河西地區(qū)瀝青路面車轍病害原因及防治措施

萬娟霞 馬岢言 李自齊

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

半剛性基層瀝青路面是我國公路主要使用的路面結(jié)構(gòu)形式[1-4]，雖然瀝青路面具有較強(qiáng)的抗變形和承載能力，但是隨著交通量日益增加、物流業(yè)快速發(fā)展致使貨車的交通量增大、大型貨車嚴(yán)重超載等因素使得瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重路面病害。其中，車轍沿著車輛輪跡帶縱向延伸到整個(gè)公路里程，造成的破壞范圍大，并且修補(bǔ)時(shí)常用的方法是將車轍部分的瀝青路面銑刨后重新罩面，這樣雖然暫時(shí)解決了車轍問題，可是修復(fù)造價(jià)極高。瀝青路面車轍的出現(xiàn)會導(dǎo)致路面的行車舒適性和安全性下降。車轍導(dǎo)致的路面變形對大型車輛的行駛安全影響更大，可能會導(dǎo)致車輛側(cè)翻。此外，路面車轍還會導(dǎo)致瀝青面層厚度不一致，路面薄的部分由于厚度不足，極易產(chǎn)生裂縫、坑槽和水損害。

車轍的產(chǎn)生與車輛作用荷載、溫度以及瀝青路面結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)[5-10]。河西地區(qū)該研究路線所經(jīng)地區(qū)屬中溫帶干旱氣候區(qū)，日照長、晝夜溫差顯著，夏季炎熱而冬季寒冷。加之該路段交通量劇增，且重載貨車占比較大，有必要分析溫度和車輛軸載作用對瀝青路面車轍的影響。

1 路面病害現(xiàn)狀及原因分析

1.1 路面現(xiàn)狀

該二級公路地處河西地區(qū)，路段總長為98.084 km。路面結(jié)構(gòu)為4 cm厚AC-13細(xì)粒式密級配瀝青混凝土(上面層)+5 cm厚AC-20中粒式密級配瀝青混凝土(下面層)+20 cm水泥穩(wěn)定碎石(基層)+20 cm厚水泥穩(wěn)定砂礫(底基層)+15 cm厚天然砂礫(墊層)。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，自通車以來，該公路路基段路面出現(xiàn)車轍共計(jì)38處，總長度21 205 m，總面積101 875.8 m2。車轍深度10 mm～15 mm的共有10 563 m，面積約46 020 m2；車轍深度大于15 mm的共有11 366 m，面積約61 647 m2。車轍病害主要集中于設(shè)有交通信號標(biāo)志的平交路口、較長爬坡路段及超限檢測站等路段(見圖1)。

1.2 路面芯樣檢測結(jié)果分析

病害發(fā)生后，對車轍段瀝青路面質(zhì)量進(jìn)行檢測。發(fā)現(xiàn)上面層芯樣空隙率、油石比不合格率為75%，礦料級配均不符合規(guī)范中AC-13級配范圍的技術(shù)要求，表現(xiàn)為4.75 mm～13.2 mm篩的通過率偏低，0 mm～0.075 mm篩的通過率偏高即中粗料的含量及礦粉含量高。車轍處下面層芯樣空隙率不合格率為25%，油石比與級配均符合規(guī)范中要求。無車轍處芯樣所有指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表明合理的級配及瀝青用量是瀝青路面減少車轍的必要條件。在設(shè)計(jì)配合比階段，應(yīng)保證在級配范圍內(nèi)混合料結(jié)構(gòu)組成靠近緊密嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，在施工過程中，應(yīng)重視生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì),嚴(yán)格按設(shè)計(jì)值及偏差范圍進(jìn)行控制。

1.3 交通量現(xiàn)狀分析

根據(jù)本項(xiàng)目工可預(yù)測交通量，2019年日交通量為4 193輛(折算數(shù)5 871 pcu/d)，其中大貨車及拖掛的匯總?cè)战煌繛? 079輛(折算數(shù)2 639 pcu/d)。

根據(jù)公路局在該路段A，B，C三處設(shè)置的觀測站所測數(shù)據(jù)，得到2019年1月～6月全車型交通量和貨車交通量增長情況，如圖2，圖3所示。

由圖2，圖3可知自2019年3月以后的交通量較以前有了大幅的增長，其中增長速度最快的是A段，3月較2月的增長率達(dá)到了365%(增量為13 871 pcu/d)；同期貨車的增長速度更快，A段和里程加權(quán)的增長率分別達(dá)到了616%和252%，增量分別為13 747 pcu/d和10 023 pcu/d，根據(jù)不同車型的增長率得出該路段交通量增長的主要原因?yàn)樨涇嚱煌康拇蠓黾右鸬摹?/p>

由于國家出臺政策取消二級公路收費(fèi)，加之該公路路況水平大幅提升，大部分貨車從高速公路轉(zhuǎn)至該二級公路通行。此外，與該二級公路平行的某省道公路基本一直處于封閉施工狀態(tài)，使得原行駛該省道公路的貨車也轉(zhuǎn)移至該二級公路行駛，以致實(shí)際交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)測交通量，且多為重載車輛。

1.4 氣候因素

7月～9月份河西該地區(qū)瀝青路面表面溫度超過60 ℃，車輛在停車等待時(shí)又排出大量的高溫氣體直接給路面進(jìn)行加熱導(dǎo)致停車區(qū)域路面溫度比一般路段更高，重載交通下極易產(chǎn)生車轍。

2 高溫、重載作用下瀝青路面車轍深度分析

2.1 模型參數(shù)

因大量過境重型貨車為降低運(yùn)輸成本，不愿選擇高速公路通行，加之境內(nèi)再無其他道路可供過境重型貨運(yùn)車輛通行，導(dǎo)致該段公路重型貨運(yùn)車輛大幅增加。經(jīng)調(diào)查，重載車輛已日益成為該公路運(yùn)輸?shù)闹髁?。隨著西北經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河西地區(qū)重載貨車比例還將繼續(xù)增加。這也給公路建設(shè)帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)，尤其在陡長上坡行駛路段、與交通信號標(biāo)志的平交路口問題尤為嚴(yán)重。

本研究以規(guī)范中規(guī)定的雙輪均布荷載為算例，研究不同載重(標(biāo)準(zhǔn)荷載和重載)、連續(xù)變溫條件下瀝青路面的車轍深度。

為了在分析河西地區(qū)路面車轍時(shí)將溫度考慮進(jìn)來，需要將溫度場加入模型中。在瀝青路面結(jié)構(gòu)確定的情況下，影響溫度場的主要環(huán)境因素有日太陽輻射總量、有效日照時(shí)間、日最高氣溫、日最低氣溫以及日平均風(fēng)速等。溫度場的產(chǎn)生主要由氣溫及對流熱交換和路面有效輻射作用引起。這兩類邊界條件通過用戶子程序定義，程序中引入隨時(shí)間變化的外界溫度。選取河西該路段所處區(qū)域夏季高溫季節(jié)1 d 24 h的代表性溫度變化如圖4所示。

基于有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。路面二維模型見圖5。模型寬3.75 m，厚度為3 m。本研究分別模擬了兩種路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)組合形式見圖6，圖7。模型結(jié)構(gòu)從上到下共6層，依次為AC-13(4 cm)，AC-20(5 cm)或ATB-25(8 cm)、水穩(wěn)碎石基層(20 cm)、水穩(wěn)砂礫底基層(20 cm)、天然砂礫墊層(15 cm)、土基。

本路段重載交通特征顯著，模擬車轍時(shí)考慮軸重分別為100 kN，150 kN及200 kN。輪胎接地寬度為21.3 cm，通過計(jì)算，其對應(yīng)的線荷載分別為117 371 N/m，176 056 N/m，234 742 N/m。上述模擬生成的溫度場的引入是車轍計(jì)算的關(guān)鍵步驟。

2.2 瀝青路面車轍深度分析

計(jì)算得到作用50萬次后瀝青路面的車轍見表1。

表1 路面車轍統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)僅考慮荷載單一因素作用時(shí)，瀝青面層越厚，其車轍深度越??；而當(dāng)僅考慮溫度和荷載兩因素對瀝青路面車轍的影響時(shí)：結(jié)構(gòu)一中溫度因素對車轍的貢獻(xiàn)率平均值為11.2%；結(jié)構(gòu)二中溫度因素對車轍的貢獻(xiàn)率平均值為17.8%。表明隨著瀝青路面厚度的增加，溫度對車轍的影響貢獻(xiàn)也在增加。

同一軸重下，溫度與荷載耦合作用下的車轍深度較荷載單獨(dú)作用時(shí)顯著增加：對于路面結(jié)構(gòu)一，軸重依次在100 kN,150 kN，200 kN下的車轍深度增加幅度分別為13.0%，12.5%，12%；對于結(jié)構(gòu)二，軸重依次在100 kN，150 kN，200 kN下的車轍深度增加幅度為22.5%，21.6%，20.8%。荷載與溫度耦合作用下車轍深度較荷載單一元素作用時(shí)平均增加17.08%。

同一溫度條件下(未加溫度場或加溫度場)，車轍深度與超載量呈幾何倍數(shù)增長。

上述結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的車轍模擬試驗(yàn)均為無重復(fù)雙因素試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無重復(fù)雙因素試驗(yàn)方差分析，結(jié)果見表2。

表2 路面車轍方差分析

分別給定顯著性水平α為0.05和0.01，表中FA為溫度場的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，F(xiàn)B為軸重的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。FAcrit，F(xiàn)Bcrit分別為溫度場、軸重檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的臨界值。對于兩種結(jié)構(gòu)，F(xiàn)Acrit0.05FBcrit0.01，說明軸重的變化對車轍模擬結(jié)果有極其顯著的影響，不同軸重下的車轍深度有極其明顯的差異性。路面車轍深度受溫度和軸重的影響，且軸重的影響占主位。隨著瀝青面層厚度的增加，溫度對車轍的影響程度在增加，軸重對車轍的影響程度在減小。

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

1)礦料級配和瀝青用量與路面車轍的形成聯(lián)系緊密。

2)由于二級路取消收費(fèi)且與該二級路平行的某省道公路一直處于封閉施工狀態(tài)，致使此路段交通量急劇增長，實(shí)際交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)測交通量，且多為重載車輛。超載對路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷與超載量呈幾何倍數(shù)增長。

3)河西該地區(qū)夏季太陽輻射強(qiáng)，致路表溫度過高，重載及高溫耦合作用下極易產(chǎn)生車轍。荷載與溫度耦合作用下車轍深度較荷載單一元素作用時(shí)平均增加17.08%。

3.2 該公路車轍防治措施建議

1)建議及時(shí)合理疏導(dǎo)現(xiàn)有嚴(yán)重超過路面承載力的交通量，加大治超力度，減少超載車輛數(shù)量，降低超載、超重車輛對道路的破壞程度。

2)重視級配設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)配合比階段，應(yīng)保證在級配范圍內(nèi)混合料結(jié)構(gòu)組成靠近緊密嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，在施工過程中，應(yīng)重視生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì),嚴(yán)格按設(shè)計(jì)值及偏差范圍進(jìn)行控制。

3)對本項(xiàng)目已經(jīng)出現(xiàn)車轍的路段，尤其是紅綠燈十字路段，銑刨后及時(shí)進(jìn)行路面補(bǔ)強(qiáng)處理，為進(jìn)一步增強(qiáng)路面抗車轍能力，建議瀝青混合料中摻加抗車轍劑。

4)為了減少河西地區(qū)高溫對路面的影響，在慢速渠化交通的紅綠燈路口、爬坡路段，可考慮在該路段兩側(cè)種樹或在中午最高溫時(shí)段進(jìn)行路面灑水降溫。但是，水的存在又會降低瀝青的粘附性，產(chǎn)生集料剝落、坑槽等病害。灑水對路面的綜合效益有待進(jìn)一步研究。