浙北地区农村公路路面病害及养护标准研究

陈 炎，张倩倩

(苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

农村公路是我国公路网的重要组成部分，其规模大、覆盖面广。农村公路路面等级不高，路面使用性能逐年下降，容易出现路面坑槽、龟裂等病害[1]。当前农村公路已进入“建养并重”时期，农村公路路面面临的养护改造压力越来越大。

自20世纪60年代起，美国开始研究科学的路面养护决策，多采用路况数据与工程经验判断相结合的方法。20世纪70年代后期，很多国家针对路面养护开发专门的管理系统，以提高公路养护管理效率，如路面管理系统、公路养护和评价系统等[2-3]。在我国，公路路面维修养护决策主要依据养护技术规范，且绝大部分的研究成果是关于高速公路和国省干线公路，针对农村公路路面的研究相对较少。对于农村公路而言，临时性养护方法最为常用，尚未开展科学的维修养护标准研究。

本文针对浙北地区农村公路路面维修养护进行全面研究，在有限的资金条件下，开展路面运行状况调研和使用性能评价，进行农村公路旧路面维修养护决策研究，以期解决上述矛盾和困难，全面提升农村公路路面性能。

1 农村公路路面运营状况研究

1.1 农村公路路面调查与分析

浙北地区属于亚热带季风气候，降雨充沛，沥青路面应该具备优异的抗水损坏性能和低温抗裂性能，以减少路面产生水损坏、温度裂缝等病害。

通过调研可知，四级公路是浙北地区等级公路中的主体部分，由于浙北地区经济水平和交通建设水平较高，部分农村公路可以达到二级以上的技术水平。该地区典型路面结构形式主要为3 cm AC-13C和5 cm AC-13C，多数路段沥青面层采用3 cm AC-13C+5 cm AC-20C双面层结构，部分重载交通路段沥青面层采用4 cm AC-13C+6 cm AC-20C。浙北地区典型沥青路面结构形式如表1所示。

表1 浙北地区典型沥青路面结构形式

近年来，浙北地区(调查路段)的超载车比例超过20%，且呈现逐年增加的趋势，这对浙北地区农村公路的通行能力和服务水平提出了更高要求。

1.2 路面使用性能状况分析

沥青路面使用性能评价包括路面损坏、路面车辙、路面平整度、抗滑性能和结构强度(PSSI)5项技术指标[4]。对于农村公路，车辙损坏是计入路面破损率(DR)指标中的，路面结构强度需要单独计算和评定，评定范围根据路面养护改造需求、路基地质条件等灵活调整[5]。

在调查统计的浙北地区农村公路中，沥青路面使用性能总体状况普遍较差。路面损坏、路面平整度和结构强度均较差，这不仅会影响公路通行能力和行驶质量，还会对浙北地区农村公路路网的服务质量产生不利影响。

结合现场调查结果显示，浙北地区农村公路沥青路面整体状况较差，路面病害中龟裂、重度松散较为普遍。基层集料整体性较差，取芯过程中发生松散破碎，芯样不能完整取出，与结构强度较差基本符合。

2 农村公路路面维修养护标准研究

2.1 路用性能评价

通过统计分析浙北地区农村公路沥青路面调查数据，从路面损坏、路面平整度、结构强度和抗滑性能等技术指标进行评价。

2.1.1 路面损坏

路面损坏统计如表2所示。

表2 路面损坏统计 (%)

由表2可知，浙北地区农村公路沥青路面状况较差，龟裂面积占比较高，松散和块状裂缝次之。

由此可知，在当地需要进行养护改造的沥青路面中，龟裂、松散和块状裂缝是主要病害，也是路面维修养护技术方案制定的主要参考指标。龟裂和块状裂缝的形成机理较为相似，可按照网裂形态统一分析。

2.1.2 路面平整度

路面平整度指标是评价沥青路面路用性能的重要指标，对现场调研得到的IRI(国际平整度指数)进行统计分析，路面平整度统计如表3所示。

表3 路面平整度统计

由表3可知，浙北地区农村公路沥青路面平整度状况较差，IRI>6.2 m/km的路段占总调查路段的98%。原路面存在大量的裂缝类病害，再加上大量的修补，路面行驶质量较差。因此，路面平整度也是路面维修养护时应重点考虑的指标。

2.1.3 结构强度

为全面了解浙北地区农村公路的结构强度，以单点弯沉值表征结构强度，结构强度统计如表4所示。

表4 结构强度统计

由表4可知，浙北地区农村公路沥青路面弯沉值较大，结构强度较差。结合浙北地区农村公路沥青路面现场调查结果，取芯情况显示的基层集料整体性较差，与结构强度较差的结论相符。

2.1.4 抗滑性能

浙北地区农村公路沥青路面抗滑性能评价为中，单点SFC(横向力系数)值为[33.5，40)的段落占调查路段的100%，相比路面破损、路面平整度和结构强度，抗滑性能相对较好。

已有研究结果显示，极少路段采用抗滑性能作为养护改造决策的主要指标[6]。因此，推荐浙北地区农村公路路面改造关键指标主要选择路面损坏、路面平整度和结构强度。

2.2 路面养护关键指标研究

针对已经实施过养护改造的农村公路路面，通过收集整理路段基础数据，采用数理统计方法对其进行分析，分析维修养护时可采用的标准与阈值。

2.2.1 面层状况评价指标

为使评价结果更加准确地反映路面的实际使用品质，合理制定路面维修养护方案，结合浙北地区路面实际状况，对现有指标进行补充完善，建立适合浙北地区农路公路沥青路面的评价体系。

由于浙北地区农村公路中一级公路占比较少，绝大部分农村公路属于二级及二级以下公路，这与《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)中的标准分类情况一致。因此，本文研究的所有路段及其标准的对象均为二级及二级以下公路。

1)路面损坏评定

浙北地区农村公路路面损坏相关的维修养护指标主要是路面网裂(龟裂、块状裂缝)和松散，评价指标分别为网裂率(龟裂、块状裂缝)和松散面积比，计算公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Pw为网裂率，%；Ps为松散率，%；AM为网裂病害折算面积，其为病害面积与权重系数的乘积，m2；AS为松散病害折算面积，其为病害面积与权重系数的乘积，m2；A为调查路面总面积，m2；n为某种路面病害的严重程度。

采用保证率系数确定路面性能状况各指标的养护技术标准，对实施过养护改造利用的农村公路沥青路面病害数据进行梳理和统计，得出处治标准和阈值，计算公式为

(5)

选择农村公路沥青路面中以路面网裂(龟裂、块状裂缝)为主要评价指标的路段，统计采用中修措施(面层铣刨重铺、面层再生、罩面)路段对应的网裂率Pw，采取保证率系数，确定采用中修措施路段的网裂率界限为Pw≥13%。

选择农村公路沥青路面中以松散为主要评价指标的路段，统计采用中修措施(面层铣刨重铺、面层再生、罩面)路段对应的松散率，采取保证率系数，确定采用中修措施路段的松散率界限为Ps≥8%。

研究结果表明，网裂类和松散类是对路面性能影响较大的病害类型，现场调查显示，这两类病害易发生在同一路段。建立这两类病害的复合评价模型，以PDI表示路面损坏复合评价指标，即病害指数，PDI指标拟合数据如表5所示。

表5 PDI指标拟合数据

由表5可知，通过对拟合公式标准方差进行比较，确定拟合精度较高公式。计算公式见式(6)。

(6)

(R2=0.975)

式中，PDI为病害复合评价指标。

2)路面平整度评定

影响路面行驶质量的主要因素是路面平整度。当平整度降至某一限值时，路面行驶质量不能满足行车对路面的基本功能要求，需要采取改建或重建措施改善平整度，以恢复路面性能[7]。统计采用中修措施路段对应的路面平整度，计算得出农村公路路段中采用中修措施路段所对应的沥青路面RQI(路面行驶质量指数)指标要求为RQI≤74。

2.2.2 路面结构状况评价指标

浙北地区农村公路路面结构绝大部分为半刚性基层沥青路面(二灰稳定碎石基层、水泥稳定碎石基层)，路面基层状况评定综合考虑刚度和强度两个方面，刚度主要由路面弯沉指标表征，强度主要由基层结构的弯拉强度指标表征。

1)刚度评定

结合《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)，选择SSI(路面结构强度系数)作为沥青路面结构状况评价指标。针对采用大修措施(基层铣刨重铺与基层再生)路段情况，统计分析各路段通过弯沉得到的SSI值，计算保证率系数，确定采用大修措施路段SSI指标要求为SSI≤0.68。

2)强度评定

对于基层而言，弯拉强度是决定在此应力状态下路面结构是否会产生弯拉破坏的重要参数，可作为辅助指标，对路面承载能力进行决策，强度标准参考《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2018)。

2.3 农村公路路面维修养护关键指标

针对浙北地区农村公路路面运营状况，综合多项改造关键指标，研究指标之间的关联性，建立农村公路路面结构改造利用决策体系。

2.3.1 决策依据

在进行改造利用决策过程中，根据决策目标要求，确定决策指标，制定各种不同路面状况所对应的改造利用措施，为改造利用决策提供依据。

1)决策指标的分级排序

依据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)和《公路养护技术规范》(JTG H10—2009)，从理论养护改造需求的角度考虑，在浙北地区农村公路维修养护决策体系中，沥青路面性能指标决策优先等级可依次排序为：路面结构强度(弯沉数据)、路面损坏、路面平整度。路面结构和材料性能指标，可在各决策指标中进行辅助判断，不列入决策树的主要分支。

2)决策条件

决策条件是决策树构建的另一个重要因素，通过决策条件决定决策树分支的走向，从而进入下一级决策[8-9]。

2.3.2 维修养护决策体系

在路面改造过程中，需要根据关键指标确定旧路面性能，进而确定路面基层和面层养护措施，建立农村公路沥青路面维修养护决策体系，如图1所示。

图1 农村公路沥青路面维修养护决策体系

3 工程应用及效益评估

依托浙北地区农村公路改造实体工程，开展农村公路路面维修养护决策体系工程应用与评价，对现场维修状况进行评估。

3.1 路面使用状况调查

通过对整个路段进行现场调查可知，该路段路面损坏状况普遍较严重，块状裂缝和龟裂是主要病害，大量小型坑槽主要出现在重度龟裂处，局部路段产生沉陷，整个路段路面损坏状况评定等级为差。

该路段总体弯沉状况评价为中。根据沥青路面改造利用决策体系要求，SSI值不符合要求，需要对基层芯样的抗压强度进行判断。

取芯结果显示，路面病害以龟裂、松散居多，病害处基层集料整体性较差，病害已贯通基层，部分基层芯样在取芯过程中即发生破碎，可知其基层强度较差，不满足决策体系中对强度的指标要求。

3.2 路面维修养护

通过对浙北地区农村公路路面维修养护决策体系进行决策，得到该路段的维修养护方案为：基层应进行铣刨(大修)。综合考虑养护、造价和路面材料回收利用情况，确定路面维修方案为：对沥青面层全部(部分)铣刨后，进行全深式水泥稳定碎石就地冷再生基层施工，然后统一回铺3 cm AC-13C上面层+5 cm AC-20C下面层，沥青上面层和下面层间设沥青黏层，沥青面层与水泥稳定碎石基层间设沥青封层。

从现场改造情况来看，浙北地区农村公路路面维修养护标准作为农村公路维修养护的决策工具，在路面性能指标和标准方面的决策是有效的，可以高效、精准指导当地乃至全国各地区农村公路路面大中修养护工作，全面提升农村公路路面性能。

3.3 效益评估

针对路面改造利用过程，对经济效益和节能环保效益等进行评估。

3.3.1 经济效益

对进场后的铣刨料生产前的处理成本进行核算，水泥冷再生沥青混合料中旧料与新料质量比为70∶30，水泥掺量2%。相较于低剂量水泥稳定碎石基层，本项目水泥冷再生沥青混合料节省成本约105.55万元，节约成本约59%。

3.3.2 节能环保效益

由能耗计算结果可知，对于整个工程，水泥冷再生沥青混合料替代水泥稳定碎石沥青混合料所节约的总能耗为0.2×106MJ，相当于少燃烧7.3 t的标准煤，水泥冷再生沥青混合料替代水泥稳定碎石沥青混合料所减少的CO2排放量为0.1×105kg。

4 结论

针对浙北地区农村公路路面病害状况，对路面维修养护标准展开研究，主要结论如下：

(1)通过对浙北地区农村公路沥青路面现场调研与分析，浙北地区农村公路路面路用性能总体状况普遍较差。

(2)针对沥青路面提出了养护改造的关键指标，主要包括路面损坏、路面平整度、结构强度。

(3)通过收集整理已养护路段基础数据，采用数理统计方法和保证率系数，得出维修养护时可采用的各关键指标标准与阈值：路面损坏复合评价指标PDI≤60，采用中修措施；路面平整度RQI≤74时，采用中修措施(面层铣刨、面层再生、罩面处理)；路面结构强度系数SSI≤0.68，采用大修措施(基层铣刨、基层再生)。