某农村公路沥青路面病害成因分析及处治对策研究
时间：2022-12-06 15:55:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
何健杰，文丽娜，秦浪朝
(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041)
随着国家乡村振兴战略的实施，我国农村公路的建设已经步入飞速发展的时期，其路面工程尤其是沥青路面病害问题引发了各界的广泛关注[1]。新时代“三农”工作的大力推进，带来的超载等现象越来越严重，特别是农村公路位于城市近郊发达地区时，沥青路面建成后很快出现不同程度的病害，对路面使用寿命有着较大的影响。四川省某大城市境内某农村公路通车近两年即出现了龟裂、纵裂和沉陷病害。对此，本文分析了病害成因，有针对性地提出了处治方案，有效延长路面使用年限。
某农村公路由彼此相连的4条道路(A、B、C、D)组成，设计速度为20 km/h，路基宽度5.0～6.5 m，交通等级为轻交通，路面设计年限为6年，总长约25.2 km。项目于2016年9月起陆续开工建设，2018年1月完成交工验收后移交给当地政府投入运营。2019年12月，发现路面出现较多病害，如龟裂、纵裂和沉陷等。
1.1 原路面结构
由于本项目设计标准主要为解决项目周边居民生产、生活、出行的小型车辆通行，故交通等级为轻交通。原路面结构主要为4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C+4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C+20 cm水泥稳定碎石基层。
1.2 路面病害
根据实地调查，原设计的道路出入口处限高门架被破坏，路面出现较多的病害，主要有龟裂、纵向裂缝和沉陷等，且病害主要分布在道路上坡方向的车道上。
2.1 弯沉检测
按照《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450-2019)的方法采用落锤式弯沉仪对原路面进行弯沉检测[2]，测点按2车道/每车道间距20 m交叉布设，其中1条道路D的检测结果见表1。
表1 某农村公路路面弯沉检测结果表(0.01 mm)
依据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210-2018)[3]，若以原路面弯沉验收值评价，本条道路D既有沥青混凝土路面强度指数等级评定为“次”及以下的占比100%，弯沉代表值最大值为148.43(0.01 mm)，弯沉代表值最小值为92.36(0.01 mm)，弯沉离散性较大。其余3条道路A、B、C的弯沉代表值最大值分别为118.19(0.01 mm)、92.29(0.01 mm)、82.68(0.01 mm)。
若以现路面弯沉验收值评价，4条道路既有沥青混凝土路面强度指数等级评定均为“差”。总体上，这四条道路路面结构强度明显不足。
2.2 钻芯检测
根据实地调查，确定对其中2条道路A的K9+336～K10+336段和道路D的K2+900～K3+900段进行钻芯抽检，共钻芯7个。
路面钻芯检测结果分析见表2。
表2 沥青混凝土路面钻芯检测结果分析表
道路A钻芯检测结果表明：沥青面层厚度为3.0～8.5 cm(平均值为6.3 cm，设计值为8 cm)，厚度不均，小于设计厚度的芯样占比为66.7%，面层沥青混合料整体性除病害位置大部分较好；
水泥稳定碎石基层仅钻穿1个芯样(厚度为15.5 cm，设计值为20 cm)，顶面较为松散，骨料多为未轧制的卵石，级配较差。
道路D钻芯检测结果表明：沥青面层厚度为3.9～4.2 cm(平均值为4.1 cm，设计值为8 cm)，厚度均在4 cm左右，均小于设计厚度，面层沥青混合料整体性除病害位置大部分较好；
水泥稳定碎石基层完全取出或钻穿两个芯样(厚度为17.9 cm、12.0 cm，设计值为20 cm)，顶面板结性一般，板结良好的占比50%。
从同一施工水平和同区域道路考虑，道路B、C的钻芯检测结果与A、D相差无几。
2.3 交通量调查
项目参照四级公路，养护设计使用年限为6年。交通量资料来源于现场断面交通量调查，选取道路D的K4+189.4作为观测点，调查发现平均每分钟就有一辆大货车通过，考虑一定的诱增交通量，最终得到初始年的年平均日交通量见表3，断面大型客车和货车交通量为1 556辆/d，交通量预测年增长率为7.9%，方向系数取1，车道系数为1。根据表3，按车辆类型分布系数进行计算。
表3 交通量调查及车辆类型分布系数表
由此可见，该农村公路的交通量绝对数远超一般农村公路，交通组成中大型货车的占比也很大，与当初设计时预测量出入较大，主要因为该区域出现大型的基础设施建设，导致交通量激增。
从交通组成分析中，方向系数按《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)规定“宜根据不同方向上实测交通量数据确定，无实测数据时可在0.5～0.6范围内选取”[4]，根据本次交通量调查，重载车辆基本在一个方向上通行，考虑适度超载并结合大货车在弯急坡陡道路上行驶的现状，因此本次方向系数取1。
根据公路的车辆满载情况及历史数据的调查分析，适度考虑超载，得到各类车型非满载与满载比例，见下页表4。
表4 非满载车与满载车所占比例表(%)
本公路设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为4 155 873，交通等级属于中交通。通过累计交通量、车型比例及满载比例计算得到对应于无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为2 028 527 000。
原路面设计采用《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)[5]，交通量小且交通组成中大型货车占比较低，而根据本次交通量观测资料显示，目前交通量显著增加，同时中大型货车占比提升更为明显，通行的4轴及以上货车日平均交通量达到1 494辆/d；
原路面设计年限内一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量为396辆/d(轻交通)，一个车道上的累计当量轴次为1 535 617(轻交通)。根据2006和2017版规范分别计算，当前交通量及交通组成情况下(适当考虑超载)设计年限内一个车道上的累计当量轴次为5 147 247(中等交通)、4 155 873(中等交通)，新老规范下的当前交通等级均远超原路面设计。
超载的具体情况，对于最常见的4轴货车，按照规范规定满载后车货总重应≤31 t，但通常如果超载后车货总重可以达到60～80 t，后轴单轴轴载可以达到20 t(200 kN)以上，远远超过规定的100 kN的标准。规范规定，轴载换算公式仅适用于单轴轴载<130 kN的各种车型的轴载换算[6]，由于无相关研究成果，暂且按照现在的公式计算。此种车辆通过一次相当于标准轴载下通过213=8 192次(分析无机结合料稳定层疲劳时)，是呈指数倍数增长的。
该农村公路的超载现象较频繁且复杂，即使在处治方案设计时适当考虑了超载问题，但如前所述，由于现实超载远超规范公式所能涵盖的范围，所以仍无法准确评价超载对路面造成的影响，因此基层补强后仍须考虑对超载进行控制。
根据对这4条道路路基、路面的实地调查，结合路面现状，综合分析现有路面主要病害原因如下：
(1)项目周边建设引起的交通量激增、轴载超限严重，车辆碾压对原路面结构造成一定程度破坏，既有的排水系统不能及时有效地排除地表水，地表水沿前期破坏路面下渗则会加剧路基、路面病害的进一步发展。
(2)其他原因：水泥稳定碎石基层级配较差，顶面较为松散，致使路面结构强度较弱；
部分沥青面层和基层厚度不足；
路基临空侧挡墙墙背回填压实不足，这与路面病害主要分布在上坡车道上相吻合。
4.1 设计标准
本次处治设计采用标准轴载为BZZ-100，设计使用年限为6年。
4.2 初拟路面结构
由于该农村公路位于大城市近郊发达地区，沿线房屋分布密集，个别路段标高受限需下挖，同时为提升原路面结构强度，充分利用其残余强度，将原路面进行加铺补强，房屋段路面结构也相应增强，故拟定加高方案和挖除重建方案两种路面结构。
Ⅰ型(加高方案)：对既有路面病害进行处治后，在其上加铺18 cm水泥稳定碎石底基层+18 cm水泥稳定碎石基层+0.6 cm稀浆封层+4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C+4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C，标高提升约44 cm。
Ⅱ型(挖除重建方案)：挖除原路面结构及部分路基后，对路基换填砂砾石后新建4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C+4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C+0.6 cm稀浆封层+16 cm水泥稳定碎石基层+16 cm水泥稳定碎石基层+16 cm水泥稳定碎石底基层至原路面标高。
4.3 初拟路面结构验算
4.3.1 Ⅰ型(加高方案)
初拟路面结构见表5。
表5 Ⅰ型初拟路面结构表
根据对原路面的弯沉检测，分别按83(0.01 mm)，92(0.01 mm)，118(0.01 mm)，148(0.01 mm)作为计算基准验算路面加铺厚度。原路面沥青面层为4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C上面层+4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C下面层，本次处治方案沥青面层维持8 cm厚，仅需对基层加铺厚度进行验算。
以这4条道路实测弯沉代表值最大值83～148(0.01 mm)作为计算基准时，计算路面基层的最小加铺厚度为30～35 cm，考虑分层施工的结构需要，基层统一取36 cm(18+18)。
4.3.2 Ⅱ型(挖除重建方案)
初拟路面结构见表6。
表6 Ⅱ型初拟路面结构表
计算得到，下基层最小厚度为9 cm，充分考虑房屋段后期路面维修改造难度大，采用较厚的基层组合厚度以相对延长使用寿命，并减小施工震动对房屋的影响，尽量采用静压，故基层采用(16+16+16)cm的厚度组合。
对拟定的路面结构方案，通过HPDS具体计算分析路表验收弯沉值为31(0.01 mm)，加高段为21.2(0.01 mm)。
根据弹性层状体系理论，计算得到无机结合料层层底拉应力为0.23 MPa(加高段为0.287 MPa)。根据气象资料查表得到季节性冻土地区调整系数取1，现场综合修正系数为-1.271(加高段为-1.093)，该地区基准路面结构温度调整系数为1.37，温度调整系数为0.937(加高段为1.026)。根据规范计算无机结合料稳定粒料疲劳开裂模型参数a=13.24，b=12.52，弯拉强度为1.5 MPa，最终计算得到无机结合料层底疲劳寿命为6 033 631 000(加高段为2 781 514 000)。
验算结果汇总见表7。
表7 分析结果汇总表
房屋院坝与道路齐平路段采用Ⅱ型，其余路段采用Ⅰ型。Ⅰ型与Ⅱ型通过路面纵向过渡顺接。
采用本处治方案的农村公路于2020年7月交工，运营一年多以来，路面整体情况良好，无明显病害。本文通过对农村公路沥青路面发生龟裂、纵裂和沉陷病害的成因进行分析，并进行相关检测，从交通组成角度以及轴载角度进行分析研究，提出以下建议：
(1)农村公路应加强施工质量管控。该农村公路沥青路面病害主要是由施工缺陷造成的，如果施工管理得当，即使交通量激增、轴载超限严重，沥青路面破坏程度也会减弱。
(2)农村公路应加强后期养护和运营管理。该农村公路在近两年极端降雨的情况下，养护不够及时，导致路基、路面病害愈发严重；
加上原有设置的限高架已失去其功能，车辆超载进一步加剧路面病害。超载破坏是呈指数倍数增长的，后轴单轴轴载达到200 kN时，此种车辆通过一次相当于标准轴载下通过8 192次(分析无机结合料稳定层疲劳时)。因此，为确保路面结构不发生低频次的疲劳破坏，即使路面结构强度足够，也仍须对超载进行管控。
(3)在城市近郊修建农村公路时可适当考虑重载、超载对路面结构的影响，设计阶段应保证路面结构强度适度富余，可相对延长路面的使用寿命。
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