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既有沥青路面结构评价与延寿设计方法研究

宋波  
【摘要】:截至2018年年底,我国公路通车总里程为484.65万公里,高速公路通车里程达到14.26万公里。随着全国路网的基本建成,路网结构不断优化,干线公路逐步进入养护期,养护投入快速增长。据统计,2015年公路养护投资达到3389.9亿元。全国公路养护维修工程中,国、省干道大中修率在15%以上,每年公路路面大修养护里程达到50多万公里,大修养护费用达到数千亿元。沥青路面是我国公路路面的主要形式,在国省道干线路面中占90%以上。沥青路面的设计寿命一般为10~15年,达到使用寿命后大部分需要结构性大修。搞好沥青路面大修养护特别是对结构性大修的科学决策,事关我国交通基础设施建设事业的可持续高质量发展,具有巨大的经济和社会意义。目前在沥青路面大修养护中,对既有沥青路面的利用价值没有开展系统地研究,尚未形成完善的沥青路面大修养护设计方法。由于在路面结构损伤检测方面缺技术,在路面结构评价上缺指标,在既有路面延寿设计上缺方法,传统的沥青路面大修养护管理方法,尚无法实现沥青路面的保值增值。本文以沥青路面典型病害和破坏特征为现象学基础,利用神经网络技术、无损检测技术、连续损伤力学理论、安定理论、传感器实时监测技术等研究理论和方法,在路面综合性能分类、结构状况检评、延寿设计指标和方法等方面开展了系统研究,初步形成了既有沥青路面结构分类评价和延寿设计方法,对于完善我国大修养护设计方法具有理论指导意义。基于过去30年的沥青路面历史数据,多特征、多维度对比分析路面基础数据。通过普通公路、高速公路典型结构力学分析,发现高速公路沥青路面结构性能普遍优于普通公路,基本具备了长寿命路面的基础。路面厚度对结构的疲劳寿命影响大于材料模量,可以建立基于统计的沥青面层厚度与结构使用寿命之间的函数关系。对于无结构性病害或出现轻微结构性病害的旧路,可以通过加铺沥青面层延长沥青路面的使用寿命,而无须采取翻修改造的大修处治方式。通过对北京市沥青路面大修工程主要病害调研,发现既有沥青路面大修的主要病害是网状裂缝,路面延寿设计必须以疲劳开裂作为控制指标,以保证沥青路面在“延寿期”内的结构安全。既有沥青路面受交通荷载、外界环境、材料老化等内外因素的耦合作用,通过沥青路面综合性能聚类分析,发现路面综合性能可以分类为四种不同模式。其中,A类和B类的沥青路面,是优质的材料、合理的结构、严格的质量控制、规范的预防性养护四方面综合作用的结果。通过现代无损检测技术和有损测试技术结合,典型路段检测评价与验证,构建了多指标的既有沥青路面结构状态分类评价体系。针对探地雷达受系统带宽限制无法精准检测薄层路面厚度的问题,首次提出了基于探地雷达信号处理的沥青面层分层厚度检测方法,通过对雷达回波的迭代作谱峰搜索,重现雷达重叠信号,实现对不同沥青面层界面的区分,分层厚度估计最大相对误差小于5%;首次提出了路面结构损伤评价参数的两个新指标——路面损伤指数PDI和路面结构模量,再辅以高速公路的面层损伤指数SDI和基层损伤指数BDI,形成基于FWD弯沉盆数据的沥青路面损伤自动判别技术,其判定精度经现场验证,对于高速公路既有沥青路面的判别符合度达到89.88%,普通公路既有沥青路面判别符合度达到96.02%,符合度整体上可达到90%以上,为路面结构隐形病害诊断和分类评价提供了技术手段。基于半刚性基层三阶段性能演化规律和既有沥青路面综合性能的四种演变模式,提出了既有沥青路面结构状况的四分类方法,并建立了具体的评价标准和分类处治策略。对于结构状况良好的A和B类路面进行既有沥青路面延寿设计,基于控制路面结构的疲劳破坏和结构性车辙,以“半刚性基层疲劳损伤、加铺结构的安定荷载”为设计指标,以半刚性基层模量取值为重要设计参数,形成了既有沥青路面延寿设计方法。通过试验路的路用性能长期监测和传感器监测数据分析,验证了既有路面延寿期的结构安全和结构安定的目标。既有沥青路面延寿设计方法在精细化检测的基础上合理加铺沥青面层,可以有效延长路面使用寿命。该方法适用于在A类和B类路面的基础上延长结构使用寿命一倍以上,为路面保值增值提供了理论依据,有利于促进我国路面养护水平的提升。


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