路面预防性养护的经济性和有效性很大程度上取决于采取预防性养护措施的实施时机。预防性养护所针对的是路面结构性能尚好的路面,如果实施得过早,则不但无益于路面性能的改善,而且还浪费资金;如果实施得过晚,则由于预防性养护并不增强路面的整体结构性能,也会徒费资金。因此,有必要根据我国的实际情况,并结合国内外相关的研究成果,对沥青路面预防性养护实施时机进行研究。确定预防性养护时机,实际上就是要确定路面使用性能关键指标的临界值[6-8],只有明确了路面指标临界值,才能作为确定养护时机的依据。本文结合国内外研究成果及笔者多年实践经验,对高速公路沥青路面养护时机进行探讨,并确定路面指标的临界值取值。由于预防性养护费用投入相对较高,本文所讨论的预防性养护关键技术指标的临界范围都是基于高速公路沥青路面,但随着研究的不断深入和预防性养护费用的不断降低,其应用范围将逐步扩大到等级公路。
路面使用性能关键指标
气候区域、路基路面结构和材料、交通状况、施工经验以及路面养护历史等因素对路面的性能有重要影响,其对沥青路面早期病害造成的破坏往往不易被察觉,且高速公路路面先期功能性缺陷也没有明显特征,所以,确定路面的预防性养护时机需充分考虑路面的功能性能,简单地说,就是在路面功能性能加速恶化前进行预防性养护。
根据我国沥青路面养护规范及实际工程中所积累的对沥青路面使用品质影响较大的评价指标,并参考国外沥青路面养护技术成果,笔者认为影响沥青路面使用状况的关键技术指标包括路面状况指数(PCI)、平整度指数(IRI)、路面车辙深度(RD)、横向力系数(SFC)。本文针对上述4个关键路面指标进行探讨,研究其各自的临界值范围,为确定高速公路沥青路面预防性养护时机提供依据。
路面使用性能关键指标临界范围
路面状况指数(PCI)
路面状况指数(PCI)是路面性能的一项综合评价指标,其内容涉及沥青路面中的裂缝类病害、松散类病害、变形类病害及其它病害(主要为泛油)。因此,其值可在一定程度上反映待处理路段的整体情况。
在美国,沥青路面养护时机的选择是以PCI为指标作为参考,当PCI指数在75~95之间时,路面状况等级为优,采取常规养护;当PCI指数在60~75之间时,应在功能性能加速恶化前就采取预防性养护,以延长路面的使用寿命,恢复路表的功能状态。根据我国公路沥青路面养护技术规范,对于高速公路,在满足路面结构强度的要求下,当PCI≥70时应以日常养护为主,对局部病害进行小修为辅;当PCI<70时则应实施中修罩面。上海市在其建立的沥青路面预防性养护资料库中指出,对于高速公路,其PCI值在80~95之间时需实施预防性养护。考虑到我国偏于宽松的路况指标计算方法,笔者认为,各地区可根据实际情况,在80~95之间选定一个PCI界限值,以确定合理的预防性养护时机。
平整度指数(IRI)
平整度指数(IRI)是一种标准化的平整度指标,是世界银行于1982年在对巴西路面平整度进行大量试验的基础上提出的。模拟方式为数学模型,即将1/4车轮(即单轮,类似于拖车)在路面上按一定速度行驶来分析行驶距离内因动态反应所引起的车辆悬挂系的累积竖向位移量。因此,IRI反映了路面的行驶质量状况,IRI值越高,说明路面的颠簸越严重,行驶质量越差。
美国AASHTO规范中,对平整度的评定为:IRI为~1m/km时,平整度等级为优;IRI为1~2m/km时,平整度等级为良;IRI为2~3m/km时,平整度等级为中;IRI为3~4m/km时,平整度等级为次;IRI>4(m/km)时,平整度的等级为差。通常,当路面平整度等级为良时应进行预防性养护,也就是要求路面的IRI值小于2.0m/km。根据我国交通部颁布的《高速公路养护质量检评方法(试行)》,当IRI值为4m/km时,路面的行驶质量值(RQI)为90.40,评价等级为优;而实际上此时路面的颠簸程度已很严重,行车已明显感觉到不舒适。笔者曾针对此问题进行过专门调查与研究,基于对大量实际工程的定期检测,发现当IRI大于2.0m/km时,路面颠簸程度加剧,行车舒适度开始大幅下降,需及时进行养护。参考国外的成功经验并结合笔者的调研成果,笔者认为,为了保持沥青路面的使用品质,延长路面的使用寿命,当IRI值≤2.0m/km时,应对路面进行预防性养护。
路面车辙(RD)
路面车辙(RD)是道路横断面上因车辆荷载的重复作用而产生的一种不可恢复永久变形,其产生原因通常可归纳为重载交通作用、渠化交通、沥青混凝土强度及夏季高温等。由于近年来我国高速公路交通量迅速增长,且其中超重超限车辆所占比例较大,故车辙病害已成为我国高速公路沥青路面最主要的早期病害之一。车辙深度已被大多数养护单位作为决定高速公路是否进行养护维修的一个重要指标。
在荷兰壳牌(SHELL)设计方法中,当路面的永久变形达到10mm时,路面就达到了破坏的临界状态,这时需要加铺面层才能恢复其功能状态;当路面的永久变形达到20mm时,路面就已进入了破坏状态。所以壳牌设计方法中高速公路车辙标准规定为10mm。另外,比利时规定车辙标准为10~15mm,美国地沥青协会规定的车辙标准为12.5mm,1986年版AASHTO设计方法规定的车辙修缮标准为10mm。国外研究表明,当高速公路上车辙深度大于15mm后,雨天在高速公路轮迹带上行驶的车辆与路面之间的吸附力将下降近30%,产生较大的安全隐患。
我国结合国外车辙标准及国内实际情况,规定高速公路和1级公路的车辙标准均为15mm。国内也有一部分养护专家认为15mm左右的车辙对道路行驶安全性影响并不显著,对其进行处治不经济,只有当车辙深度超过25mm时才会严重影响行车安全。这显然又回到路面“坏了才修”的旧思路里。所以,笔者建议对于沥青路面预防性养护的车辙界限值仍取为15mm。
横向力系数(SFC)
横向力系数(SFC)是路面抗滑性能的一个反映指标,而路面抗滑性能直接影响路面车辆的行驶安全性,抗滑性差则道路上交通事故发生率就较高。调查数据表明,在日本,由于路面滑溜而引起的事故总数与年总事故数之比为25%;在英国,该数据调查结果为24%;在前苏联,该数据是3.8%~16%,在特别不利条件下该数据可达到70%。
SFC由横向力检测车测定,其车上的轮胎为2只标准试验轮胎,该轮胎相对车辆行驶方向偏转一定的角度(7.5°~20°)。若路面为潮湿状态,当横向力检测车以一定的速度在其上行驶时,则试验轮胎将受到横向摩阻力的作用。SFC为该摩阻力与作用在试验轮上的载重之比,其表征路面的抗滑性能。
路面具有足够的抗滑性能则可有效保证路面的行驶安全性。路表应具有的最低抗滑性能视路况、测定方法和行车速度等条件而定。各国制定的抗滑指标各不相同,其主要指标有抗滑能力、石料的磨光值和构造深度。
根据JTJ073.2—2001《公路沥青路面养护技术规范》来评价路面的抗滑性能,采用横向力系数测试车和摆式摩擦仪测试路面抗滑性能,抗滑系数以横向力系数(SFC)或摆式仪的摆值(BPN)表示。
针对当前我国高速公路中车流量不断增大、小型轿车比例不断增加、行车速度不断加快的现状,为了有效保证高速公路中的行驶安全性,笔者建议将路面横向力系数SFC≤50作为沥青路面预防性养护的时机。
结语
明确路面使用性能关键指标的临界范围可为高速公路管理部门和决策者提供科学抉择依据,本文介绍的指标均有标准的检测方法和检测手段。得到检测数据后,根据检测结果对路面使用状况进行客观评价,且根据评价结果可以选择相应的养护措施和养护时机。但是,由于受环境条件、交通量、交通组成等因素影响,不同公路或同一公路的不同路段可能具有不同的路面状况,因此选择养护时机时,还应考虑路面状况。