高速公路改(扩)建路面病害与结构强度相关性分析与评价

王 辉，聂 文

(1. 广东交通实业投资有限公司，广州 510623;2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司，广州 510641)

0 引言

本文以某高速公路改(扩)建工程为例，借助无损检测技术，研究道路内部病害与结构强度的相关性，全方位准确评价旧路状况。

1 工程概况

某高速公路全长125.2km。2003年9月建成通车后，经过车辆荷载的反复作用，路面结构出现了不同程度的破损。从2008年～2015年，营运管理公司根据不同的路面病害，在不同年度陆续进行了罩面养护工程。改(扩)建后为双向八车道，设计行车速度120km/h，沥青路面验收弯沉为22.0(0.01mm)。旧路结构型式及加铺结构类型见表1。

表1 旧路改造方案

2 检测内容与方法

2.1 路面病害检测

采用三维探地雷达对路面进行超车道和主车道的检测，探明路面结构损伤桩号、横向位置以及相关指标(体积、面积、长度以及最大高程差等)，确认路面、路基及结构物内部技术状况，为后续采取注浆、直接加铺、铣刨重铺以及其他处治方案的拟定及方案选取提供基础数据。

对右幅K3215+430～K3219+430区域采集5道检测数据，全断面检测评价路面病害情况，检测方法如图1和图2所示。

图1 现场检测

图2 雷达检测现场

2.1.1 检测设备

三维探地雷达检测设备主要包括DXG系列多通道地面耦合天线阵和GeoscopeTM MKIV雷达主机。MKIV雷达主机实现了高速全方位的数据采集，只需要一个天线阵就能同时满足探测深度和分辨率的要求。DXG系列地面耦合天线阵连续频率范围为200MHz～3GHz，是现有同类设备中具有最宽频带范围的天线阵，可实现浅层高分辨成像和更深结构层次的探测。

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2.1.2 检测原理

雷达检测数据的采集，简单地说就是雷达天线发射与接收电磁波的过程。电磁波在到达不同道路材料的分界面时发生反射，然后由天线接收，进而探测出路面各结构层的情况。RTK(Real - time kinematic)可达到cm级的定位精度，检测过程中借助RTK可精准定位检测的桩号。

检测车辆在前进过程中，雷达天线持续接收反射电磁波，收集三维空间的信号。对接收到的信号加以分析处理，就可以形成沿天线移动方向切面的雷达图，即纵剖面图。此外，还可将扫描的数据处理成水平方向切面，如图3所示。根据横纵剖面图像的情况，可确定路面病害的类型。在雷达图像病害识别方面，国内学者做了大量研究，证实了探地雷达可准确检测出道路内部的状况。其中，华南理工大学罗传熙研究了雷达图像成像原理，分析影响图像质量的因素，通过提高图像清晰度，更好地判别病害类型，并在江罗高速公路得到有效应用[19]。

图3 沥青路面内部病害检测(水泥稳定碎石基层)

2.2 路面结构强度检测

采用PRI2100型落锤式弯沉仪，获取荷载作用下沥青混凝土路面的弯沉响应(包括中心弯沉值和弯沉盆)。由设计弯沉值与中心弯沉结果的关系，求算不同路段的路面结构强度指数PSSI；并根据路面弯沉盆数据，通过广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司自主开发的FWD弯沉模量反算程序“DeflectionBasinLiteUI”，直接反算得到不同路段路面各结构层的回弹模量数据。依此分析路面结构强度等级和强度均匀性，对缺陷结构层进行诊断和定位，验算路面结构的承载能力和路面结构的材料设计符合性，为路面结构性修补提供依据。

检测段落为右幅K3215+430～K3219+430路基段的超车道和行车道，按每车道20m/点的检测频率。现场检测如图4所示。

图4 FWD现场检测

3 检测结果与讨论

3.1 路面病害检测结果

三维探地雷达病害检测结果见表2。

表2 K3215+430～K3219+430路段病害统计

经检测，发现面层存在裂缝152处，密度162m/km；基层存在裂缝45处，密度60m/km，松散4处，脱空7处，沉陷3处；底基层存在裂缝39处，密度52m/km，松散13处；土基存在裂缝17处，密度28m/km，松散6处，富水区域2处。由检测结果可知，面层存在较多的裂缝，密度达到161.6m/km。此外，基层、底基层和土基主要的病害型式为裂缝和松散，同时还存在沉陷、脱空和富水。

通过分析各结构层病害分布情况可见，面层出现病害位置的下部结构层一般也存在不同程度的损坏，但部分(底)基层的明显病害未能在道路表面体现。若这些(底)基层的病害未能得到及时有效的处治，在后续行车荷载反复作用下，将会造成路面的损坏。

3.2 路面结构强度检测结果

3.2.1 路面结构强度指数PSSI

采用PRI2100型落锤式弯沉仪，获取荷载作用下沥青混凝土路面的弯沉响应(包括中心弯沉值和弯沉盆)，根据中心弯沉结果与设计弯沉值的关系，求算路面结构强度指数PSSI(图5)。

图5 行车道和超车道路面结构强度指数PSSI分布

PSSI分为优、良、中、次和差五个等级。当PSSI值≥90时，评价为优；当PSSI值≥80并<90时，评价为良；当PSSI值≥70并<80时，评价为中；当PSSI值≥60并<70时，评价为次；当PSSI值<60时，评价为差。本次检测段落内路面结构强度指数PSSI分布状况如图5所示。

行车道中及以下的比例约为10.9%(16/146)，优良率约为90.1%。相比2017年8月现场检测结果全线优良率98.5%的比例，出现较大幅度的结构强度衰减，路面结构强度偏差，这与行车道重载车辆较多有直接关系。

超车道中及以下的比例约为3.3%(5/150)，优良率约为96.7%，相比2017年8月现场检测结果全线优良率98.5%的比例，出现一定幅度的结构强度衰减。

3.2.2 路面结构各层弹性模量

根据FWD实测的弯沉盆数据，通过FWD弯沉模量反算程序“DeflectionBasinLiteUI”，直接反算得到不同路段路面结构各结构层的回弹模量数据。各结构层回弹模量数据见表3。

表3 各结构层模量分布

由表2的数据可知，路面结构层模量存在明显的衰减，行车道衰减幅度比超车道大，主要原因是该高速公路的大交通量和重载交通荷载组成导致。

3.3 路面病害与结构强度的相关性

(1)采用落锤式弯沉仪(FWD)在裂缝位置进行定点检测，进一步分析路面病害与结构强度的关系。检测结果见表4。

表4 裂缝处路面结构强度指数

从表4的数据可知，裂缝位置的路面结构强度指数PSSI均小于70，分级均为次及以下。面层的裂缝会导致路面结构强度的降低，且行车道衰减幅度比超车道大。

(2)选取部分三维探地雷达和落锤式弯沉仪(FWD)检测结果汇总(表5)。正常的模量水平为面层模量大于5 000MPa，基层模量大于5 000MPa，底基层模量大于2 500MPa。

表5 雷达探测病害结果和FWD检测结果比对

从表5的数据可知，路面结构弹性模量与病害存在一定的联系，结构层病害会导致弹性模量出现不同程度的降低。病害出现的位置均有个别结构层模量不足的情况。

(3)为了验证检测结果的准确性，随机选取K3216+710处进行开挖，该处存在面层裂缝，基层裂缝、沉陷，底基层裂缝、松散等病害。模量反算结果显示，K3216+710处水稳底基层模量仅为2 255MPa，结果偏低(通常水稳底基层模量至少超过2 500MPa)。开挖验证过程如图6所示。

图6 现场开挖验证情况

现场开挖验证效果较好，三维探地雷达无损检测病害结果经开挖验证符合性较高，能满足改(扩)建工程旧路面处理的要求。同时获取开挖点附近路面结构的逐层模量结果，路面模量结果存在衰减，与雷达检测结果具有较好的对应性。

4 结语

高速公路改(扩)建工程旧路路面的处治关系到路面的使用寿命，若对路面内部缺陷和承载力不足的位置进行改善，将能延缓路面结构出现损坏的时间，大幅提高改(扩)建后路面的使用年限。本文以某高速公路改(扩)建工程为例，采用无损检测技术，对道路进行快速、无损、精准的检测，得到路面技术指标，进一步分析路面内部病害和结构强度相互间的关联，为旧路路面处治措施的选择提供定量的基础数据。通过现场路面结构开挖，验证了该方法的可行性。主要结论如下：

(1)根据三维探地雷达病害检测结果可知，面层出现病害位置的下部结构层一般也存在不同程度的损坏，但部分(底)基层的明显病害未能在道路表面体现。

(2)与2017年8月现场检测结果相比，路面结构强度指数和路面结构层模量均存在明显衰减，且行车道衰减幅度比超车道大。行车道重载车辆多，荷载作用大，导致路面强度衰减比超车道快，检测结果与实际情况相符合。

(3)通过现场开挖验证可知，三维探地雷达无损检测病害结果经开挖验证符合性较高，能满足改(扩)建工程旧路面处理的要求，且开挖点附近路面结构层的模量结果存在衰减，与雷达检测结果具有较好的对应性，路面结构损伤将会导致路面结构强度出现不同程度的下降。