柔性基层在旧沥青路面补强中的应用实践

王小芹

（厦门中平公路勘察设计院有限公司）

0 引言

沥青混凝土路面以其行车舒适、噪音小、维修养护方便、扬尘小等优势，在我国城市道路路面结构中占有主导地位。随着道路运营年限的增长，以及重载车辆的增多，加剧了路面的损坏，导致路面结构强度降低，服务水平下降，无法适应多种交通需求。为恢复路面服务功能，延长路面的使用寿命，需对旧沥青路面进行维修补强。目前我国已有学者对此展开研究，如程珊珊[1]指出沥青路面养护维修方案的选择与设计涉及很多因素，针对高速公路沥青路面维修工程的选择和设计，提出了一套较为系统的过程和方法：数据采集→路况评价→维修措施选择→可行性方案→备选方案的评估以及最优方案的选择。郑义[2]依托江西省昌-泰高速公路技术改造工程，分析沥青路面唧浆病害成因，并基于此提出了针对性的结构补强、中分带排水改造及路面结构层内部排水系统等处治措施。在沥青路面结构组成中，基层类型是影响道路使用性能的重要因素。

在路面结构组成中，基层类型是影响道路使用性能的重要因素。基层类型主要有2种：柔性基层与半刚性基层。相关研究结果表明，半刚性基层常用的水泥、石灰、粉煤灰等水硬性材料对温湿度较为敏感，容易导致反射裂缝，路面寿命大大折减。申结结等[3]针对这一现象，借助HPDS2011软件，对比分析了半刚性和柔性基层的力学响应，结果表明柔性基层沥青路面可以有效抑制反射裂缝的产生。柔性基层可减小基层和底基层的层底拉应力，避免拉应力在底基层集中存在。

基于此，依托于厦门市滨海西大道提升改造工程，根据现状路面的病害及检测结果，对病害原因展开分析，考虑柔性基层的优势，重点探讨了路面补强方案，并进行结构验算，以期对类似工程具有参考价值。

1 工程概况

1.1 道路建设概况

厦门市滨海西大道（集美大桥-海翔大道段）于2008年通车，2010年进行路面病害维修并罩面。该路段现状典型路面结构为4㎝厚SMA-13改性沥青（原罩面）+4cm厚SMA-13改性沥青+5cm厚AC-16中粒式沥青+7cm厚AC-25粗粒式沥青+20cm厚5%水稳碎石基层+20cm厚3%水稳碎石底基层+20cm厚级配碎石垫层。现状路面结构图如图1所示。

图1 现状路面结构图

1.2 路面状况分析

为准确判断路面状况，通过采取表观调查、弯沉检测及钻芯取样等多种方法对路面状况进行综合分析。

1.2.1 表观病害调查分析

滨海西大道主要病害类型为横向裂缝、纵向裂缝、局部沉陷、龟裂、坑槽及车辙等。部分路段横向裂缝已采用灌缝处理，但其病害仍在持续发展，同时其它路段也在产生一些新的横向裂缝。某些路段龟裂病害严重，甚至发展为坑槽（见图2），已经严重危害到行车安全。

图2 龟裂、坑槽

1.2.2 现状路面弯沉分析

采用贝克曼梁弯沉仪进行弯沉检测，测得滨海西大道主车道弯沉代表值为60.1（0.01mm），弯沉代表值大，表示路面结构强度严重不足；小车道及BRT车道弯沉代表值55.2（0.01mm），弯沉代表值较大，表示路面结构强度不足[1]。

1.2.3 钻芯调查分析

通过对滨海西大道路面横向裂缝、纵向裂缝、龟裂及坑槽等病害严重处进行钻芯取样（见图3），发现大部分裂缝贯穿上、中、下面层，基层顶部出现与面层裂缝相对应的裂缝，且芯样中5%水稳碎石层松散、板结差、强度低。龟裂及坑槽处的芯样中发现沥青混合料比较潮湿，出现松散现象，中下层裂缝处有泥出现，上面层底部存在明显水渍，说明混合料中有水进入，基层与面层粘结较差，且5%水泥稳定碎石层松散、开裂，其他区域板结也较差，整体强度较低[2]。

图3 路面取芯现场照片

1.2.4 现状路面技术状况综合评价

根据《公路技术状况评定标准》[4]及《公路沥青路面养护技术规范》[5]，对滨海西大道路面强度进行评价。主车道路面的弯沉代表值大，路面结构强度指数PSSI评价等级差，路面强度不足；现状中、重度病害多，路面损坏状况PCI评价等级为中[3]，具体如表1所示。

表1 主车道路面总体评价

小车道及BRT车道路面的弯沉代表值较大，路面结构强度指数PSSI评价等级为次，路面承载力不足；现状轻度病害较多，且存在少量重度病害，路面损坏状况PCI评价等级为良，具体如表2所示。

表2 小车道及BRT车道路面总体评价

1.3 路面病害原因分析

通过对现状路面的调查与分析，总结出路面病害产生的主要原因有以下4点：

⑴该道路施工期间边施工边通车，特别是周边地块楼盘兴建，土方车大量通行，导致路面结构强度严重下降。

⑵从交通量来看，滨海西大道通车后，部分车辆选择由本条道路通往同安。特别是同集路提升改造后，周边道路交通量大部分汇入滨海西大道，造成交通量骤然提升。

⑶重载车辆明显增多，特别是经天马路进入的重车、超限车较多，加速了路面病害的发展。

⑷路面已运营10年时间，强度降低、表观破坏在所难免。

2 旧沥青路面补强方案研究

滨海西大道历史建设条件、使用工况差异较小，不同路段整体路面状况差异甚微，但不同车道之间路面状况差异较大。小车道及BRT车道路面状况中等，主车道路面状况则较差。同时考虑日后运营期间不同车道交通等级差异，旧沥青路面维修对策主要分为：①小车道及BRT车道路面补强方案；②主车道路面补强方案；③保留层病害处治对策[4]。

2.1 小车道及BRT车道路面补强方案

根据钻芯芯样分析，小车道及BRT车道基层板结性较好，但实测弯沉代表值为55.2（0.01mm）。该工程路面设计基准期内（15年）小车道及BRT车道累计当量轴次为1.0×107次，属中等交通等级，设计弯沉值为38.2（0.01mm）（路面结构系数取值为 1.6）[5]。

在拟定小车道及BRT车道路面补强方案时，主要考虑以下4个因素：①小车道及BRT车道交通量相对较小，属中等交通等级，对路面结构强度要求相对较低；②现状小车道及BRT车道路面基层剩余强度较高，应尽量保留利用；③现状小车道及BRT车道病害类型以基层反射裂缝为主；④滨海西大道交通压力大，特别是BRT车辆需保障通行。

经综合分析，拟定小车道及BRT车道路面采用柔性基层进行补强，主要考虑柔性基层具有以下3个优势：①柔性基层补强造价增加不多，但可以有效消除基层反射裂缝；②柔性基层与现状沥青面层的层间结合性好；③半刚性基层需要养护时间长（7天），对交通影响极大，而柔性基层铺筑完成隔天即可开放交通，能够有效降低对交通的影响，社会效益高。

路面补强方案：先铣刨8厘米的SMA表面层以消除现状路表轻度病害，保留利用原沥青路面的中、下面层及基层，对现状中度病害和重度病害单独处治。通过对实测弯沉进行分析，保留层弯沉代表值取值为72（0.01mm），按照《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169-2012），计算出保留层当量回弹模量为228MPa。据此，拟定小车道及BRT车道路面补强结构层为：4cm厚SMA-13改性沥青+6cm厚AC-20改性沥青+12cm厚ATB-25沥青碎石柔性基层+1cm厚下封层，补强层总厚度为23cm，补强后路面标高抬高15cm。

2.2 主车道路面补强方案

钻芯芯样结果表明，现状主车道路面沥青面层及水稳基层取芯呈松散状，基层与面层粘结性差，路面实测弯沉代表值60.1（0.01mm）。路面设计基准期（15年）内主车道累计当量轴次为1.8×107次，属重交通等级，设计弯沉值为25.5（0.01mm）（路面结构系数取值为1.2）。

在拟定主车道路面补强方案时，主要考虑以下3个因素：①主车道交通量较大，属重交通等级，其对路面结构强度要求高；②现状主车道路面基层剩余强度低，基层裂缝严重、基层板结性差；③考虑路面补强需抬高路面，应综合考虑与小车道、BRT标高以及与周边地块标高的衔接。

基于上述因素，拟定本次改造挖除沥青面层及5%水稳基层，利用原路面3%水稳底基层，并采用柔性基层+半刚性基层补强的组合方案。

通过对实测弯沉进行分析，保留层弯沉代表值取值为 250（0.01mm），按照《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169-2012）[6]，计算出保留层当量回弹模量为66MPa。据此，初步拟定主车道路面补强结构层为：4cm厚SMA-13改性沥青+6cm厚AC-20改性沥青+12cm厚ATB-25沥青碎石柔性基层+1cm厚下封层+透层沥青+33cm厚6%水泥稳定碎石底基层。补强层总厚度56cm，该补强方案路面标高仅抬高15cm，能与小车道及BRT车道衔接平顺，且对周边地块影响较小。与此同时，柔性基层能够有效缓解基层反射裂缝的发生，避免路面早期损毁的发生。

2.3 保留层病害处治对策

为有效消除路面病害，确保补强后路面强度整体提升，在对主车道、小车道及BRT车道进行补强前，根据《公路沥青路面养护技术规范》对保留层局部病害单独处治。

病害类型主要为中度病害和重度病害路段。

2.3.1 中度病害路段

⑴对于缝宽大于0.5cm的裂缝，除采用常规的清缝、灌缝的处理方式外，为有效防止裂缝反射，在灌缝后的裂缝上面铺设宽度为50cm宽的防裂土工布。

⑵对于以网裂、坑槽为主的病害，按照“圆洞方补、斜洞正补、扩洞修补”的原则，病害发展到哪个层次，即处治到那个层次。

2.3.2 重度病害路段

对于水稳层整体性已损坏，结构强度下降的重度病害路段，采用挖除并重建原水泥稳定碎石基层的处理方式，以恢复路面结构强度。

3 路面补强结构验算

该工程路面补强结构层验算主要依据《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169-2012），以路表弯沉值为设计指标，沥青层剪应力为验算指标。采用东南大学交通学院沥青路面计算程序进行路面力学计算，借助壳牌公司沥青路面计算软件BISAR3.0进行沥青层剪应力验算。

3.1 主车道路面补强结构验算

主车道路面补强结构验算采用东南大学交通学院沥青路面计算程序，对初拟的主车道路面补强结构组合进行路表弯沉值计算，计算结果沥青顶面施工控制弯沉为19.2（0.01mm）。

3.1.1 以弯沉为设计指标

该路面补强为柔性基层，根据《城镇道路路面设计规范》[6]式（5.4.3）计算设计弯沉，道路等级系数Ac取1.0，面层类型系数As取1.0，基层类型系数Ab确定为1.2。设计弯沉值为：

Ld=600Ne-0.2AcAsAb

=600×（1.8×107）-0.2×1.0×1.0×1.2

=25.5（0.01mm）

根据《城镇道路路面设计规范》[6]表（3.2.7）和表（5.4.1），确定该路面结构设计满足目标可靠度90%的可靠系数γa按1.04考虑。根据初拟路面结构力学计算结果，路表计算弯沉为19.2（0.01mm），路面结构强度验算结果为：

γaLs=1.04×19.2=20.0＜Ld=25.5（0.01mm）

可见，初拟路面结构组合满足设计要求。

3.1.2 以沥青剪应力为验算指标

采用《城镇道路路面设计规范》[6]式（5.4.6）计算沥青混合料结构层容许抗剪强度。考虑最不利情况，交叉口容易发生剪切疲劳破坏，沥青混合料抗剪强度在0.795MPa以上才能满足抗剪强度要求，对于一般行驶路段，沥青表面层混合料的抗剪强度也应该在0.471MPa以上才能满足设计要求。该工程主车道采用的SMA-13改性沥青抗剪强度在0.8MPa以上，可以满足该项目一般路段的抗剪性能要求。

3.2 小车道及BRT车道路面补强结构验算

小车道及BRT车道路面补强结构验算采用东南大学交通学院沥青路面计算程序，对初拟的主车道路面补强结构组合进行路表弯沉值计算，计算结果沥青顶面施工控制弯沉为29.9（0.01mm）。

3.2.1 以弯沉为设计指标

该路面补强为柔性基层，根据《城镇道路路面设计规范》式（5.4.3）计算设计弯沉，道路等级系数Ac取1.0，面层类型系数As取1.0，基层类型系数Ab确定为1.6。设计弯沉值为：

Ld=600Ne-0.2AcAsAb

=600×（1.0×107）-0.2×1.0×1.0×1.6

=38.2（0.01mm）

根据《城镇道路路面设计规范》表（3.2.7）和表（5.4.1），确定该路面结构设计满足目标可靠度90%的可靠系数γa按1.04考虑。根据初拟路面结构力学计算结果，路表计算弯沉为29.9（0.01mm），路面结构强度验算结果为：

γaLs=1.04×29.9=31.1＜Ld=38.2（0.01mm）

可见，初拟路面结构组合满足设计要求。

3.2.2 以沥青剪应力为设计指标

该工程小车道及BRT车道采用的SMA-13改性沥青抗剪强度在0.8MPa以上，可以满足该项目一般路段的抗剪性能要求。

4 旧沥青路面补强应用成果

在工程施工期间，滨海西大道日常交通量仍较大，但通过采用柔性基层补强能及时开放交通，做到施工期间保畅通，保障BRT车辆不中断，有效降低路面改造对现状交通的影响。

目前该工程已建成通车，通过对路表进行弯沉检测，改造后小车道及BRT车道弯沉代表值为28.8（0.01mm），改造后主车道弯沉代表值为 18.5（0.01mm），均能够满足施工控制弯沉的要求。同时对路面平整度等各项指标进行检测均能满足规范要求，路面技术状况PQI值达到优，行车舒适度高。

5 结论

随着运营道路的通车里程和路龄逐渐增长，沥青路面的病害问题已日益突出。为减小对交通的影响，延长路面使用寿命，应采取有效措施并及时维修补强。出现病害的情况有多种，因此维修前应充分调查，查明病害成因，针对性制定补强方案。研究结果表明，在对旧沥青路面的补强工作中，采用柔性基层可以充分利用旧路强度，有效降低对现状交通的影响，缩短工期，降低投资。