干線公路交叉口路段車轍成因及對(duì)策研究

崔同飛，陳 濤，孫 璋

(1. 貴州省黔西公路管理段，貴州 黔西 551500； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211100)

干線公路是我國(guó)公路體系的重要組成部分，是高速公路的有益補(bǔ)充，同時(shí)也是地區(qū)間聯(lián)系的主要紐帶，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展中起著不可或缺的作用[1]。從目前干線公路的養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，車轍病害仍然是干線公路最常見的瀝青路面損壞現(xiàn)象，尤其是在城郊結(jié)合部和交通信號(hào)燈處等交叉口路段，路面車轍、推移病害層出不窮，且比一般路段損害更嚴(yán)重，呈現(xiàn)“屢壞屢修”的惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響行車舒適度、行車安全和路面使用壽命[2-3]，交叉口車轍已成為干線公路養(yǎng)護(hù)維修的質(zhì)量通病。車轍形成原因包括瀝青混合料本身因素(瀝青類型、瀝青用量、集料性質(zhì)、級(jí)配等)和外界因素(交通量、氣候條件)等。車轍形成分為壓密、流動(dòng)和剪切破壞3個(gè)階段。目前關(guān)于車轍成因以及對(duì)策研究大多集中于高等級(jí)公路和一般路段，對(duì)干線公路交叉口路段特殊工況針對(duì)性不足，且難以有效解決交叉口特殊工況下的車轍問(wèn)題。

為有效解決干線公路交叉口車轍問(wèn)題，本文以江蘇省干線公路為研究對(duì)象，調(diào)研干線公路交叉口路段車轍發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合交叉口路段特殊工況，深入分析交叉口路段車轍形成機(jī)理，并對(duì)干線公路交叉口路段抗車轍提升理念進(jìn)行研究，結(jié)合交叉口典型抗車轍路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果和工程實(shí)際應(yīng)用效果，提出適用于干線公路交叉口路段的抗車轍對(duì)策方案，以期為江蘇省乃至全國(guó)普通國(guó)省干線公路交叉口路段新建及養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)思路和方案參考。

1 車轍現(xiàn)狀

1.1 路面結(jié)構(gòu)

目前江蘇省干線公路路面以瀝青混凝土為主，早期以普通瀝青AC-13+普通瀝青AC-20結(jié)構(gòu)為主，隨著公路建設(shè)科技進(jìn)步，上面層開始使用改性瀝青SMA-13等結(jié)構(gòu)，但其成本較高，大多應(yīng)用于抗車轍需求較高的路段，而且規(guī)模相對(duì)較小。一般在干線公路路面設(shè)計(jì)時(shí)，出于建設(shè)成本、施工操作等方面考慮，很少會(huì)對(duì)交叉口路段進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，主要沿用主線的路面結(jié)構(gòu)形式。所以，目前干線公路交叉口路段典型路面結(jié)構(gòu)形式主要是普通瀝青AC-13+普通瀝青AC-20。

1.2 交通量

為分析干線公路交叉口路段交通量對(duì)車轍的影響，本文統(tǒng)計(jì)了2018年江蘇省部分地級(jí)城市干線公路各車型年平均日交通量，如表1所示，數(shù)據(jù)來(lái)源于各地級(jí)城市部分觀測(cè)站交通量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 2018年江蘇省部分地級(jí)城市干線公路各車型年平均日交通量

由表1可知，各地級(jí)城市干線公路交通組成中貨車比例均值為43.8%，貨車比例相對(duì)較高，交叉口路段的交通組成與主線相似，貨車比例同樣較大。干線公路主線交通組成狀況一定程度上可以反映交叉口路段交通組成狀況。

1.3 車轍現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)律

為分析干線公路交叉口路段車轍現(xiàn)狀，本文統(tǒng)計(jì)了江蘇省各地級(jí)城市干線公路及交叉口車轍深度指數(shù)(RDI)，江蘇省各地級(jí)城市干線公路車轍狀況如圖1所示，交叉口路段車轍狀況如圖2所示。各地級(jí)城市車轍數(shù)據(jù)來(lái)源于各地級(jí)城市2018年公路管理單位年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中交叉口路段車轍數(shù)據(jù)為G312、G104、S243、S238、S338、S246和S323等路段交叉口車轍檢測(cè)數(shù)據(jù)，本文統(tǒng)計(jì)的RDI值均為公里值。

圖1 江蘇省各地級(jí)城市干線公路車轍狀況

圖2 交叉口路段車轍狀況

江蘇省13個(gè)地級(jí)城市干線公路RDI均值為92.2，其中徐州、無(wú)錫的RDI值較低，主要由于徐州、無(wú)錫地處蘇皖貨運(yùn)中轉(zhuǎn)站，重載貨車比例較大，貨車數(shù)量大，交通運(yùn)輸量大，加速了車轍產(chǎn)生，可見車轍與交通量有著直接關(guān)系。干線公路交叉口RDI均值為87.4，低于整體水平92.2，表明目前干線公路交叉口路段車轍病害較嚴(yán)重。干線公路交叉口路段特別是城鄉(xiāng)結(jié)合部設(shè)有紅綠燈的大型交叉口，由于車輛渠道化行駛，頻繁啟停等原因，特別是在高溫、重載和低速條件下，極易產(chǎn)生嚴(yán)重的車轍病害。

為進(jìn)一步分析干線公路交叉口車轍發(fā)展規(guī)律，本文統(tǒng)計(jì)了江蘇段G312滬霍線(K163+586～K258+751)、G104北平線(K438+608～K476+876)、S243揚(yáng)祿線(K17+887～K82+051)、S238鎮(zhèn)常線(K7+600～K75+691)和S338寧鎮(zhèn)線(K0～K34+321)交叉口路段2015—2018年車轍發(fā)展規(guī)律，干線公路交叉口路段車轍發(fā)展規(guī)律如圖3所示。

(a) G312滬霍線

由圖3可知，2015—2018年的交叉口特殊路段的RDI值低于全線RDI值，且交叉口路段車轍衰減速率更快。交叉口路段的RDI值平均每年下降1.8，而全線的RDI值每年僅下降0.9，交叉口路段衰減速率是常規(guī)路段的兩倍，由此可見交叉口路段車轍衰減更快。

1.4 車轍變形層位

為分析交叉口路段車轍變形層位，本文在S323揚(yáng)州段干線公路交叉口路段深車轍位置進(jìn)行取芯調(diào)查。該路段為4 cm普通瀝青AC-13+6 cm普通瀝青AC-20的結(jié)構(gòu)形式。不同層位車轍深度貢獻(xiàn)度指標(biāo)表示不同層位的變形對(duì)整體車轍的貢獻(xiàn)程度，貢獻(xiàn)度Ci按式(1)計(jì)算。

(1)

式中，Δi為第i層的變形量，mm；Δ為總變形量，mm。

芯樣變形層位分析如表2所示。輪跡帶芯樣下面層變形貢獻(xiàn)度較大，貢獻(xiàn)度為69.3%，交叉口車轍路段芯樣變形主要位于下面層。

表2 芯樣變形層位分析

2 車轍成因分析研究

干線公路交叉口深車轍形成也是經(jīng)歷壓密、流動(dòng)和剪切破壞3個(gè)階段[4-5]，但是道路交叉口因其特殊性，車輛匯集、行駛速度慢、頻繁啟停，尤其是貨車產(chǎn)生的重載作用，更容易對(duì)瀝青路面造成剪切破壞。結(jié)合干線公路車轍現(xiàn)狀和工程項(xiàng)目實(shí)際路況，總結(jié)造成干線公路交叉口路段車轍的原因，主要包括路面結(jié)構(gòu)、交通流量、車速和環(huán)境溫度。

2.1 路面結(jié)構(gòu)

干線公路交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果顯示，目前干線公路交叉口是以AC型瀝青面層和半剛性基層為主的路面結(jié)構(gòu)形式。

AC型瀝青混合料為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，粗集料處于細(xì)集料的包裹中，粗集料與粗集料之間懸浮分開，未形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，缺少骨架嵌擠力和內(nèi)摩阻力，而瀝青混合料的抗壓、抗剪強(qiáng)度主要來(lái)源于骨架嵌擠力和內(nèi)摩阻力，因此懸浮密實(shí)型AC型瀝青混合料的抗壓、抗剪強(qiáng)度較小，高溫抗車轍性能較差。

根據(jù)前文干線公路交叉口車轍發(fā)生層位分析結(jié)論，干線公路交叉口路段車轍主要發(fā)生在下面層。從路面結(jié)構(gòu)角度分析，根據(jù)瀝青路面雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論，路面深度0～100 m范圍內(nèi)是車輪荷載高壓應(yīng)力區(qū)，且車輛荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力主要集中于下面層，下面層AC型結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度較小，難以抵抗較大的剪應(yīng)力，易產(chǎn)生變形。

因此，目前AC型路面結(jié)構(gòu)難以滿足干線公路交叉口路段特殊工況下的抗車轍需求。

2.2 交通流量、車速

干線公路交叉口路段車輛匯集，基于干線公路交叉口交通調(diào)查分析結(jié)論，貨車比例達(dá)到43.8%，貨車比例相對(duì)較高，重荷載頻繁作用于路面，加速路面車轍產(chǎn)生。此外，交叉口路段車輛頻繁啟停，對(duì)路面造成的水平剪應(yīng)力較大，容易使瀝青混合料產(chǎn)生推移、流動(dòng)破壞。

2.3 環(huán)境溫度

為分析交叉口路段路表溫度特點(diǎn)，本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了2019年7月某3天不同時(shí)段南京某交叉口路段路表溫度，交叉口路段路表溫度隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 交叉口路段路表溫度隨時(shí)間變化

由圖4可知，交叉口路段路表氣溫明顯高于常規(guī)路段，且隨著中午時(shí)分車流量增多，差異性更加明顯。這是由于道路交叉口路段車輛匯集，車輛自身的高熱量也傳遞給路面，且路面較高的溫度不易擴(kuò)散，所以在路面形成更高的溫度場(chǎng)，更容易產(chǎn)生車轍。

3 車轍性能提升對(duì)策

根據(jù)干線公路交叉口路段車轍現(xiàn)狀及成因分析，結(jié)合目前干線公路交叉口路段使用的抗車轍技術(shù)，本文總結(jié)了干線公路交叉口路段車轍性能提升對(duì)策。

3.1 優(yōu)選原材料

3.1.1 使用改性瀝青、低標(biāo)號(hào)瀝青

實(shí)際工程中通常將常規(guī)AC-20瀝青混合料換成SBS改性瀝青的AC-20瀝青混合料，這種方法在實(shí)際工程抗車轍設(shè)計(jì)中應(yīng)用十分普遍，但是應(yīng)對(duì)交叉口路段車轍問(wèn)題收效甚微。因此，需要從原材料考慮，在上、下面層使用聚合物改性瀝青，其黏度較大、軟化點(diǎn)較高、黏聚力較好、高溫性能優(yōu)異，有效提高瀝青混合料抗剪切和高溫抗變形能力，同時(shí)瀝青混合料耐久性也較好。

在瀝青混合料中摻配各種外加劑，如抗車轍劑、高黏劑、玄武巖纖維等，改變?yōu)r青混合料中材料的力學(xué)性能或者材料間的相互作用力，進(jìn)而提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

3.2 骨架嵌擠級(jí)配

從級(jí)配類型考慮，采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。瀝青混合料的強(qiáng)度主要來(lái)源于骨架嵌擠力和內(nèi)摩阻力，間斷級(jí)配可有效提高骨架嵌擠力和內(nèi)摩阻力，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，如間斷型級(jí)配的SMA瀝青混合料，主要應(yīng)用于路面上面層，該方法可提升上面層瀝青混合料的抗車轍性能，同時(shí)還可提升上面層的抗滑性能和水穩(wěn)定性。

3.3 高模量混合料設(shè)計(jì)

從瀝青路面受力考慮，通過(guò)提高路面結(jié)構(gòu)層模量的方式提高瀝青路面抗車轍性能，基于近年來(lái)半柔性路面材料顯現(xiàn)，將該類提升方法的材料分為兩類，包括高模量瀝青混合料和高模量半柔性材料。

3.3.1 高模量瀝青混合料

高模量瀝青混合料具有代表性的是EME(法國(guó)高模量瀝青混合料)，采用低標(biāo)號(hào)瀝青或硬質(zhì)瀝青，通過(guò)特殊級(jí)配設(shè)計(jì)，選取高油石比和低空隙率，路面易于壓實(shí)，路表密實(shí)不滲水。

(1) EME彈性模量高，間接拉伸剛度彈性模量(ITSM)>14 000 MPa(15 ℃，10 Hz)。

(2) EME車轍動(dòng)穩(wěn)定度(DS)≥8 000次/mm。

(3) EME在提高瀝青混合料模量的同時(shí)，最大限度減小瀝青路面初期壓密變形，提高瀝青混合料抗車轍性能和耐久性。

2.1.3 整合其他社會(huì)資源 南京市六合區(qū)有較好的工業(yè)基礎(chǔ)，有多個(gè)工業(yè)園區(qū)，企業(yè)資源豐富，可以通過(guò)企業(yè)捐助，定向扶持一個(gè)村莊，為農(nóng)村地區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)的發(fā)展提供經(jīng)濟(jì)支持。同時(shí)，有市級(jí)以上現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園6個(gè)，農(nóng)業(yè)資源豐富，可以從農(nóng)村老年人的實(shí)際出發(fā)，為農(nóng)村有工作能力和工作意愿的老年人提供工作機(jī)會(huì)。除此之外，還可有效利用當(dāng)?shù)卮逦瘯?huì)人員形成居家養(yǎng)老服務(wù)組織隊(duì)伍，依靠老干部的管理能力、村內(nèi)威望及熟悉村內(nèi)具體情況的天然優(yōu)勢(shì)，為組織發(fā)展建言獻(xiàn)策、提高工作效率并發(fā)揮余熱，豐富晚年生活。

(4) EME經(jīng)濟(jì)性適中，易于施工。EME適用于重載交通、長(zhǎng)大縱坡，尤其是在交叉口重載交通中具有良好的應(yīng)用效果。

3.3.2 高模量半柔性材料

半柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)路面為在柔性的大空隙瀝青混合料中灌入剛性水泥基材料，養(yǎng)生硬化后形成半柔性路面材料。該方法是通過(guò)提高結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量，提升瀝青混合料在荷載作用下抵抗變形的能力。

(1) 半柔性材料模量高，動(dòng)態(tài)模量(E)約為15 000 MPa(5 ℃，10 Hz)。

(2) 高溫性能較好，車轍動(dòng)穩(wěn)定度≥37 000次/mm，特別適用于解決交叉口以及重載交通路段車轍問(wèn)題。目前，工程上已出現(xiàn)超早強(qiáng)半柔性路面，選用超早強(qiáng)水泥灌漿材料，相比于傳統(tǒng)半柔性路面灌漿材料，其早期強(qiáng)度更高，2～3 h即可硬化開放交通，降低養(yǎng)護(hù)期間對(duì)交通的影響。

半柔性路面造價(jià)相比于SMA高約50%，但壽命顯著延長(zhǎng)，抗車轍壽命是SMA的3倍以上，有效避免了干線公路交叉口路段車轍“屢修屢壞”現(xiàn)象，保持較好的路容路貌和市容市貌。

4 典型抗車轍結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)的抗車轍設(shè)計(jì)方案的效果一般，尤其是在交叉口路段特殊工況下，難以有效解決車轍快速發(fā)展問(wèn)題。基于前文干線公路交叉口路段抗車轍對(duì)策研究結(jié)論，干線公路交叉口路段可以引進(jìn)半柔性復(fù)合式路面技術(shù)、耐久性高模量瀝青混合料等技術(shù)方案提升交叉口路段的抗車轍性能，同時(shí)考慮交叉口路段特殊工況條件下瀝青表層抗車轍性能提升需求，需進(jìn)一步優(yōu)化上面層常規(guī)SMA。

4.1 有限元模型建立

考慮到目前江蘇省干線公路新建路面瀝青層設(shè)計(jì)厚度通常為12 cm，結(jié)合前文抗車轍路面結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)3種干線公路交叉口抗車轍優(yōu)化結(jié)構(gòu)，抗車轍優(yōu)化結(jié)構(gòu)如表3所示。假設(shè)不同路面結(jié)構(gòu)的基層和底基層結(jié)構(gòu)均相同，基層結(jié)構(gòu)為36 cm 水泥穩(wěn)定碎石，底基層結(jié)構(gòu)為20 cm水泥石灰穩(wěn)定土。

表3 抗車轍優(yōu)化結(jié)構(gòu)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)[6]中結(jié)構(gòu)驗(yàn)算材料參數(shù)推薦值和半柔性材料相關(guān)文獻(xiàn)取值[7-8]，路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表4所示。

表4 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)[6]要求，垂直荷載為0.7 MPa。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究[7-8]，水平荷載取最不利條件緊急制動(dòng)時(shí)，水平力為0.35 MPa。本文采用的模型寬度和長(zhǎng)度均為6 m，深度為10 m，即6 m×6 m×10 m模型。荷載施加和網(wǎng)格劃分如圖5所示。

(a) 荷載施加

4.2 力學(xué)響應(yīng)結(jié)果分析

豎向壓應(yīng)變分布如圖6所示，不同層位水平剪應(yīng)力分布如圖7所示。從豎向壓應(yīng)變來(lái)看，輪跡帶處壓應(yīng)變較為明顯，路面結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅲ豎向壓應(yīng)變相比結(jié)構(gòu)Ⅱ更小，路面結(jié)構(gòu)Ⅰ抵抗豎向變形能力更優(yōu)。結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅲ將高模量半柔性材料和EME置于下面層，使上面層內(nèi)部應(yīng)力水平略上升。從結(jié)構(gòu)受力角度看，瀝青路面的下面層是承受彎拉應(yīng)力的最主要層位。從各層位的應(yīng)力峰值和應(yīng)力均值角度看，高模量材料用于下面層時(shí)承受了大部分剪切應(yīng)力，因此結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅲ能夠更好地體現(xiàn)材料優(yōu)異的抗車轍性能。

圖6 豎向壓應(yīng)變分布

圖7 不同層位水平剪應(yīng)力分布

5 工程應(yīng)用效果

5.1 高強(qiáng)SMA-13

南京江寧S246交叉口路段在上面層SMA-13中摻配高黏改性劑，SMA-13車轍動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到13 000 mm/次，進(jìn)一步提升了SMA-13的高溫性能，抗車轍效果顯著，路面平整度、滲水系數(shù)和摩擦系數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，工程應(yīng)用效果較好。

5.2 EME

S244揚(yáng)州段某交叉口車轍處治采用了EME技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)處治方案為4 cm改性瀝青AC-13上面層+8 cm EME-20下面層。通車3年后對(duì)交叉口路段車轍進(jìn)行檢測(cè)，車轍深度均值為6 mm，平均車轍深度發(fā)展速率為2 mm/年，相比常規(guī)交叉口路段車轍發(fā)展速率較小，說(shuō)明EME有效減緩交叉口路段車轍發(fā)展。

5.3 半柔性路面

半柔性灌入式路面材料SFAC-20于2012年在江陰地區(qū)S228交叉口路段應(yīng)用，采用的路面結(jié)構(gòu)為 4 cm 改性瀝青AC-13+7 cm SFAC-20，2015年7月對(duì)交叉口路段車轍進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)半柔性灌入式路面交叉口車轍深度為6 mm，常規(guī)交叉口路段車轍深度為25 mm，說(shuō)明半柔性灌入式路面材料有效降低了交叉口路面車轍深度，具有優(yōu)異的抗車轍能力。

從應(yīng)用效果看，高強(qiáng)SMA-13、EME和半柔性路面技術(shù)的抗車轍性能較優(yōu)，能夠滿足干線公路交叉口路段抗車轍需求。

6 結(jié)論

本文對(duì)江蘇省干線公路交叉口路段車轍現(xiàn)狀及對(duì)策展開了深入研究，得出以下結(jié)論。

(1) 干線公路交叉口路段車轍發(fā)生層位主要集中在下面層，干線公路交叉口路段車轍RDI明顯低于路線整體水平，其RDI值平均每年下降1.8，衰減速率是常規(guī)路段的兩倍。

(2) 交叉口路段懸浮密實(shí)型AC型瀝青混合料缺少骨架嵌擠力和內(nèi)摩阻力，交叉口路段車流量大、車速低，交叉口路段路表溫度更高，這些都是導(dǎo)致交叉口路段車轍問(wèn)題的重要原因。

(3) 抗車轍對(duì)策主要從優(yōu)選原材料、骨架嵌擠級(jí)配和高模量混合料設(shè)計(jì)角度展開。結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅲ豎向壓應(yīng)變和水平剪應(yīng)力的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果較常規(guī)AC型路面結(jié)構(gòu)更優(yōu)，且高強(qiáng)SMA-13、半柔性材料、EME技術(shù)在交叉口路段抗車轍效果顯著。建議干線公路交叉口路段上面層采用高強(qiáng)SMA-13、下面層采用半柔性材料或者EME的抗車轍路面結(jié)構(gòu)。