超期服役重载交通路面结构性能分析

郭少华

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

随着多年的运营，早期建成的干线高速公路已逐渐接近或超过沥青路面设计使用年限15年。由于干线高速公路在路网中的重要作用，往往承载的交通量很大，在多年的交通荷载和自然条件的共同作用下，路面结构性能将发生较大衰减，分析其结构性能对高速公路路面维修、改扩建加铺等具有重要的意义。以1999～2000年建成的京哈高速公路沈阳至山海关段(以下简称沈山高速)为例分析超期服役重载交通路面结构性能的变化。沈山高速公路为双向六车道高速公路，全长360km，路面结构总厚73cm，至今已运营超过19年。

1 交通量与轴载

1.1 交通量

沈山高速路面设计年限内设计车道当量轴载累计作用次数为1755万次。作为东北地区的主要入关大通道，自通车以来，交通量呈现出“前期快速增长、后期高位运行”的态势，图1统计了沈山高速历年日平均交通量折算结果和货车比例，根据轴载换算公式，仅2012、2013年两年设计车道轴载作用次数就达到1957万次，超出原设计累计轴载次数。

根据疲劳破坏原理，路面结构疲劳破坏主要由货车轴载作用引起，从图1中可以看出沈山高速货车占比大，2015年以前货车比例保持在60%以上。因此近年来沈山高速一直处于超期过载服役状态。

图1 沈山高速公路历年日平均交通量与货车比例

1.2 轴载谱

沥青路面的疲劳寿命不仅与交通量的车型分布有关，还与各轴型的轴重分布有关，2017年新版沥青路面设计规范已将轴载谱的收集作为改扩建高速公路路面设计的要求[1]。为此收集了沈山高速公路的交通量称重数据，将沈山高速的货车按轴型进行分类，经统计6轴货车所占比重最大，6轴货车的典型轴载谱如表1、表2。

结合本高速轴载谱、货车类型系数等参数，计算出其设计荷载为150kN。再根据实际测量统计得到的轮胎接地面积0.0394m2，计算出设计荷载接地压力为0.95MPa。

2 路面使用性能检测

依据2018年9月道路综合检测结果，对各项指标进行统计评定分析，其总体评定结果为：路面使用性能PQI全线平均值为86.30分，破损PCI全线平均值为83.98分，平整度RQI全线平均值为90.04分，车辙RDI全线平均值为82.03分，抗滑性能SRI全线平均值为85.90分。

表1 6轴货车三联轴荷载分布密度

表2 6轴货车双联轴荷载分布密度

依据《公路技术状况评定标准》(JTG H20-2007)的规定，除平整度指标评定为优外，其余指标均评定为良。

图2 沈山高速2015～2018年路面检测数据

根据图2沈山高速2015～2018年的路面检测

数据可以看出，路面破损指数PCI在2016、2017年分别下降2.1分、5.8分，处于路面破损急速加快的过程，由于2018年对破损严重的路段进行了维修，使得2018年路面PCI值略有提高。路面行驶舒适性指数RDI在2016、2018年分别下降了2.9分、1.6分，可以看出路面车辙深度在持续增加。而路面平整度指数RQI和抗滑指数SRI则稳定在较高的水平并缓慢下降。因此，路面使用状况指数PQI的下降主要来自于PCI指数的下降，其次是RDI指数。

将沈山高速历年的检测结果进行统计并预测PCI和RDI指数的变化趋势见图3、图4，可以看出2018年的维修有效地减缓了路面性能指数的衰减，PCI指数下降延缓约3年，但是由于维修规模较小，PCI指数仍在快速下降，并将在2021年仍会下降到80分以下；RDI指数下降延缓约1年，将在2021年进入快速发展阶段，而2025年RDI指数会下降至30分。因此，为维持沈山高速公路的服务水平和行驶舒适性，2019～2020年仍需继续进行路面维修。

图3 行车道PCI发展模型

图4 行车道RDI发展模型

3 路面病害调查

为进一步了解路面的破损情况，详细调查了具体损坏段落、损坏类型及轻重程度。同时，对典型病害进行了取芯分析。调查得出该高速典型病害型式为纵向裂缝、龟裂、块裂、车辙、坑槽及松散、剥落。各种路面病害的长度及严重程度见图5。路面病害总长度为1178车道公里，占路面总长度的59.6%，全线分区间维修车道长度占本区间总长度百分比见图6。

图5 病害类型及轻重程度柱状图

图6 全线各区间路面病害分布

(1)横向裂缝

横向裂缝是北方季冻地区常见的沥青路面损坏型式。在裂缝形成初期，如及时灌缝，对路面使用性能影响不大。但随着路龄增长，沥青弹性恢复能力逐渐减弱，路表水逐渐进入到裂缝内部。在重载车的作用下产生极大的动水压力，造成中、下面层及沥青层底面的基层料发生松散，松散材料在水的泵吸作用下，被带到路面，久而久之就形成了局部沉陷。对路面取芯可发现，沉陷处基层已经发生损坏。

(2)纵向裂缝

纵向裂缝产生分为两种原因，一是路基不均匀沉降，包括软基沉降、路基碾压不匀引起沉降及路面边部(或中分带)水浸引起路基不均匀沉降；二是车辆轴载作用引起的疲劳开裂。沈山高速纵向裂缝主要由第二种情况引起。

(3)龟裂、块裂

龟裂及块裂均属于疲劳开裂，其发展规律是自下而上。因此，路表一旦发生此类病害，表明整个沥青层都损坏，需要挖除重建。

(4)车辙

车辙产生的原因是沥青混合料抗剪性能不足引起的剪切变形。在标准荷载和沈山高速设计荷载作用下的剪应力沿路面深度范围内的分布见图7。可以看出，沈山高速下面层的应力水平与标准荷载下中面层的应力水平相当。因此路面剪切变形会发展到下面层，维修时要提高下面层抗车辙指标要求。

图7 沥青层内部剪应力分布图

4 路面材料性能试验

4.1 沥青试验

由于沈山高速一直处于超期过载服役状态，加上货车超载带来的不良影响，自通车以来沈山高速一直不断地进行路面维修。经过多年的维修，上面层已经基本进行过处理，中面层未完全处理，下面层仅有少量进行过处理。因此，在达到设计使用年限后，各沥青层的性能情况需要通过试验评定。通过对抽提出的沥青进行针入度、延度、软化点参数试验，来评价其沥青性质变化。通过对旧路集料进行筛分试验，来评价其级配情况。除上面层外，试验材料取样均取自从未进行维修的区域。

表3 面层材料试验结果

从以上试验结果可看出，对于旧路下面层，油石比为4.57%，略大于目前新建高速公路AC-25下面层的设计油石比。粗集料压碎值也满足目前规范要求。但细集料棱角性不满足目前规范，主要原因是原下面层细集料采用的是天然砂砾。

中面层的沥青针入度只有13.2，沥青已经严重老化，且较下面层老化更严重。细集料的棱角性及粗集料的针片状含量不满足现行规范的要求。上面层针入度为24.7，由于已进行过维修，所以其老化程度好于中面层。上面层沥青针入度值接近现场热再生技术要求的下限值，因此不适合采用现场热再生的维修方案。

4.2 基层试验

为评价原路基层性能，共在旧路基层取芯样108处。取芯位置分布在锦州至省界段病害严重处，车道位置为中车道和边车道。现场取样时，绝大多数芯样完整无碎裂，说明原路路面结构整体性较好，局部位于路面严重裂缝处的芯样随裂缝被切割成块，但是未松散成粒，这与路面只出现裂缝但并无唧浆、严重沉陷的现状是吻合的[2]。

通过室内物理力学实验进一步验证基层材料的结构强度。图8为基层材料抗压回弹模量和无侧限抗压强度的试验结果分布图，其中无侧限抗压强度最小值为5.3MPa，仍满足现行路面设计规范对基层材料性能的要求。说明沈山高速的基层材料在重载环境下超期服役4年后，其结构性能未出现大幅度衰减。

图8 基层芯样抗压强度和回弹模模量

沥青路面设计时，层间完全连续是基本假设之一，而层间完全连续对结构受力是有利的。从沈山高速现场取芯来看，沥青层之间粘结较好，而基层之间几乎完全分离，近似于半光滑接触。为此计算了原路面结构在沈山设计荷载作用下，不同接触条件下路面基层内部应力情况。

表4 不同层间结合状态时层底拉应力

从表4中可看出，基层内部最不利位置为上基层底面。针对沈山高速上下基层间半光滑、下基层与垫层之间光滑的接触状态，层底最大拉应力为0.316MPa。

根据实验结果，基层无侧限抗压强度最小值为5.3MPa，换算为抗拉强度约为1.117 MPa，而层底拉应力约为抗拉强度的28.3%，即拉应力小于疲劳极限，因此基层结构性能满足疲劳寿命的要求。

5 结论

通过对沈山高速公路的交通量数据、路面使用性能检测数据、路面病害及路面芯样试验结果进行分析，得出沈山高速已经处于超期过载服役状态，车辆荷载远超设计轴载；路面使用状况指数PQI的下降主要来自于PCI指数的下降，其次是RDI指数，并需要在2019～2020对路面进行维修，以防止路面PQI指数过低；原路沥青面层在多年使用后已经老化严重而不适于现场热再生，维修应采用铣刨重铺方案；基层弯拉强度和疲劳寿命仍能满足使用要求。