林江涛，樊 亮，闫 晨

(1.山东省交通科学研究院山东省道路结构与材料重点实验室，济南 250001；2.山东高速股份有限公司，济南 250101)

截至2019年年底，中国高速公路里程近15×104km，为了保持高速公路服务水平，每年都要投入巨额的养护资金。路面破损指标是一项综合性指标，它包含裂缝在内的4大类、24种病害[1]，路面破损状况指数(pavement condition index，PCI)则是对路面破碎指标综合体现。路面破损综合反映了路面技术状况，是确定养护方式的主要依据之一，也是确定养护时机与措施的重点、难点。

众多研究者对相关路面破损进行了大量的研究。李小川[2]利用路面PCI等指标对路面预防性养护指标与决策进行了论述；李伟等[3]基于3D数据和双尺度聚类算法对路面破碎(裂缝)进行检测；李清泉等[4]利用高精度三维测量技术进行路面破损检测；李其轩等[5]分别利用蒙特卡洛检验方法对路面破损面积提取方法进行了修正；李莉等[6]、柯文豪等[7]分别提出了适于路面破损图像处理的边缘检测方法及基于广义回归神经网络沥青路面裂缝预测方法；覃潇等[8]则对多场耦合下路面混凝土细观裂缝的演化规律进行了研究。但是总体来看，前人研究多是对路面破损数据采集方法、病害严重程度及细观评价方法的研究，对于路面宏观病害发展规律、趋势与PCI指标并没有建立起有效联系；同时，中国高速公路主要的沥青路面基层结构形式为半刚性、复合基层。众多研究及实践经验表明[9-10]，由于复合基层中柔性基层的存在，两种基层类型结构材料、应力响应等都不同，路面病害表现形式及损害机理方面都有巨大差异，但是针对两种基层类型路面破损指标演变规律的对比研究少。

现有路面破损数据已经很丰富，但现有描述性指标却相对匮乏，致使庞大的病害数据利用单一，这造成目前路面养护缺乏计划性、主动性，造成大量养护资金的损失。因此，将通过对不同基层类型作为研究分析对象，通过对半刚性、复合基层路面破损数据进行分析汇总，结合PCI指标，发掘其他有益指标及规律，寻找不同基层路面类型病害发展趋势的异同，有效确定养护维修的最佳时机，为高速公路路面科学养护决策提供有效的数据支持。

1 数据来源

采集数据路面包括山东省境内G2京沪高速、G3京台高速、G3W德上高速及G2001济南绕城高速等11条高速公路，按照分车道进行里程计算，共计5 244.0 km。由于采集数据所涉及高速公路路面里程相对较长，通车年限不一，路面养护史复杂，甚至部分统计路面已经改变了原来的路面基层结构层形式，但是整体来看，所统计路段养护维修时对路面基层处理程度、面积有限，因此所统计路段基本保持了原有路面结构形式。同一基层类型中的各个层位厚度、级配类型都有所差异，但是基本的结构形式基本类似，表1为统计路面典型路面结构，其中SMA-13表示最大公称粒径为13 mm的沥青玛碲脂碎石混合料，AC-20、AC-25分别表示最大公称粒径为20、25 mm的密实沥青混凝土混合料，LSPM-30表示最大公称粒径为30 mm的大粒径透水性沥青混合料。

表1 典型路面结构

2 路面破损衍生指标

2.1 指标定义

路面损坏状况指数(pavement condition index, PCI)表示路面完好程度的指数，按照现行公路技术状况评定标准规定的沥青路面的PCI计算公式如式(1)所示:

PCI=100-15DR0.412

(1)

式(1)中：DR为路面破损率，是各种病害的折合损害面积之和与路面调查总面积的百分比。

现行技术规范对沥青路面病害的类型及严重程度已经做了分类，因此在此基础上对病害种类数量及普及范围数量的统计，统计的病害种类总计为24种。统计的方法如下：将不同种类病害作为横列，用i表示(i=1，2，…，24)；对符合PCI统计范围的百米段进行编号并作为纵列，用j表示(j=1，2，…，N)；若在某100 m路段内，若发生某种病害则将其数据计为1，若没有出现此病害则计为0，该数据记为dij。

(2)

(3)

(4)

2.2 基本统计结果

山东高速公路路面PCI指标低于70的路段极少，同时当路面PCI为100时，没有路面病害发生，因此PCI统计范围为[70,100)，划分为6个统计单元，分别为[70,75)、[75,80)、[80,85)、[85,90)、[90,95)及[95,100)，统计分析所用PCI数据均为100 m检测数据，统计汇总数据如表2、表3所示。

2.3 结果分析

按照2.1节中定义的3个关于路面破损衍生指标，将表2、表3数据按照式(2)、式(3)进行计算，得到路面病害覆盖率DCI1、贡献率DCI2。需要说明的是，由于统计的路面病害中，部分病害数量数据基本为零，因此在下图中未进行体现，最终结果如图1所示。

表3 复合基层路面病害统计结果

表2 半刚性基层路面病害统计结果

由图1(a)、图1(b)可知：①两种不同类型基层路面病害种类覆盖率DCI1占据绝对位置的均是横裂修补、纵裂修补、纵向裂缝(轻)、横向裂缝(轻)4种病害，其他类型病害相对较少；②当PCI统计范围为[80，85)，半刚性基层路面横裂修补、纵裂修补、纵向裂缝(轻)、横向裂缝(轻)4种主要病害的覆盖率DCI1基本相当，并且在该区间内出现转折，即路面主要病害贡献率DCI2由横裂修补、纵裂修补转变为纵向裂缝(轻)、横向裂缝(轻)，在相对应PCI统计范围下复合基层路面没有表现出上述现象。由图1(c)、图1(d)可知：①两种基层路面病害贡献率DCI2最大均是横裂修补、纵裂修补、横向裂缝(轻)、纵向裂缝(轻)4种病害，其他类型病害贡献率相对较小；②当PCI统计范围处于[80，85)时，半刚性基层路面横裂修补、纵裂修补、纵向裂缝(轻)、横向裂缝(轻)4种主要病害的贡献率DCI2达到一致，并且在该区间内开始出现转折，即路面主要病害由横裂修补、纵裂修补开始转变为纵向裂缝(轻)、横向裂缝(轻)，复合基层路面没有表现出上述规律。

图1 路面病害相关衍生指标分析

图2 路面平均病害种类

表4 平均病害种类与PCI值域代表值关系

为进一步分析半刚性、复合基层主要路面病害的演变情况，将上述三项衍生指标变化率进行了计算，需要指出部分病害覆盖率、贡献率极小且造成统计分析的巨大波动，对于此部分数据不予进行汇总，最后结果如图3所示。结合图3数据结果，将复合、半刚性基层路面破损类病害发展分析如下。

图3 路面破损衍生指标变化率

(1)阶段Ⅰ，PCI统计范围为[90，95)：路面病害以横向裂缝(轻)及相应修补为主，裂缝种类、覆盖率迅速扩展，半刚性、复合基层路面平均病害种类由1.2、1.3提高到1.9、2.0，增加幅度为65.7%、53.7%；半刚性基层路面横、纵向裂缝覆盖率分别提高了313.3%、586.7%；复合基层横、纵向裂缝覆盖率分别提高了194.3%、317.2%，此阶段半刚性基层路面主要病害的覆盖率变化率明显高于复合基层路面，表明半刚性基层路面裂缝发展速度明显高于复合基层。

(2)阶段Ⅱ，PCI统计范围为[85，90)：半刚性基层路面横向裂缝(重)、纵向裂缝(重)病害覆盖率分别提高了342.2%、607.3%，即相对严重病害路面覆盖率迅速提高；对于复合基层来讲，纵向裂缝(重)覆盖率显著提高，提高幅度为382.9%，但是横向裂缝(重)基本变化幅度不大，与[90，95)维持相当的水平。结果表明复合基层路面与半刚性基层路面的不同，即复合基层路面出现严重横向裂缝的阶段明显晚于半刚性基层路面。同时，半刚性、复合基层路面的纵向裂缝(轻)覆盖率、贡献率均超过横向裂缝(轻)所对应指标，此阶段是复合基层路面纵向裂缝(包括轻、重)发展最迅速阶段，该种形式的裂缝多为行车荷载作用导致的疲劳开裂。

(3)阶段Ⅲ，PCI统计范围为[80，85)：半刚性基层横向、纵向裂缝(轻)及相应修补覆盖率、贡献率在该阶段达到一致，裂缝的未修补量开始超过裂缝的修补量；严重病害种类进一步提高，横、纵向裂缝(重)、块状裂缝覆盖率分别提高了82.5%、95.1%、221.5%，路面开始出现加速破坏的趋势；路面破损数据体现的只是路面表层病害程度，对路面的深层次损伤不能有效表征，大量取芯试验及雷达检测表明，半刚性基层该阶段路面内部结构性损伤发展严重，路面表面的养护处置方式已经不能有效发挥作用，此时应进行必要的结构性的养护。复合基层路面纵向裂缝(轻)、横向裂缝修补、纵向裂缝修补覆盖率、贡献率在该阶段达到一致，但是横向裂缝(轻)的覆盖率、贡献率始终低于上述指标；但是横向裂缝(重)、纵向裂缝(重)在此阶段是明显加速发展，尤其是横向裂缝(重)病害，覆盖率提高了404.6%，此阶段温度应力或基层反射应力都是可能原因。

(4)阶段Ⅳ，PCI统计范围为[75，80)：路面破损严重，半刚性基层路面裂缝的未修补量已经明显高于裂缝的修补量，这表明日常修补、封缝养护措施远不及裂缝的出现速率，复合基层路面块状裂缝出现速率明显提升。按照现行养护评定标准，此阶段路面技术状况达到中，路面达到中修标准。

(5)阶段Ⅴ，PCI统计范围为[70，75)：半刚性基层路面各种病害覆盖率、贡献率变化率明显下降，但是块状裂缝、横向裂缝(重)、纵向裂缝(重)扩展速度仍相对较高，病害程度持续增加；复合基层各项病害覆盖率变化率明显下降，但是病害程度持续增加。

结合图3对描述数据进行梳理，将技术状况评定为良以上路面病害发展趋势的阶段代表进行总结，结果如表5所示。

表5 病害发展主要趋势

分析认为复合、半刚性基层路面的主要病害类型均是裂缝及相应修补，不同时期裂缝类病害对路面破损的贡献率平均达到91.7%，并且病害发展规律基本一致，首先是横向、纵向微裂缝快速扩展，然后是横、纵向裂缝(重)的迅速扩展，最后是块状裂缝等综合裂缝的快速扩展；但是，每个阶段两种路面类型也表现出明显不同，半刚性基层早期微裂缝的扩展速度明显高于复合基层路面，两种路面类型的纵向裂缝(重)病害发展最迅速阶段出现于同一时期，但是相较于半刚性基层，复合基层将横向裂缝(重)、块状裂缝发展最迅速阶段推后了一个阶段，这实际表明复合基层路面比半刚性基层路面拥有更好的养护弹性。

造成复合层、半刚性基层路面病害发展差异的深层次原因在于半刚性基层与复合基层路面材料结构及力学响应上的巨大差异，即使不同高速公路路面半刚性、复合基层路面具体采用的结构、材料及级配存在个体差异，但不同基层类型的差异与同基层类型间的个体差异相比，在整体病害规律演变方面可暂不考虑。综上，从整体来看，可以根据基层路面的类型及病害发展规律选择相应的养护策略、措施进行病害的预防性养护，即在某种病害大面积出现前提前介入，养护应该防治结合，以防为第一选择，治作为第二选择，根据裂缝类型、成因及发展阶段采取针对性养护措施。一般的当路面PCI处于表5所述范围时，对于轻微裂缝的防治可以采用雾封层等技术进行处置；对于横、纵向(重)裂缝可以采用微表处、薄层罩面等养护技术进行防治；当病害进一步扩展至块状裂缝发展迅速阶段，可采取就地热再生等养护技术。

需要指出的是，路面病害的成因，同一表现形式的病害可能的成因会千差万别，破损类病害同时伴随其他类型病害，因此路面养护还需要具体病害具体分析，根据实际情况采取合适的养护技术进行精准养护路面。所给出的是基于山东路网级路面破损数据的分析结果，下一步需要对该数据体现的规律及应用效果进行实体工程的有效性验证。

3 结论

(1)半刚性、复合基层路面病害覆盖率、贡献率均以裂缝类范畴病害占据主导地位，不同时期裂缝类病害对路面破损的贡献率平均达到91.7%，其他病害种类相对较小或极小；路面平均病害种类与PCI区间代表值具有良好的线性关系。

(2)当PCI指标处于[90，95)时，半刚性、复合基层均是横向、纵向轻微裂缝及病害种类发展最迅速阶段；当PCI指标处于[85，90)时，半刚性基层横向、纵向严重裂缝发展最迅速，复合基层纵向严重裂缝发展最迅速；当PCI指标处于[80，85)时，半刚性基层路面未处置裂缝的覆盖率、贡献率开始超过裂缝修补，养护方式出现明显转折；复合基层路面此阶段横向裂缝(重)发展最迅速。

(3)相较于半刚性基层，复合基层将横向裂缝(重)、块状裂缝发展最迅速阶段推后了一段时期，这表明复合基层路面比半刚性基层路面具有更好的养护弹性；路面养护策略、措施的选择，宏观上应该根据不基层类型及路面病害在不同时期的演变规律进行选择。