面各種病害覆蓋率、貢獻率變化率明顯下降，但是塊狀裂縫、橫向裂縫(重)、縱向裂縫(重)擴展速度仍相對較高，病害程度持續(xù)增加；復合基層各項病害覆蓋率變化率明顯下降，但是病害程度持續(xù)增加。

結合圖3對描述數據進行梳理，將技術狀況評定為良以上路面病害發(fā)展趨勢的階段代表進行總結，結果如表5所示。

表5 病害發(fā)展主要趨勢

分析認為復合、半剛性基層路面的主要病害類型均是裂縫及相應修補，不同時期裂縫類病害對路面破損的貢獻率平均達到91.7%，并且病害發(fā)展規(guī)律基本一致，首先是橫向、縱向微裂縫快速擴展，然后是橫、縱向裂縫(重)的迅速擴展，最后是塊狀裂縫等綜合裂縫的快速擴展；但是，每個階段兩種路面類型也表現出明顯不同，半剛性基層早期微裂縫的擴展速度明顯高于復合基層路面，兩種路面類型的縱向裂縫(重)病害發(fā)展最迅速階段出現于同一時期，但是相較于半剛性基層，復合基層將橫向裂縫(重)、塊狀裂縫發(fā)展最迅速階段推后了一個階段，這實際表明復合基層路面比半剛性基層路面擁有更好的養(yǎng)護彈性。

造成復合層、半剛性基層路面病害發(fā)展差異的深層次原因在于半剛性基層與復合基層路面材料結構及力學響應上的巨大差異，即使不同高速公路路面半剛性、復合基層路面具體采用的結構、材料及級配存在個體差異，但不同基層類型的差異與同基層類型間的個體差異相比，在整體病害規(guī)律演變方面可暫不考慮。綜上，從整體來看，可以根據基層路面的類型及病害發(fā)展規(guī)律選擇相應的養(yǎng)護策略、措施進行病害的預防性養(yǎng)護，即在某種病害大面積出現前提前介入，養(yǎng)護應該防治結合，以防為第一選擇，治作為第二選擇，根據裂縫類型、成因及發(fā)展階段采取針對性養(yǎng)護措施。一般的當路面PCI處于表5所述范圍時，對于輕微裂縫的防治可以采用霧封層等技術進行處置；對于橫、縱向(重)裂縫可以采用微表處、薄層罩面等養(yǎng)護技術進行防治；當病害進一步擴展至塊狀裂縫發(fā)展迅速階段，可采取就地熱再生等養(yǎng)護技術。

需要指出的是，路面病害的成因，同一表現形式的病害可能的成因會千差萬別，破損類病害同時伴隨其他類型病害，因此路面養(yǎng)護還需要具體病害具體分析，根據實際情況采取合適的養(yǎng)護技術進行精準養(yǎng)護路面。所給出的是基于山東路網級路面破損數據的分析結果，下一步需要對該數據體現的規(guī)律及應用效果進行實體工程的有效性驗證。

3 結論

(1)半剛性、復合基層路面病害覆蓋率、貢獻率均以裂縫類范疇病害占據主導地位，不同時期裂縫類病害對路面破損的貢獻率平均達到91.7%，其他病害種類相對較小或極??；路面平均病害種類與PCI區(qū)間代表值具有良好的線性關系。

(2)當PCI指標處于[90，95)時，半剛性、復合基層均是橫向、縱向輕微裂縫及病害種類發(fā)展最迅速階段；當PCI指標處于[85，90)時，半剛性基層橫向、縱向嚴重裂縫發(fā)展最迅速，復合基層縱向嚴重裂縫發(fā)展最迅速；當PCI指標處于[80，85)時，半剛性基層路面未處置裂縫的覆蓋率、貢獻率開始超過裂縫修補，養(yǎng)護方式出現明顯轉折；復合基層路面此階段橫向裂縫(重)發(fā)展最迅速。

(3)相較于半剛性基層，復合基層將橫向裂縫(重)、塊狀裂縫發(fā)展最迅速階段推后了一段時期，這表明復合基層路面比半剛性基層路面具有更好的養(yǎng)護彈性；路面養(yǎng)護策略、措施的選擇，宏觀上應該根據不基層類型及路面病害在不同時期的演變規(guī)律進行選擇。