基于多維度空間綜合檢測技術(shù)的高速公路路面養(yǎng)護(hù)方案研究

孫健、孔維臻

（廣東華美加工程顧問有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概況

廣州至河源高速公路惠州段，起點(diǎn)樁號K69+667.472，終點(diǎn)樁號K144+245，路線全長75.34km，至2023 年通車已有11 年，其路面結(jié)構(gòu)為倒裝式柔性基層結(jié)構(gòu)。全線采用雙向六車道瀝青混凝土路面，路基寬度34.5m，設(shè)計(jì)行車速度為120km/h。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用倒裝式柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計(jì)車輛荷載：公路-I 級。于2012 年1 月10 日建成通車。

2 路面使用狀況分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2021 年7 月，廣東華美加工程顧問有限公司對廣河高速惠州段廣州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營期樁號K128+644—K130+144）段路面進(jìn)行路面常規(guī)檢測，路面彎沉檢測采用落錘式彎沉儀。

采用落錘式彎沉儀對廣州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三車道進(jìn)行檢測，河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營期樁號K128+644—K130+144）段第一、二、三車道的路面彎沉值進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1 所列。

表1 路面彎沉及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI 評價結(jié)果匯總

由表1 可知，檢測路段存在以下問題：

一是河源方向檢測路段第三車道彎沉值整體上大于廣州方向第三車道的彎沉值，說明河源方向第三車道檢測路段的路面強(qiáng)度更弱，路面更易發(fā)生損壞。二是廣州方向K106+500—K107+500 路段的彎沉代表值為28.20（0.01mm），廣州方向K126+550—K18+050（運(yùn)營期樁號K128+644—K130+144）路段的彎沉代表值為29.54（0.01mm），接近路面設(shè)計(jì)彎沉值，道路儲備強(qiáng)度不足。三是河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營期樁號K128+644—K130+144）路段的彎沉代表值為31.50（0.01mm），彎沉較大，超出路面設(shè)計(jì)彎沉值，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯不足。

2.2 路面損壞狀況

路面狀況采用多功能道路檢測車檢測，利用視覺傳感器，對路面病害進(jìn)行掃描。路面病害主要是縱向裂縫及橫向裂縫，另外有少量龜裂、坑槽和松散，路面損壞典型照片如圖1、圖2 所示。

圖1 裂縫、龜裂

圖2 松散、龜裂坑槽

經(jīng)檢測和調(diào)查，按公里劃分的各區(qū)間段病害數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和等級評定，路面病害形式主要有：裂縫、龜裂、松散、坑槽，雖然病害種類多樣，但路面PCI 評價大部分在92 以上，評價等級為優(yōu)，沒有評價為良及其以下路段。

2.3 探地雷達(dá)檢測分析

3D 探地雷達(dá)（Ground Penertrating Radar—GPR）工程探測屬于一種高頻微電子及計(jì)算機(jī)綜合應(yīng)用的前沿技術(shù)，特別是近代計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，使得該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程探測?？梢詫⒙访嫔顚哟嬖诘拿摽?、松散、裂縫類型直觀地反映出來，對彎沉較大疑似脫空的位置進(jìn)行復(fù)核、驗(yàn)證。

在對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)右幅第三車道彎沉值總體偏大，存在疑似脫空及松散的情況，具體路段彎沉值如圖3 所示。

圖3 河源方向K127+246—K127+478 第三車彎沉值

由圖3 可知，該路段已有多處位置彎沉超過30（0.01mm）的設(shè)計(jì)值。利用3D 探地雷達(dá)對該路段進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)河源方向K127+246—K127+478 第三車道基層存在沉降、脫空及松散的情況，較為典型位置如圖4、圖5 所示。

圖4 河源方向K127+246—K127+478 第三車道雷達(dá)影像截圖

圖5 河源方向K127+560—K127+562 第三車道雷達(dá)影像截圖

由圖4 可知，在黑色加粗方框（原圖是紅色方框）范圍內(nèi)，路面10～50cm 之間，出現(xiàn)不規(guī)則波浪形曲線，究其原因是基層的不均勻沉降，引起路面脫空。3D 雷達(dá)的掃描結(jié)果基本與彎沉值呈現(xiàn)出對應(yīng)關(guān)系。

由5 可知，河源方向K127+560—K127+562 第三車上面層總體狀況良好，但在路表下50cm 處，黑色豎向加粗方框（原圖是紅色框）存在內(nèi)部脫空情況，同時也印證了彎沉的檢測結(jié)果，找到該路段彎沉較大的真實(shí)原因，為下一步病害處治手段選擇提供重要參考。

綜合利用落錘式彎沉儀及3D 探地雷達(dá)，對廣州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三車道，河源方向K126+550—K128+050（運(yùn)營期樁號K128+644—K130+144）段第一、二、三車道的路面進(jìn)行3D 雷達(dá)掃描，并結(jié)合彎沉檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)路面病害呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

其一，河源方向的K126+550—K128+050 路段彎沉和內(nèi)部病害都遠(yuǎn)大于廣州方向K106+500—K107+500 路段，且均為第三車道病害較為突出。因其長期受車輛重載的作用，彎沉也較大。

其二，基層出現(xiàn)前后基層沉降及脫空和局部松散的路段，落錘式彎沉儀檢測出的彎沉較大，基層的結(jié)構(gòu)承載能力不足，以河源方向樁號為K127+264—K127+478 的第三車道較為明顯，路面基層內(nèi)部脫空和沉降較為嚴(yán)重[1]。

其三，面層裂縫及面層修補(bǔ)的路段，檢測出的彎沉值較小，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部病害的出現(xiàn)對路面彎沉造成不利影響[2]。

綜上所述，廣州方向K106+500—K107+500 與河源方向K126+550—K128+050 路段面層整體使用性能良好，基層存在一些內(nèi)部的沉降及脫空病害，結(jié)構(gòu)承載能力降低[3]。對于彎沉較大且基層強(qiáng)度明顯不足或病害較為嚴(yán)重的路段，應(yīng)采取一定的養(yǎng)護(hù)措施及時處治，提升路面的行駛質(zhì)量。如果不及時處治將進(jìn)一步加重路面的變形和車轍問題，影響行車舒適性和安全性。

2.4 有限元分析

結(jié)合彎沉反算的應(yīng)力應(yīng)變，利用有限元對標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的瀝青路面進(jìn)行分析，圖6 為荷載中心位置下豎向壓應(yīng)變隨深度的變化曲線，表2 為其各個層位對應(yīng)的豎向壓應(yīng)變大小。

圖6 荷載中心位置下豎向壓應(yīng)變隨深度的變化曲線

表2 倒裝式柔性基層瀝青路面不同深度處壓應(yīng)變大小

由表2 及圖6 可知：

一是豎向壓應(yīng)變在上面層內(nèi)先增加到最大值而后逐漸減小，在水泥穩(wěn)定碎石底基層時壓應(yīng)變有所增大。二是不同的顏色區(qū)域代表壓應(yīng)變值的大小，壓應(yīng)變隨著深度的增加而減小，倒裝式柔性基層瀝青路面的應(yīng)變分布較為均勻。三是倒裝式柔性基層瀝青路面的上、中、下面層壓應(yīng)變在荷載作用范圍內(nèi)隨著與輪隙中心距離的縮減，先減小后增大，在荷載作用中心附近達(dá)到最大。四是上、下、底基層壓應(yīng)變在荷載作用范圍內(nèi)隨著與輪隙中心距離的縮減逐漸減小，在輪隙中心附近達(dá)到最大。土基頂面最大豎向壓應(yīng)變?yōu)?22.873με，壓應(yīng)變較大原因在于倒裝式柔性基層結(jié)構(gòu)在荷載作用下承載能力較低，容易發(fā)生協(xié)同變形，產(chǎn)生車轍損害[4]。

2.5 路面使用狀況綜合分析

針對廣河高速惠州段廣州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050 路段路面進(jìn)行常規(guī)檢測、專項(xiàng)檢測及有限元分析，由檢測結(jié)果分析可知：

一是檢測路段路面的功能性指標(biāo)良好，如路面破損、車轍及平整度；而路面的結(jié)構(gòu)承載能力出現(xiàn)不足。河源方向路段的代表彎沉過大，已不滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求[5]；廣州方向路段的代表彎沉雖滿足設(shè)計(jì)要求，但已接近設(shè)計(jì)臨界值，且目前距道路設(shè)計(jì)年限仍有較長時間。從剩余壽命角度考慮，也應(yīng)對其進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，延長其使用壽命。二是3D 雷達(dá)檢測表明河源方向有內(nèi)部病害的路段較多，占檢測里程的23.6%，廣州方向路段良好，占檢測里程的4.5%。病害類型主要為面層的裂縫、坑槽及修補(bǔ)問題和基層的沉降、脫空、局部松散問題。三是雷達(dá)檢測結(jié)果與彎沉對比發(fā)現(xiàn)對于路面內(nèi)部脫空和基層沉降等內(nèi)部病害較為嚴(yán)重的路段，結(jié)構(gòu)承載能力降低，彎沉較大。整體來說此次檢測路段的路面基層脫空病害較少。

3 路面綜合處治方案確定

廣州方向K106+500—K107+500 彎沉代表值為28.2（0.01mm），廣州方向K126+550—K128+050 彎沉代表值為 29.54（0.01mm），與設(shè)計(jì)彎沉值 30（0.01mm）相近，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度處于臨界狀態(tài)。為了提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，考慮在路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，采用直接加鋪罩面方案。

河源方向采用直接加鋪罩面方案。河源方向K126+550—K128+050 彎沉代表值為 31.50（0.01mm），超出路面設(shè)計(jì)彎沉值30（0.01mm），且部分路段存在內(nèi)部脫空，結(jié)構(gòu)承載能力明顯不足，提出采用加鋪結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層的處治方案。

除采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層的養(yǎng)護(hù)方法外，針對3D 雷達(dá)探測出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的位置，重點(diǎn)對河源方向建議采用注漿補(bǔ)強(qiáng)與加鋪罩面相結(jié)合的綜合處治方法，對級配碎石層到路基均進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，提高路面結(jié)構(gòu)整體承載能力。注漿補(bǔ)強(qiáng)主要集中在級配碎石層及水穩(wěn)層。由于注漿補(bǔ)強(qiáng)后提高了基層剛度，理論上更易產(chǎn)生反射裂縫。

加鋪厚度的確定：

結(jié)合路面彎沉實(shí)測值，對原路面結(jié)構(gòu)層材料模量進(jìn)行試算，使得路面結(jié)構(gòu)的實(shí)測彎沉代表值與計(jì)算彎沉值相接近，表明此時試算的結(jié)構(gòu)層材料模量與實(shí)際結(jié)構(gòu)層材料的模量相接近。此次路面結(jié)構(gòu)層材料模量試算僅考慮瀝青碎石上基層及以上面層材料模量的衰變，采用HPDS 對基層模量進(jìn)行試算，如表3所示。

表3 各結(jié)構(gòu)層實(shí)測彎沉值下對應(yīng)的模量

結(jié)合各結(jié)構(gòu)層實(shí)測彎沉值下對應(yīng)的模量，利用HPDS 對加鋪結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，不同彎沉代表值下所需加鋪厚度如表4 所示。

表4 不同彎沉值代表值下所需加鋪厚度

由表4 可知：

其一，采用直接加鋪罩面方案時，當(dāng)原路面檢測彎沉值代表值在33（0.01mm）～40（0.01mm）時，路面直接加鋪層厚度至少需要4.2～10.2cm。

其二，采用直接加鋪罩面方案主要針對彎沉較小的路段，結(jié)構(gòu)整體無明顯變化。廣州方向路面實(shí)測代表彎沉值為28.2（0.01mm）時，經(jīng)驗(yàn)算加鋪層厚度為1cm，滿足設(shè)計(jì)要求。

其三，河源方向路面實(shí)測代表值為34.5（0.01mm），直接加鋪厚度最少需6cm。對級配碎石到路基注漿補(bǔ)強(qiáng)的位置，經(jīng)驗(yàn)算后需再加鋪1cm。

綜上所述，提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，采用直接加鋪罩面方案，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定加鋪層的厚度為6cm，并對級配碎石到路基注漿補(bǔ)強(qiáng)。

4 結(jié)語

高速公路養(yǎng)護(hù)方案的選擇，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。綜合利用荷載傳感器、視覺傳感器、3D 雷達(dá)探測器，同時應(yīng)用有限元進(jìn)行仿真，從多維空間對路面現(xiàn)有病害進(jìn)行檢測，針對性地對現(xiàn)有病害進(jìn)行處治，不僅節(jié)省工程造價，更能保障處治措施的有效性。