沥青混凝土路面设计(既有道路长寿命沥青路面理念及实践)

Posted 2023-05-31

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沥青混凝土路面设计(既有道路长寿命沥青路面理念及实践)

摘要

针对既有沥青路面使用寿命短、养护效果不佳等问题，北京市科学技术委员会在2016年中央引导地方科技发展专项中，立项对“基于病害探查的既有道路长寿命技术及综合管廊运维智能管理系统研究”课题开展研究。研究历时3年，参研单位包括北京市道路工程质量监督站、北京市市政工程研究院、北京工业大学等单位。

课题立足于1987年至今已有的30余年路面历史数据的调查，调研了北京市17条高速公路和83条干线公路的建养历史和典型病害，多特征、多维度对比分析路面性能的演变规律，系统研究了沥青路面使用性能演变的不同模式和主要影响因素。笔者从理念、评价标准、技术方案设计、实践应用等方面对课题成果进行梳理呈现。

“十四五”期间是全国公路行业由建设阶段向养护阶段转型的重要时期，面临着降低交通基础设施维修成本、增强通行保障能力和提高运行效率的直接压力，解决这些问题已经成为公路管理的基本要求和可持续发展的基础。随着公路通车规模的增长和道路服务年限的增加，沥青路面的维修养护任务日益严峻，主要干道逐步进入养护期，公路养护市场开始加速增长。截至2019年，全国公路养护里程达495.31万公里，占公路总里程的 98.8%，公路养护公共财政支出达到832.98亿元。

传统的沥青路面维修养护年限一般为8年至10年，若按10年一个大修周期计算，全国超过80万公里的沥青路面中，每年将有近8万公里需要维修养护。如果20%既有道路沥青路面能延长寿命为原来的2倍，就可节约养护资金360亿元以上，还可以减少因道路施工造成的交通拥堵，避免因修路开采石料造成的环境破坏。为此，通过合理的养护措施延长既有道路使用寿命具有重大的经济、社会和环境意义，是实现交通行业高质量发展和建设交通强国的内在需求。

既有道路长寿命路面理念

20世纪80年代起，北京市大规模推广使用石灰土、石灰粉煤灰砂砾等半刚性基层，并修建现代意义上的沥青混凝土路面。经过40年的建设与发展，北京市沥青路面呈现起步早、范围广、使用时间长等特点，在全国沥青路面建设和研究中极具代表性和典型性。根据近年来北京市市管普通公路沥青路面维修养护资料统计，如图1所示。15年以上未实施结构性大修的路段有18条，其中7条路段使用年限超过30年。总结这些使用寿命超过设计年限，路面结构状态良好的既有沥青路面特征：一是路基和排水良好，二是砂砾层等底基层状况良好，三是采用的道路材料质量优良，四是施工控制严格，五是采取了规范的预防性养护。

为了总结推广提高公路工程耐久性、延长路面使用寿命等方面的经验，中国公路学会于2020年组织开展“长寿命路面奖”评审活动。经过周密组织和严格评选，G2京津塘高速公路北京段、G20济青高速公路济南东段、G4广深高速公路广州至深圳段荣获我国第一届长寿命路面奖。事实证明：设计年限 15年至20年的沥青路面，经历30年环境变化和交通荷载的检验，路面指数PQI仍然大于 85，并未出现路面结构性损坏，已达到长寿命路面标准。

总结国内外长寿命路面的共性特征和成功经验，既有道路长寿命沥青路面理念，是以结构使用年限“翻一番”为核心，以“路基永久、基层长久、面层耐久”为目标，在运营10 年至15年的既有道路基础上，通过多指标的检测和分类评价，采用预防性养护或面层加铺，将沥青路面使用寿命延长到30年以上，实现既有道路的保值增值。

其关键技术包含四个方面：一是测得出——综合现有先进技术检测出既有道路结构损伤状态；二是评得准——建立既有道路结构状况评价体系开展准确评价；三是选得对—— 选择的设计指标和方法能科学反映道路工作状态；四是用得久——设计目标能使既有道路的使用年限显著延长。

既有道路精准化检测

通过现有先进技术遴选出具备长寿命路面 “基因”的既有道路，是实现既有道路长寿命的第一步。

随着路面无损检测技术的发展，落锤弯沉仪、路用探地雷达、路况检测车等先进测试仪器的出现，使得更详细准确地分析原有路面成为可能。从道路整体承载能力、结构完整性、基层强度和刚度、路表病害等四个方面，通过无损和有损测试技术相结合，以及新兴3D雷达检测技术的研发应用，重点实现既有半刚性基层结构损伤和面层功能损伤的自动判别，沥青路面层位实时追踪，降低沥青面层厚度分析误差，提高层间剥离、空洞等缺陷的识别精度。最终提出了集路面破损调查、探地雷达探伤、FWD弯沉盆检测、开挖和取芯试验等为一体的路面结构综合检测方法，二次开发了雷达检测设备，如图3所示。研发了基于FWD的路面损伤自动判别技术，如图4所示。

结构状态多指标评价

由于沥青路面的损坏具有多样性和复杂性，单一的指标和标准无法准确评价路面的结构损伤状态，需要建立多指标的路面结构状况评价体系。根据路面结构综合检测方法，选取了路表病害、裂缝程度、基层材料强度和刚度、路面弯沉作为评价指标，新增路面结构损伤评价参数新指标—— 路面损伤指数PDI、路面结构模量Ep、层间剥离指数，辅以高速公路路面结构评价的面层损伤指数SDI和基层损伤指数BDI，共同构建出定量化的既有沥青路面结构状态多指标评价体系。基于半刚性基层三阶段性能演化规律和不同的沥青路面长期性能变化规律，提出了既有沥青路面结构状况的四类分类评价标准，如表1所示。

通过高速公路10条养护路段的346组数据、普通公路7条维修养护路段的402组数据，如图5所示，开展了结构状况分类评价验证。高速公路既有沥青路面无损检测评价与钻芯取样的符合度达到89.88%；普通公路无损检测评价与现场铣刨检验的符合度达到96.02%。总体来看，既有沥青路面结构状态分类评价标准，可以合理评价出既有沥青路面结构状态，可以作为既有道路长寿命路面的评价标准。

维修保养精细化决策

既有道路沥青路面的养护设计更加复杂，涉及旧路性能的评价、材料的选择、维修时机等多方面问题，目前尚无系统的理论研究结果。我国当前的既有道路沥青路面维修养护设计还主要是基于经验的设计方法。合理的路面维修保养方案，需要经过既有道路的资料调查、交通综合分析、路况演变分析、结构状况检测和评价、病害诊断和对策选择、技术经济比选等环节。基于既有沥青路面结构状况的四分类标准，在归纳总结路面维修养护设计经验的基础上，构建了既有分类处置流程，如图 6所示。

首先，根据路面结构综合检测方法精细化检测，准确分类既有道路沥青路面。当路面结构承载力足够，沥青路面只存在表面病害的情况下，可以评价为A类。这种情况下，可以对既有沥青路面进行局部病害处理后，直接加铺新的路面结构层。

当路面结构承载力足够，但沥青路面病害不仅限于表面病害，中下沥青路面层也出现了裂缝、车辙、松散等情况，则可以将路面评价为B类。这种情况下，应该对沥青面层进行局部的深度处理，开展基层疲劳损伤验算，并根据目标设计年限确定加铺层厚度，对新铺结构开展安定分析，确保加铺层不出现结构性车辙。

评价为C类和D类的路面，由于结构性破坏需要恢复结构功能，即按照沥青路面养护设计规范开展设计。

技术方案定量化设计

半刚性基层材料是一种应力敏感性材料，其疲劳曲线的斜率比沥青混合料更为平缓。如果通过面层加厚将半刚性基层所承受的拉应力进一步降低，半刚性基层材料的疲劳寿命还将进一步延长，从而减缓半刚性基层材料模量衰减对结构疲劳寿命的不利影响。在既有沥青路面结构状况分类评价的基础上，对结构状况较好的A类和B类路面，通过预防性养护或面层加铺的方式来延长路面的使用寿命。

基于半刚性基层的非线性疲劳损伤，通过大量半刚性基层在不同应力水平下的疲劳试验，获得以模量变量表征的疲劳损伤因子表达式，从而建立基层模量的非线性衰减模型。以基层疲劳损伤和加铺结构永久变形为设计指标，以旧路模量确定为关键设计参数，建立既有道路长寿命路面设计流程，如图7所示，开展定量化的长寿命路面结构和材料设计。按照结构寿命匹配的理念，应通过增加沥青层厚度、变化层位及更换材料来调整各结构层间的寿命匹配，使之达到最合理、最经济的目标，从而使维修后的结构满足长寿命路面要求。

既有道路长寿命沥青路面实践

北京顺密路建于1992年，日均交通量3万辆次，客货车比例达15%。原有路面结构为6厘米沥青混合料+18厘米二灰稳定砂砾+18厘米石灰土。2006年，旧路加铺一层4厘米沥青混合料。2014年的路面大修工程中将k13+000～k14+000路段左幅，作为既有道路长寿命路面的试验路段。采用既有沥青路面结构状况综合检测方法开展检测，试验路结构状况分类评价，结果如表2所示。

如表2所示，前500米既有沥青路面状况评定为B类，可通过保留原有路面基层，铣刨老化沥青混合料加铺新的沥青路面结构层，实现路面使用寿命的延长。后500米路面状况评定为A类，可全部保留原沥青面层，通过拉毛后加铺适当厚度的沥青面层，延长既有道路使用年限。

通过试验路段钻芯取样和FWD弯沉盆模量反算，可以获得既有道路半刚性基层模量，计算基层模量代表值。依据公路沥青路面设计规范，计算旧路半刚性基层的疲劳寿命，并计算基于损伤度的累计当量轴次。通过历年实测交通状况，计算基于交通统计的累计当量轴次。对比确定设计用半刚性基层模量取值，计算结果如表3 所示。

试验路段2014年日平均当量轴次为 5318次，设计年限取20年，考虑沿线经济发展及历年的交通量增长规律，设计年限交通量的平均年增长率取5%，该试验路的设计期累计当量轴次约6400万次。借鉴长寿命路面按功能层位选取沥青混合料的思想，基于沥青路面受力特征，拟定试验段的路面结构组合。试验段及普通路段结构和材料组合如图8所示。不同路面结构组合的力学响应计算结果如表4所示。

试验路建设过程中开展了严格的质量控制，如图9所示。同时，在试验路埋设沥青应变传感器，如图10所示，长期监测加铺结构变化规律；试验路建成以后，利用自动弯沉车每年检测试验路和普通路段的弯沉变化。如图11所示，为典型的沥青应变计监测情况，其中，左图为A类路面沥青层底典型应变，右图为B 类路面沥青层底典型应变，监测结果符合力学分析计算值。

如图12所示，为竖向应变传感器监测到的最大竖向应变变化规律。可以看出，沥青路面结构的永久变形在路面铺筑后存在明显的快速增长阶段，该阶段受外界温度影响较小，主要反映了交通荷载对沥青混合料的压密作用过程。经过8 个月的快速增长后，永久变形迅速趋于稳定，永久变形总量缓慢增长，部分阶段存在较大的波动。夏季和秋季的变形增长较快，但冬季又会出现少量的变形恢复，反映了沥青混合料的温度敏感性特征。从3年的竖向应变监测数据来看，加铺层永久变形速率逐渐减小，已达到相对稳定状态。

如图13所示，为2014年至2020年试验路段和普通路段代表弯沉值的对比图。相对于普通路段，试验路段的代表弯沉值变化速率更小，其代表弯沉由通车时的9.1(0.01毫米)增加到2020年的14.7(0.01 毫米)。同时，试验段的弯沉增加量也在逐年降低，2020年代表弯沉仅比2019 年增大了0.2(0.01毫米)，说明试验路段结构性能已趋于稳定。普通路段经过4 年使用运营后，路表已出现开裂和车辙，在2018年进行了预防性养护，实测代表弯沉有所下降。

同时，如图14所示，从4年的车辙情况来看，试验路段基本无车辙，而普通路段使用3年后已出现明显车辙，最大车辙深度达12毫米。说明优质的材料与合理的结构组合，能够极大地减小加铺的厚沥青面层出现永久变形的风险。

既有道路长寿命路面的目标，与交通强国目标一致。路面结构寿命“翻一番”是更普遍的、第一阶段目标。推行长寿命路面理念并不复杂，更不神秘。除了要考虑公路政策、地域环境、气候条件、建设和养护费用等因素以外，长寿命路面的基础是材料生产和施工质量的标准化及相对稳定。是一个在严肃的政策、严密的理论、严格的标准和严谨的步骤保证下的完整体系，既有道路长寿命路面技术应考虑路面结构和材料组合，按照结构寿命匹配，应通过改变沥青层功能、变化层位、更换材料，来实现长寿命目标。