公路瀝青混凝土路面車轍分析

闞文廣,張嬌娜,龐會杰

(1.黑龍江省公路勘察設(shè)計院;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué))

隨著公路建成交付使用,在行車荷載和環(huán)境因素的作用下,道路的路面質(zhì)量和服務(wù)能力逐漸下降。路面損壞的形式有很多種,使用二年以上的公路出現(xiàn)車轍的病害比較多,是瀝青混凝土路面的主要病害之一。具有關(guān)資料顯示,20世紀(jì) 70年代末美國各州公路局曾作過調(diào)查統(tǒng)計,在被調(diào)查的44條主要公路中有 13條公路的破壞是由車轍引起的,占調(diào)查總數(shù)的 29.5%;日本的高速公路路面維修、罩面的原因,80%以上是由于車轍引起的。

1 車轍病害主要類型

1.1 結(jié)構(gòu)型車轍

由于荷載作用超過路面各層的強度,發(fā)生在瀝青面層以下包括路基在內(nèi)的各結(jié)構(gòu)層的永久變形。這種車轍寬度較大,兩側(cè)沒有隆起現(xiàn)象,橫斷面呈V字形。

1.2 失穩(wěn)型車轍

在高溫條件下,由于瀝青混合料中顆粒之間瀝青膜在外力作用下產(chǎn)生了剪切變形,引起集料顆粒出現(xiàn)相對位移,車輪反復(fù)碾壓作用載荷應(yīng)力超過瀝青混合料的穩(wěn)定度極限使流動變形不斷積累形成車轍。一方面是車輪作用部位下凹,另一方面車輪作用甚少的車道兩側(cè)反而向上隆起,在彎道處還明顯向外推擠,車道線及停車線因此可能成為變形的曲線。對主要行駛雙輪車的路段,車轍斷面呈W形。

失穩(wěn)型車轍主要發(fā)生在大坡道長坡段、彎坡橋匝道及收費站出入口等。

1.3 壓密型車轍

該類車轍病害是由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán),瀝青面層本身壓實度不足,致使通車后的第一個高溫季節(jié)混合料繼續(xù)壓密,在交通荷載的反復(fù)碾壓作用下,空隙率不斷減小,達到極限殘余空隙率才趨于穩(wěn)定。它不僅產(chǎn)生壓實變形,而且平整度迅速下降,形成明顯的車轍,在我國是較普遍。

1.4 磨耗型車轍

當(dāng)路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,車輛行駛時,輪胎磨耗路表而產(chǎn)生此類車轍,車轍深度一般在 5mm以內(nèi)。這類車轍屬正常現(xiàn)象,不需處理。

2 車轍病害主要危害

車轍的出現(xiàn),嚴(yán)重影響了瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量及行車安全,并直接影響路面的使用壽命,造成維護成本的增加。

(1)車轍底部和上部的邊緣位置產(chǎn)生集中應(yīng)力,致使路面產(chǎn)生縱向裂縫,造成雨水等滲入下面層及基層,造成基層水損壞,使公路服務(wù)質(zhì)量下降,增加維修成本。

(2)車轍降低了路面平整度和穩(wěn)定性,影響行車的舒適性。

(3)車轍造成路面排水不暢,降低路面的防滑能力,影響行車安全。

3 車轍病害產(chǎn)生原因

分析車轍產(chǎn)生的各種綜合影響,主要為以下 3種因素。

(1)我國現(xiàn)行規(guī)范中可供設(shè)計人員選擇的路面結(jié)構(gòu)單一,而且級配范圍較寬。實際上,目前大量出現(xiàn)的路面早期損壞是現(xiàn)行理論和規(guī)范所難以做出更深解釋的,現(xiàn)行理論和規(guī)范已經(jīng)制約了國民經(jīng)濟的發(fā)展。

(2)我國大規(guī)模進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),設(shè)計路基、路面結(jié)構(gòu)不合理;施工隊伍技術(shù)力量薄弱;施工機械設(shè)備陳舊、不配套;建設(shè)周期不符合要求。

(3)隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,運輸行業(yè)出現(xiàn)了不公平競爭,運輸能力供大于求,某些部門從自身利益出發(fā),超載嚴(yán)重,甚至達到了令人無法想象的地步,緩慢行駛的超大型超載車輛的軸載遠遠超過設(shè)計計算中標(biāo)準(zhǔn)的軸重。

4 車轍病害預(yù)防措施

(1)設(shè)計階段充分考慮可能出現(xiàn)的問題,調(diào)查沿線的水文、地質(zhì)及環(huán)境因素,力求設(shè)計合理,避免車轍的出現(xiàn)。

(2)施工階段狠抓質(zhì)量管理,采用先進的施工技術(shù),按照設(shè)計文件嚴(yán)格施工。

(3)運營階段及時養(yǎng)護,在高溫天氣,對瀝青路面通過散水降溫,限制超載車輛的通行,警示超載車輛繞道行駛,否則,由交警部門對其罰款和卸載。

5 車轍病害治理措施

(1)對于車轍深度小于 2cm的路段直接采用微表處填補車轍。

(2)對于車轍深度大于 2cm且小于 3cm的路段,采用銑刨機銑刨掉擁包后用微表處填補車轍后,再進行罩面處理。

(3)對于大于 3cm的路段,根據(jù)現(xiàn)場情況采用銑刨機銑刨到破壞層后,分別采用 1～2層改性熱瀝青混合料進行攤鋪處理。

根據(jù)處理后期的觀察情況,從處理效果看,微表處填充是一種較好的車轍處置手段,對于熱瀝青處置的效果不是很好。

6 車轍病害工程實例

黑龍江省某段高速公路沿線路基穩(wěn)定,排水、防護系統(tǒng)維護完好。

路面主要病害為車轍,且單方向極少出現(xiàn)車轍,或者說基本無車轍,而另一側(cè)整個行車道和超車道均出現(xiàn)破壞程度不同的車轍,其分布具有一定的規(guī)律和特點。

起點段車轍出現(xiàn)較輕微,多數(shù)不足 10mm,個別路段達到 20mm,且多出現(xiàn)于行車道;中間段車轍出現(xiàn)頻率最高,破壞最為嚴(yán)重,雖經(jīng)多次治理(嚴(yán)重路段,以銑刨機刨除破壞嚴(yán)重的瀝青混凝土路面,重新鋪筑),但仍有個別路段車轍深度達到 5cm左右;終點段車轍破壞程度相對起點路段重,相對中間路段輕,車轍深度在 10～20mm之間。

首先,該路段為舊路幫寬工程,包括單側(cè)幫寬和雙側(cè)幫寬,在單側(cè)幫寬路基中,有左側(cè)幫寬也有右側(cè)幫寬,新舊路基存在不均勻沉降的隱患,在建設(shè)中使用了多種方法進行處治和預(yù)防,但其效果很好。從目前出現(xiàn)車轍的路段看,和路基的幫寬沒有直接關(guān)系,因為,只在局部出現(xiàn)輕微車轍路段,同樣存在多種幫寬形式,而且,即使左幅出現(xiàn)車轍最嚴(yán)重的路段,路面也未出現(xiàn)縱向裂縫,這說明路基是穩(wěn)定的。

另外,從不同時期觀測的結(jié)果看,車轍破壞有加速發(fā)展的趨勢。

經(jīng)過對大量觀測資料的整理分析,我們認(rèn)為,該路段出現(xiàn)車轍病害,除去氣候影響外,還和路基填料、路面結(jié)構(gòu)、施工質(zhì)量、管理養(yǎng)護水平以及汽車荷載等諸多因素有關(guān)。

(1)汽車荷載。

該段的交通量有一個非常顯著的特點,即單向的汽車重載多而且荷載大(多為砂石料),但相反方向的重載汽車就少。該路段的車轍非常集中的出現(xiàn)在左側(cè)行車道及超車道,也印證了如此巨大的單向汽車荷載,是導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍的主要原因。

(2)路面結(jié)構(gòu)。

從全線的車轍破壞的輕重程度分析,有著很明顯的特點,中間路段最重,起點方向次重,終點方向最輕,和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計路段(也是施工分標(biāo)路段)基本重合。

全線基層設(shè)計均采用水穩(wěn)砂礫及水穩(wěn)砂礫摻碎石結(jié)構(gòu),混合料組成和厚度設(shè)計均相同,因此并不能分析基層和車轍破壞的關(guān)系。只是在取芯過程中,車轍最嚴(yán)重位置,取出的基層試件,在 5cm處出現(xiàn)斷裂,即該基層在 5cm處已破壞。這說明在現(xiàn)有荷載情況下,基層強度不足。

中間路段和終點路段,在路面面層結(jié)構(gòu)設(shè)計中均采用5cm中粒式瀝青混凝土+7cm粗粒式瀝青混凝土,總厚度12cm,不同之處在于終點路段上面層采用改性瀝青混凝土,而中間路段采用普通瀝青混凝土;起點路段采用普通瀝青混凝土 4、5、6結(jié)構(gòu),總厚度 15cm。根據(jù)車轍破壞的嚴(yán)重程度和以上結(jié)構(gòu)對照分析,顯然,增加路面結(jié)構(gòu)層厚度和采用改性瀝青混凝土都有非常明顯的抗車轍效果。

(3)路基強度。

和路基填料的關(guān)系:根據(jù)分析,車轍破壞的嚴(yán)重程度和各路段采用的路基填料有著近乎完美的對應(yīng)關(guān)系。終點路段的取土場均位于地勢很高的崗地,為黃色低液限粘土,填料最好,而目前看車轍最輕;起點路段路基填料為砂性的粉土,填料次之,而其車轍稍重;中間路段取土場多位于地勢平坦低洼的荒草地(由于征地原因),填料多為黑色的粉質(zhì)低液限粘土,填料最次(雖經(jīng)摻灰使用),而目前看其車轍是全線最為嚴(yán)重的路段。