基于路面开裂状况的薄沥青路面半刚性基层模量评估

2022-06-07金辰

公路工程 2022年2期

金辰

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

0 引言

我国的薄沥青路面结构由薄沥青混凝土面层(5～10 cm)和具有较高强度的半刚性基层组成，一般适用于中低等级路面[1]。该路面结构以半刚性基层作为主要承重层，基层的承载能力对路面耐久性有重要影响[2]。目前，常用的多层弹性体系理论认为路面结构都是均质弹性体，结构层承载力的大小由结构层的模量表征[3]。因此，在进行路面管理和养护维修时，合理评估半刚性基层的模量具有重要意义。

基层的模量难以直接检测得到。目前，主要通过落锤式弯沉仪(FWD)获取路面弯沉盆，利用模量反演方法得到各结构层模量[4]。但在实际工程中采用FWD进行路网检测的频率并不高，且检测成本较高。一般而言，养护管理部门每年会对各级沥青路面进行路面损坏状况调查[5]。在这种情况下，若能建立路面损坏与基层模量的相关关系，就能利用现有路面损坏数据评估基层模量。

事实上，路面损坏状况作为路面结构承载能力的外观反映，两者之间的相关性一直是工程界探讨的问题。已有研究中，SEBAALY[6]等、CHEN[7]通过足尺加速加载试验，比对FWD测试结果与路面裂缝状况，发现两者具有相同的发展趋势，但未建立明确的相关关系；JAMESOD[8]利用FWD反演了面层模量，建立了面层模量与路面裂缝率的关系曲线；THEYSEL[9]等通过加速加载试验研究了基层开裂与其模量的演变规律，认为可将基层开裂分为3个阶段，并提出了基层在不同开裂状态下所对应的模量取值范围。MAINA[10]等采用实际服役道路的检测数据，建立了日本养护控制指数(MCI，反映路面裂缝、车辙和平整度状况的综合指标)与路面弯沉的相关关系。相对而言，这些研究的检测数据大多来源于加速加载试验，对实际服役道路的研究较少，且多集中于柔性路面结构，对半刚性基层沥青路面结构的研究较少。对于我国的薄沥青路面结构，路面损坏与基层模量之间的相关性也尚未明确。

为此，本文依托内蒙古某公路改建工程，以实际道路为研究对象，首先进行路面损坏状况调查，并通过钻芯取样分析路面损坏的发展状况，试图从路面损坏成因的角度，探讨以路面开裂状况反映基层模量的可行性。然后利用FWD反演基层模量，建立路面开裂状况与基层反演模量的相关关系，并据此划分基层模量衰减状况等级。

1 工程概况与试验方法

1.1 工程概况

本文依托内蒙古某公路的改高改造升级工程进行了相关数据采集。该道路于2005年建成通车，设计年限15 a，至本次现场调研为止已服役长达13 a，处于道路使用的中后期。该道路为双向四车道，内侧为宽3.75 m的超车道，中间为宽3.75 m的行车道，外侧为宽3.25 m的硬路肩，路面结构信息如表1所示。

表1 路面结构信息Table 1 Parameters of pavement structure结构层厚度/cm各层材料及厚度面层73 cm AC-13沥青混凝土4 cm AC-16沥青混凝土基层4020 cm水泥稳定碎石20 cm水泥稳定碎石

1.2 现场试验方案

本文共选取了6个调研路段，每个调研路段长约400 m，共计2.5 km。首先，利用FWD以20 m间隔检测行车道和超车道轮迹带处的路表弯沉，以30 m间隔检测硬路肩处的路表弯沉，共计获得311个有效弯沉盆数据。然后，人工记录路面损坏状况，同时为了解各类路面损坏的发展状况，在路面完好处、车辙处、松散处,及各类裂缝处随机进行钻芯取样，钻芯深度达到下基层顶面，钻芯个数共计60个。

1.3 路面开裂状况计算与模量反演方法

1.3.1路面开裂状况计算方法

为定量表征路面开裂状况，本文采用裂缝率(K)表征路面开裂状况，裂缝率是裂缝影响面积的百分比，单条裂缝的影响宽度为0.2 m。此外，为综合考虑裂缝类型、裂缝严重程度和裂缝密度，本文借鉴路面损坏状况指数的计算方法，采用适用于多种损坏、基于权函数的分层加权计算方法[11]对路面裂缝状况进行综合评分，记为裂缝状况指数(PCIk)。该指标以百分比计量，100%表示路面未出现裂缝，计算方法如下：①根据裂缝类型、严重程度和裂缝密度，通过查表和插值计算得到单项扣分值DPij；②利用式(1)、式(2)计算各单项扣分值对应的权重Wij和不同裂缝类型的扣分值DPi；③通过式(1)、式(3)计算各裂缝类型扣分值对应的权重Wi和总扣分值DP；④根据式(4)计算裂缝状况指数(PCIk)。可见，该计算方法通过逐层加权累加得到总扣分值，且各类损坏的权重不是常数，而是变数，是随该损坏在总损坏中所占比重而变化的。

W=f(μ)=3.0×μ3-5.5×μ2+3.5×μ

(1)

(2)

(3)

PCIk=100-DP

(4)

式中：W为权重；DP为扣分值；i为裂缝类型；j为裂缝严重程度。

1.3.2模量反演方法

通过路面弯沉盆反演各结构层模量是目前广泛应用的路面结构承载能力无损评价方法，并涌现了大量的模量反演程序。其中，基于数据库搜索法的MODULUS模量反演程序是常用的模量反演方法。MODULUS反演程序的主要优点是计算速度快，收敛稳定，适合用于路网普查，这也是美国SHRP计划通过比较、筛选后决定选用MODULUS的主要原因[12]。因此，本文选取MODULUS反演程序反演基层模量。在进行结构层模量反演时，将路面结构简化为3层体系：面层、基层和路基。面层、基层和路基的泊松比分别取0.35、0.2、0.4，面层和基层的厚度分别取7、40 cm。

2 试验结果分析

2.1 路面钻芯取样结果

路面损坏状况的调研结果显示，损坏以裂缝类为主，占比79.1 %；其次是变形类，占比12.1%；其余几种损坏占比较小。为进一步了解基层的损坏状况，对路面进行了钻芯取样，钻芯结果如表2所示，代表芯样如图1所示。

从钻芯结果可见： ①路表完好处的芯样面层与基层较完整。②变形类、表损类损坏仅出现在面层，而基层芯样完整性较好。③横向裂缝处的个别芯样仅在面层出现了裂缝。从起因上看，这类裂缝一般是在温度作用下沥青面层本身产生的自上而下的温度裂缝[13]。而贯穿面层和基层的横向裂缝，一般是基层在干缩、温缩作用下产生的开裂并逐渐扩展至面层而形成的反射裂缝[14]。④其余裂缝类损坏所对应的基层往往出现不同程度的损坏。

由此可见，路面开裂位置的绝大多数基层芯样出现了开裂甚至碎裂，说明经过多年的交通、环境作用，薄沥青路面结构的路面开裂状况在一定程度上可以反映基层的损坏状况。白雪[15]等对薄沥青路面进行钻芯取样也发现了类似现象。

为建立基层模量与路面损坏状况的相关关系，选取与基层性能相关性较大的损坏。根据钻芯结果，变形类、表损类损坏一般仅出现在面层，其属于非结构性损坏，往往与面层性能相关而和基层性

表2 路面钻芯取样情况Table 2 Pavement core sampling situation钻芯位置钻芯个数基层状况完好处16基层完整性较好,未见明显损坏车辙处5基层完整性较好,未见明显损坏松散处5基层完整性较好,未见明显损坏横向裂缝处107个芯样基层开裂甚至碎裂,3个芯样基层完整性较好纵向裂缝处8基层开裂甚至碎裂块状裂缝处8基层开裂甚至碎裂龟裂处8基层基本碎裂

(a)横向裂缝处

(b)纵向裂缝处

(c)块状裂缝处

能的相关性较小[16]。孙斌[17]等对国内多条沥青道路进行调查，发现铣刨后半刚性基层损坏的主要表现形式是裂缝，不存在变形类或表损类损坏。因此，本文选取裂缝类损坏进行后续的路面开裂状况计算。此外，根据钻芯结果，横向裂缝中约30%为沥青层温度裂缝，70%为基层反射裂缝，由于温度裂缝为沥青层本身产生的损坏，故剔除温度裂缝，按横向裂缝的70%计算基层反射裂缝。

2.2 路面开裂状况与基层模量反演结果

本文将行车方向为100 m，垂直于行车方向为单车道宽度作为一个评价单元，共计70个评价单元。利用上述路面开裂状况计算方法，计算各评价单元的裂缝率和裂缝状况指数，各评价单元的路面开裂状况计算结果如图2所示。由图可见，裂缝率越高对应的裂缝状况指数往往越低，两者具有相反关系；评价单元28～31的裂缝率较大，主要是因为这些单元存在较严重的龟裂；裂缝率分布范围为0.4 %～15.5 %，裂缝状况指数的分布范围为53.9分～97.7分，开裂状况基本覆盖了路面开裂的各个阶段，具有代表性。

图2 各评价单元裂缝率和裂缝状况指数Figure 2 Crack rate and crack condition index of each evaluation unit

由于裂缝率与裂缝状况指数具有相似规律特征，本文以裂缝状况指数为例，统计各路段不同车道的裂缝状况指数均值和标准差，如图3所示。同时，利用MODULUS模量反演程序反演基层模量，同样统计各路段不同车道的基层模量均值和标准差，如图4所示。由图3、图4可见，不同车道的PCIk和基层模量差异明显，PCIk越低的车道对应的基层模量通常越小。路肩处的PCIk接近100，基层模量也最高；行车道的PCIk普遍低于超车道，其基层模量也普遍低于超车道。说明路面开裂与模量衰减具有相同的发展趋势，基层模量衰减往往伴随着路面结构的损坏。

图3 各路段不同车道的裂缝状况指数统计Figure 3 Crack condition index of different lanes in each road section

图4 各路段不同车道的基层模量统计Figure 4 Base & modulus of different lanes in each road section

出现这种情况主要是因为路肩经受的交通荷载很少，路面结构损伤较小，故PCIk较高，基层模量也相应较大；而相比超车道，行车道往往需要经受更频繁的交通荷载，且载重汽车较多，导致行车道的路面结构损伤更严重，PCIk较低，基层模量也较小。

2.3 基层模量与路面开裂状况相关性分析

为进一步探究基层模量与路面开裂状况的相关关系，将评价单元内所有测点的基层模量取平均值作为该评价单元的模量代表值，并将评价单元内的裂缝率和裂缝状况指数作为该评价单元的路面开裂状况代表值。共计70个评价单元，得到基层模量与裂缝率、裂缝状况指数的散点图，如图5、图6所示，其中基层模量坐标和裂缝状况指数坐标均为对数坐标。

由图5、图6可见，随着基层模量降低，裂缝率随之增大，裂缝状况指数随之减小，各变量大致呈现线性关系。采用线性模型进行回归分析，回归公式见式(5)、式(6)，相关系数R2分别为0.69和0.77，表明基层模量与裂缝率、裂缝状况指数之间在对数坐标系下存在较好的线性关系，可采用裂缝率、裂缝状况指数预估基层模量。

lnE=-0.163K+9.308

(5)

lnE=3.447ln(PCIk)-6.469

(6)

式中：E为基层模量均值，MPa；K为裂缝率，%；PCIk为裂缝状况指数。

图5 基层模量与裂缝率的相关性分析Figure 5 Correlation between base modulus and crack rate

图6 基层模量与PCIk的相关性分析Figure 6 Correlation between base modulus and PCIk

JORDAAN[18]认为在道路建成初期，受交通荷载作用时，基层主要产生拉应力，沥青面层主要产生压应力。当基层内所产生的拉应力超出一定限度(弯拉强度的35%以上或断裂应变的25%以上)，材料内部会产生微裂缝。随着荷载持续作用，基层微裂缝不断发展，使基层有效模量降低，并往往造成基层的先期开裂。一方面，由于基层模量降低，面层的压应力将逐渐转变为拉应力，随着基层模量不断下降，面层拉应力也随之增大，从而诱发面层开裂；另一方面，在荷载作用下基层裂缝将逐渐扩展至面层，形成路面反射裂缝。而对于薄沥青路面，由于面层厚度较薄，抵抗荷载能力较弱，在荷载作用下面层裂缝发展更快，因而在路表更易产生宏观裂缝[14，19]。因此，基层性状对路面开裂具有较大影响，尤其是薄沥青路面对基层性状更为敏感。

3 基层模量衰减程度分类评价

由于石料、水泥掺量等的不同，使得不同半刚性基层的模量差别较大，采用模量绝对值难以直接反映基层模量的衰减程度。因此，有必要对基层模量进行归一化处理，即采用基层模量比(E/E0)，基层当前模量与初始模量之比。

JIA[20]等研究了水泥稳定碎石材料在疲劳加载过程中的模量衰减规律，采用模量比和疲劳损耗率(D)建立了基层模量衰减模型，如式(7)所示。王建章[21]等建议将半刚性基层模量衰减程度依据模量比分为3个等级，模量比分界值为0.7和0.5。经计算，当模量比为0.7和0.5时，基层疲劳损耗率分别为0.19和0.83。本文依据此分界值，划分基层模量衰减状况等级，并基于基层模量与路面开裂状况的相关关系，计算各等级对应的裂缝率、裂缝状况指数范围。

(7)

式中：D为疲劳损耗率；n为荷载作用次数；N为疲劳破坏时荷载作用次数；E为荷载作用n次后的基层模量；E0为基层初始模量。

基层初始模量对应的基层状况应为完好状态，即裂缝率K=0，裂缝状况指数PCIk=100。将K=0，PCIk=100代入式(5)、式(6)，得到基层初始模量分别为11025、12149MPa，平均值为11587MPa。实际上，该值与路肩处的基层模量值相近，由于路肩经受的交通荷载很少，也可将路肩处反演得到的基层模量作为基层初始模量。通过公式变换将式(5)、式(6)转换为以模量比表达的形式，如式(8)、式(9)所示，进而计算得到不同等级对应的裂缝率、裂缝状况指数范围，如表3所示。

ln(Eb/E0)=-0.163K

(8)

ln(Eb/E0)=3.447ln(PCIk/100)

(9)

至此，建立了基层模量衰减程度分类评价标准。该方法以裂缝率、裂缝状况指数为指标，通过路面开裂状况预估薄沥青路面基层模量，并可初步预估基层的剩余寿命，评价结果可为路面养护或维修提供决策支持。

表3 基层模量衰减程度分类评价Table 3 Classification of base modulus attenuation degree基层模量衰减状况等级基层模量比基层疲劳损耗率裂缝率/%裂缝状况指数A0.7～1 0～0.19 0～2.1990.17～100 B0.5～0.70.19～0.832.19～4.2581.78～90.17C<0.5>0.83>4.25<81.78