山區(qū)高速公路瀝青面層失穩(wěn)性車轍病害分析及處治措施

陳博

摘要：本文從高速公路瀝青路面病害入手，介紹了失穩(wěn)性車轍產(chǎn)生的原因及處治措施，并以貴州某高速公路為例，通過對(duì)其病害情況的實(shí)地調(diào)查，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、地理?xiàng)l件及長(zhǎng)大縱坡段較多道路狀況，著重分析了山區(qū)高速公路瀝青路面失穩(wěn)性車轍病害的成因，并結(jié)合目前車轍維修技術(shù)，具體提出不同程度車轍病害的處治方法和建議，對(duì)類似工程的車轍防治和處理有一定參考價(jià)值。

Abstract： This article starts from the highway asphalt pavement disease and introduces the causes and treatment measures of instability rutting. Taking a highway in Guizhou as an example， through field investigation of the disease situation， combined with the local climate， geographical conditions and road conditions of more longitudinal slope section， it analyzes the causes of instability rutting of mountainous highway asphalt pavement. Combined with the current rut maintenance technology， it puts forward treatment methods and suggestions for rutting in different degree， which have a certain reference value for rutting prevention and treatment of similar projects.

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土路面；長(zhǎng)大縱坡；失穩(wěn)性車轍；處治方法

Key words： asphalt concrete pavement；longitudinal slope；rutting with stability loss；treatment method

中圖分類號(hào)：TU528.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）08-0110-03

0 引言

瀝青路面由于其具有行車舒適、耐磨性好、養(yǎng)護(hù)施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛的應(yīng)用于我國道路工程中，特別是在高速公路中，瀝青路面已成為一種主要的路面結(jié)構(gòu)形式。雖然瀝青路面有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于其對(duì)組成材料、施工工藝等的要求較高，如控制不好，則會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)不同的病害類型，病害的出現(xiàn)，輕者影響行車舒適性，嚴(yán)重者將會(huì)對(duì)道路交通安全帶來重大的影響。本文結(jié)合貴州某高速公路實(shí)際調(diào)查研究，分析山區(qū)高速公路瀝青路面失穩(wěn)性車轍病害產(chǎn)生的原因，并提出處治建議且闡述了銑刨修復(fù)養(yǎng)護(hù)施工工藝在高速公路車轍修復(fù)工程中的應(yīng)用，各項(xiàng)路用性能均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。希望對(duì)山區(qū)道路的后期養(yǎng)護(hù)和擬建道路的設(shè)計(jì)施工有一定的參考價(jià)值。

1 瀝青路面病害類型

1.1 病害分類 目前我國高速公路瀝青路面早期病害主要包括沉降、裂縫、坑槽、車轍、功能性破壞、面層松散等等。根據(jù)病害表現(xiàn)類型大體可將這些病害分為三大類：即裂縫類、松散類、變形類等。

1.2 病害成因 瀝青路面病害的形成可分為客觀因素和主觀因素。

①客觀原因：瀝青路面病害形成的客觀因素主要是水、交通荷載、溫度。

水在路面中表現(xiàn)形式為空隙水、層間水、深層滲水。水對(duì)路面的損害主要有四個(gè)方面：1）動(dòng)水壓力的反復(fù)作用造成瀝青與集料剝離，導(dǎo)致瀝青路面松散；2）層間水的存在阻斷了瀝青各層之間的有效粘結(jié)，使瀝青路面各層分開從而改變路面的受力狀況，使瀝青路面在動(dòng)荷載的作用下彎拉應(yīng)力成幾何級(jí)數(shù)的增加；3）水的沖刷破壞路面材料結(jié)構(gòu)；4）滲水引起路基不均勻沉降最終導(dǎo)致瀝青路面嚴(yán)重病害產(chǎn)生。

交通荷載是導(dǎo)致瀝青路面損壞的重要原因。在我國，交通超載現(xiàn)象嚴(yán)重，逐年增多的超載車輛，使得路面所承受的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)的承載能力，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)較早的破損，嚴(yán)重縮短了路面的使用壽命。

瀝青路面是一種溫度敏感性的路面結(jié)構(gòu)，近年氣溫的變化以及極端氣溫天氣的出現(xiàn)，使得瀝青路面也不同程度的出現(xiàn)了病害。

②主觀原因：導(dǎo)致瀝青路面病害產(chǎn)生的主觀因素主要是瀝青路面的設(shè)計(jì)和施工過程中的控制。

瀝青路面設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)、厚度設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)，不合理的結(jié)構(gòu)、不合理的厚度、不合理的材料都會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)不同的病害。

瀝青路面施工過程環(huán)節(jié)較多，對(duì)各環(huán)節(jié)的要求較高，如有任一環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)格或有漏洞，將同樣會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)病害。

2 瀝青路面車轍病害概述

按照上述瀝青路面病害的分類，瀝青路面車轍應(yīng)該屬于變形類病害。車轍的檢測(cè)可以通過多功能檢測(cè)車也可以通過人工三米直尺法檢測(cè)。

2.1 車轍的分類

①根據(jù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，按車轍病害的嚴(yán)重程度可分為：一是輕微車轍，路面變形較淺（≤25mm）；二是嚴(yán)重車轍，路面變形較深（>25mm）。

②按照成因，車轍病害可分為：

結(jié)構(gòu)性——荷載作用超過路面各層的強(qiáng)度，發(fā)生在瀝青面層以下包括路基在內(nèi)各結(jié)構(gòu)層的永久性變形。

壓密性——產(chǎn)生的原因可能是由于大量重型超載車輛渠化行駛在主車道上，路面壓實(shí)度可能不足，在荷載反復(fù)作用下空隙率逐步減小，達(dá)到極限的殘余空隙率后才穩(wěn)定。

失穩(wěn)性——瀝青面層失穩(wěn)性車轍主要特征為：在行車載荷反復(fù)作用下，在輪跡帶范圍內(nèi)瀝青面層變形較大，路面產(chǎn)生累積永久性的帶狀凹槽，部分路段車道輪跡帶兩側(cè)瀝青混凝土鼓起，在彎道部位還存在明顯的向外鼓包推移現(xiàn)象，并有可能導(dǎo)致車道線或停車線變形，路面或呈現(xiàn)“波浪”狀。

2.2 失穩(wěn)性車轍產(chǎn)生的原因

①瀝青混合料級(jí)配可能不夠合理：面層級(jí)配偏細(xì)，細(xì)集料與粗集料的比例不符合配比要求，瀝青混合料系一種依靠瀝青顆粒之間的粘結(jié)性來達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，混合料內(nèi)摩擦角小，粗集料的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)都不足以抵抗車轍。在高溫環(huán)境中，動(dòng)穩(wěn)定度不達(dá)標(biāo)，路面在行車荷載下極易出現(xiàn)車轍。

②瀝青面層層間結(jié)合較差。

③瀝青用量偏多：在車轍嚴(yán)重路段，輪跡部位有明顯的泛油現(xiàn)象。

④坡道路段縱坡較大，易產(chǎn)生車轍：在高溫環(huán)境下，車輪反復(fù)碾壓路面，而瀝青混合料的粘結(jié)力和強(qiáng)度無法抵御行車荷載而出現(xiàn)流動(dòng)變形現(xiàn)象，當(dāng)流動(dòng)變形累積到一定程度后，就會(huì)在路面形成車轍。同時(shí)，路面面層受行車水平力和垂直力的綜合作用，在面層結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力。從力學(xué)角度而言，這種綜合作用越大，面層產(chǎn)生的剪應(yīng)力就越大。對(duì)車輛在公路上的不同位置進(jìn)行受力分析可知，在車輛啟動(dòng)、制動(dòng)處，以及合成坡度較大的彎道內(nèi)側(cè)，路面面層所受車輛的水平力和垂直力的合力較大，較易發(fā)生剪切破壞。

2.3 失穩(wěn)性車轍處治措施及建議

①對(duì)原路面車轍嚴(yán)重的路段，混合料失穩(wěn)側(cè)向推移，輪跡帶下陷，周邊隆起嚴(yán)重，車轍病害發(fā)展至中面層路段。銑刨車轍病害發(fā)生層位的原路面，采用改性瀝青混合料車轍修復(fù)技術(shù)或采用灌入式有機(jī)水硬性材料車轍修復(fù)技術(shù)進(jìn)行處治。

改性瀝青混合料車轍修復(fù)技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)挖填方法的改進(jìn)。采用對(duì)原路面車轍嚴(yán)重路段銑刨10cm至下面層，銑刨寬度視病害范圍而定，一般為單車道（3.75m）或雙車道（7.5m），再鋪筑4cmAC-13改性瀝青上面層+6cmAC-20改性瀝青中面層。上、中面層瀝青均建議采用SBS改性瀝青，混合料采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，層間灑布粘層油。

灌入式有機(jī)水硬性材料修復(fù)技術(shù)，是目前車轍防治的一項(xiàng)新技術(shù)，是將以水泥為主要成分的特殊乳漿材料，采用灌注工藝填充于開級(jí)配熱瀝青混合料母體骨架中，經(jīng)過一段時(shí)間養(yǎng)生后形成的復(fù)合有機(jī)水硬性材料。處治后的路面結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗車轍性能，同時(shí)具有剛?cè)嵯酀?jì)的特征，適用于由于車速慢，荷載作用時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生車轍病害的長(zhǎng)大縱坡、陡坡、彎坡橋橋面及匝道等特殊路面的車轍修復(fù)。

②對(duì)原路面車轍較嚴(yán)重的路段，可先對(duì)原路面車轍輪跡帶兩側(cè)橫向推移隆起部位進(jìn)行局部銑刨、整形，再采用微表處車轍修復(fù)技術(shù)進(jìn)行輪跡帶車轍填充或采用微表處罩面技術(shù)進(jìn)行路表狀況處治。

這類車轍多由于上面層或上、中面層材料的高溫穩(wěn)定性不足引起。處治時(shí)，先銑刨掉發(fā)生車轍的各結(jié)構(gòu)層，然后認(rèn)真檢查銑刨后露出的下臥層狀況，若有病害應(yīng)酌情處理。在下臥層無病害的情況下，可采用微表處車轍修復(fù)技術(shù)進(jìn)行車轍填充。

③對(duì)原路面車轍較輕微路段，可采用微表處直接填充修復(fù)技術(shù)進(jìn)行處治。

對(duì)于車轍深度為1.0cm時(shí)，可直接采用單層微表處填補(bǔ)修復(fù)。如果深度在1.0cm到2.0cm的范圍內(nèi)，可采用復(fù)式雙層微表處修復(fù)，攤鋪寬度均為1.4m。如果車轍路面磨光或水損壞嚴(yán)重，則可采用單層微表處直接填補(bǔ)車轍，然后再用微表處對(duì)車轍加鋪1cm厚的罩面，以提高路面抗滑和防水能力，改善路面使用狀況。

3 車轍處治案例分析

結(jié)合已有的研究成果和貴州山區(qū)的氣候、地理?xiàng)l件，介紹貴州某高速公路車轍病害調(diào)查處治實(shí)例。

3.1 貴州山區(qū)某高速公路車轍問題概述

該高速公路地處貴州山區(qū)，地形地貌多變，工程地質(zhì)背景復(fù)雜，給高速公路的選線帶來許多困難。受地形地貌的影響，道路路線設(shè)計(jì)多選擇連續(xù)急彎及長(zhǎng)大陡坡路段，在長(zhǎng)大縱坡行車道路段出現(xiàn)了較明顯的車轍，輪跡帶范圍內(nèi)瀝青路面變形較大。

從路面損壞類型分析圖1中可以看出，該高速公路瀝青路面車轍問題嚴(yán)重。經(jīng)三米直尺人工抽點(diǎn)檢測(cè)，最大車轍深度達(dá)到5cm。對(duì)于原路面車轍，進(jìn)行銑刨后不久部分路段又會(huì)出現(xiàn)車轍。據(jù)實(shí)地調(diào)查，該高速公路車轍主要為失穩(wěn)性車轍。在交通荷載產(chǎn)生的剪切應(yīng)力的作用下，路面層材料失穩(wěn)、凹陷，產(chǎn)生橫向位移。此類車轍的外觀特點(diǎn)是沿車轍兩側(cè)可見混合料失穩(wěn)橫向蠕變位移形成的凸緣，凸緣出現(xiàn)在車輛輪跡的區(qū)域內(nèi)，經(jīng)碾壓的路面材料的強(qiáng)度不足以抵抗交通荷載作用于其上面的應(yīng)力，特別是重載車輛高頻率通過，路面反復(fù)承受高頻重載而產(chǎn)生。

經(jīng)調(diào)查，該高速公路交通構(gòu)成中，重載貨車數(shù)量較多，而且行車速度慢。我國交通超載超限車輛比例大，軸載遠(yuǎn)超過我國標(biāo)準(zhǔn)軸載，甚至超過國際上最大標(biāo)準(zhǔn)軸載。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，軸載從10T依次增加到13T、15T、18T，剪應(yīng)力高值的分布范圍從面層下3～6cm依次增加到3～7cm、3～8cm、3～9cm，剪應(yīng)力的最大值位置從4cm依次增加到4cm、5cm、6cm。由于剪應(yīng)力產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍，說明隨著軸載的增加，剪應(yīng)力高值的分布范圍由表面層向中面層轉(zhuǎn)移，使產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍的深度增加，中面層更容易產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍，其次為表面層，再次為下面層。因此，承受重載慢速交通要求瀝青混凝土有較好的抗車轍能力，即車速愈慢，要求瀝青混凝土的抗車轍能力愈大。但是，目前我國公路設(shè)計(jì)中沒有詳細(xì)考慮此因素。

從調(diào)查結(jié)果來看，長(zhǎng)大陡坡、急彎路段的車轍現(xiàn)象十分嚴(yán)重。超重載貨車通常以20km/h的時(shí)速駛過爬坡路段，根據(jù)瀝青材料的溫度時(shí)間換算法則，在長(zhǎng)時(shí)間的行車荷載下所產(chǎn)生的破壞基本等同于長(zhǎng)期承受高溫條件所導(dǎo)致的破壞，這種破壞作用會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而越來越嚴(yán)重。假使行車速度保持在100km/h，對(duì)路面瀝青層的作用時(shí)間大概在0.02s左右，假設(shè)行駛速度降到20km/h，其對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間大改在0.1s左右。也就是說，在行車時(shí)速為20km/h時(shí)路面所產(chǎn)生的變形，基本等同于行車時(shí)速為100km/h時(shí)5遍路面所遭受的破壞。具有粘彈塑性的瀝青混合料，縱坡越大，除應(yīng)力增大和作用深度加深兩個(gè)因素以外，行車速度慢、應(yīng)力作用時(shí)間長(zhǎng)也是造成路面車轍或者加重車轍破壞的主要因素。鑒于此，長(zhǎng)大坡路段應(yīng)該使用具有高強(qiáng)抗車轍能力的瀝青鋪筑路面，并且要在設(shè)計(jì)中應(yīng)做特殊處理，以規(guī)避車轍現(xiàn)象。

路面結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)應(yīng)考慮長(zhǎng)大縱坡與重載車輛的綜合影響，防止車轍問題的產(chǎn)生。我國高速公路瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)一般為三層，通常上、中、下面層厚度分別為4、6、8cm。現(xiàn)行規(guī)范中強(qiáng)調(diào)中、上面層主要功能是防水，其次是抗車轍性能，導(dǎo)致我國瀝青混凝土路面中、上面層結(jié)構(gòu)普遍采用Ⅰ型結(jié)構(gòu)，而實(shí)際上Ⅰ型級(jí)配屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩阻力小，抗車轍性能差。通過對(duì)路面芯樣進(jìn)行抽提、篩分試驗(yàn)分析，瀝青混合料級(jí)配不夠理想。原設(shè)計(jì)集料篩分試驗(yàn)采用干篩法，造成實(shí)際級(jí)配粉料用量普遍偏大，影響混合料路用性能。從抽提結(jié)果來看，粗集料由于在取芯及切割分層過程中的破碎因素影響，通過率接近規(guī)范級(jí)配上限；而細(xì)集料通過率則普遍接近規(guī)范級(jí)配曲線中值，粉膠比較大，使得混合料為懸浮型結(jié)構(gòu)，高溫穩(wěn)定性不夠理想。

3.2 該高速公路車轍處治之銑刨修復(fù)養(yǎng)護(hù)施工工藝

①銑刨處理。

根據(jù)病害的情況，對(duì)車轍嚴(yán)重路段，銑刨原路面中、上面層。單車道銑刨寬度4m，雙車道寬度8m，方向與原路中線平行，銑刨長(zhǎng)度視病害長(zhǎng)度，上面層銑刨深度4cm，中面層銑刨深度6cm，兩側(cè)預(yù)留10cm-15cm臺(tái)階。銑刨后，如遇雨天，沿硬路肩橫向開挖排水溝，深度略大于9cm，便于雨水迅速排離作業(yè)面。

②清掃及檢查下承層。

現(xiàn)場(chǎng)配備專門的清掃人員和設(shè)備。在銑刨過后的作業(yè)面上，先用兩臺(tái)專業(yè)清掃車進(jìn)行反復(fù)清刷，再配以人工用鋼刷清理死角，最后以10臺(tái)大功率吹風(fēng)機(jī)同時(shí)吹除廢料及粉塵，做到作業(yè)面的干燥、整潔。也有用高壓水槍沖洗的，其作業(yè)面潮濕影響進(jìn)度、質(zhì)量，不經(jīng)濟(jì)，不推薦采用高壓水。

③路槽接縫處理：接縫處涂抹密封膠或乳化瀝青，橫向要經(jīng)受車輛碾壓，縱向要封水。

④灑布粘層油：改性乳化瀝青粘層油。

⑤玻璃纖維格柵：灌縫后鋪設(shè)玻璃纖維格柵，目的是為了防止路面疲勞裂縫及反射裂縫，延長(zhǎng)道路使用壽命。按照銑刨前確定的裂縫位置，在下面層裂縫處鋪設(shè)1m寬的玻璃纖維格柵，所使用的玻璃纖維格柵具有高抗拉強(qiáng)度、低延伸率、良好的耐高（低）溫性。

⑥加鋪改性瀝青砼面層。

1）材料選擇。

瀝青——選擇改性瀝青（提高溫度穩(wěn)定性），使用低針入度、高軟化點(diǎn)、低含蠟量的高粘度瀝青可有效防止車轍的產(chǎn)生。

集料——選擇粒形良好的與改性瀝青黏附好的硬質(zhì)石料（如玄武巖），適當(dāng)?shù)姆勰z比：影響著高溫動(dòng)穩(wěn)定度。

2）合理的級(jí)配選擇。

充分發(fā)揮骨料的嵌擠作用，對(duì)密級(jí)配瀝青砼而言，適當(dāng)增大集料粒徑，可提高抗車轍能力，但要注意攤鋪厚度和公稱最大粒徑的關(guān)系2.5-3倍，會(huì)造成離析。

3）配合比設(shè)計(jì)。

按瀝青面層所選定的瀝青混凝土類型，均為熱拌密級(jí)配瀝青混合料。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)定，對(duì)于中、上面層SBS改性的瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度不應(yīng)小于3000次/mm，混合料低溫抗裂試驗(yàn)的彎曲破壞應(yīng)變不小于2000。

4）瀝青混合料拌制。

拌和時(shí)間由試拌確定，一般為干拌5s—加瀝青拌和20s—加礦粉拌和20s—出樓。必須使所有集料顆粒全部裹覆瀝青結(jié)合料，并以瀝青混合料拌和均勻?yàn)槎取?/p>

5）瀝青混合料的攤鋪。

連續(xù)穩(wěn)定地?cái)備?，是提高路面平整度最主要措施。攤鋪機(jī)的攤鋪速度應(yīng)根據(jù)拌和機(jī)的產(chǎn)量、施工機(jī)械配套情況及攤鋪厚度、攤鋪寬度，按1～3m/min予以調(diào)整選擇，做到緩慢、均勻、不間斷地?cái)備?。不?yīng)任意以快速攤鋪幾分鐘，然后再停下來等下一車料。午飯應(yīng)分批輪換交替進(jìn)行，切忌停鋪用餐。

6）瀝青混合料的碾壓成型。

瀝青混合料的壓實(shí)是保證瀝青面層質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)選擇合理的壓路機(jī)組合方式及碾壓步驟。為保證壓實(shí)度和平整度，初壓應(yīng)在混合料不產(chǎn)生推移、開裂等情況下盡量在攤鋪后較高溫度下進(jìn)行。如無粘輪現(xiàn)象，不得向壓路機(jī)輪上涂油或油水混合液，必要時(shí)可噴涂清水或皂水。

4 結(jié)語

瀝青路面車轍病害的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果，針對(duì)不同類型的車轍病害應(yīng)采取不同的處治措施，本文以貴州某高速公路為例，闡述了銑刨修復(fù)養(yǎng)護(hù)施工工藝在高速公路車轍修復(fù)工程中的應(yīng)用，各項(xiàng)路用性能均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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