新疆G30線芨東互通至烏拉泊段公路路面使用性能研究

張 璟

(1.新疆交通科學(xué)研究院 烏魯木齊市 830000; 2.干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 烏魯木齊市 830000)

1 研究背景

G30線芨東互通至烏拉泊段是新疆第一條高速公路“吐魯番-烏魯木齊-大黃山” 公路中的一段，是疆內(nèi)東疆、南疆乃至疆外進入烏魯木齊唯一快速干線通道，自1998年建成通車以來，已正常運行23年[1]。 “吐-烏-大”公路全長243km，其中芨東互通至烏拉泊段全長15.3km，是全疆交通量最大的路段，至今未開展過大修養(yǎng)護，但路面整體穩(wěn)定性較好，未發(fā)生大面積結(jié)構(gòu)性破壞。本路段是新疆第一條高速公路，且具有疆內(nèi)最大的歷史交通量，詳細了解其路面使用性能，對疆內(nèi)其他高等級公路路面建設(shè)具有很好的參考價值。

2 工程概況

2.1 建設(shè)養(yǎng)護歷史

本段于1998年建成通車，高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度120km/h，路基寬26m，路面寬21.5m；設(shè)計累計當(dāng)量軸次為1200萬次[2]，容許彎沉為0.359mm，路面結(jié)構(gòu)為4cm厚中粒式瀝青混凝土+5cm厚粗粒式瀝青混凝土+6cm厚瀝青碎石+20cm厚4%～5%水泥穩(wěn)定砂礫+24～42cm厚天然砂礫。本路段自通車以來，除日常養(yǎng)護外于2010年～2014年期間，分批次分段落進行了中修罩面養(yǎng)護工程。

2.2 沿線自然地理條件

本段位于天山以北沖積、洪積平原上，地勢自南向北微傾斜，地形平坦開闊。所在地區(qū)為中溫帶半干旱大陸性氣候，屬綠洲—荒漠區(qū)，公路自然區(qū)劃屬Ⅵ2區(qū)。路線范圍地層主要為第四系、第三系沖洪積沉積物，表層以砂土、粉土、粉質(zhì)黏土為主，層厚0.5～2m，下臥層為礫類土，總體地質(zhì)狀況良好。

2.3 交通組成特點及對項目的影響

收集到2017～2019年本路段內(nèi)芨南交調(diào)站觀測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 芨南交調(diào)站交通量統(tǒng)計表

從收集的數(shù)據(jù)上可知：

(1)本路段作為進出烏魯木齊的重要通道，交通量整體呈增長趨勢，年均增長范圍在8%～16%之間。從交通組成上看，區(qū)間重載交通量大，大型以上客、貨車占比達31%～34%%。

(2)將歷年累計交通量換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)約為2000萬次，已遠超設(shè)計當(dāng)量軸次1200萬次。

3 路面技術(shù)狀況檢測與評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，本段既有路面整體穩(wěn)定性較好，但路面破損嚴(yán)重，主要病害為塊裂、龜裂、縱橫向裂縫、修補等，裂縫最大橫縫寬為1.5cm，橫縫間距5～8m，縱縫主要集中在輪跡帶處。

3.1 公路技術(shù)狀況調(diào)查與評定

根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)的要求，對每公里PCI 指數(shù)、RQI指數(shù)、RDI指數(shù)及PBI指數(shù)進行評定[3-7]。

(1)路面破損情況(PCI)評定

路面損壞狀況指數(shù)(PCI)分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 路面損壞指數(shù)折線圖

由檢測數(shù)據(jù)可以看出，本段的上行行車道和超車道的路面損壞狀況指數(shù)PCI評定等級均以“差”為主，下行超車道的路面損壞狀況指數(shù)PCI評定等級以“中”為主，下行行車道路面損壞狀況指數(shù)PCI評定等級以“差”為主。上、下行車道的超車道路面破損指數(shù)均比行車道好，下行線路面破損指數(shù)優(yōu)于上行線。經(jīng)調(diào)查，主要原因是上行車輛多為滿載車輛，而下行車輛空載率較高。

(2)瀝青路面行駛質(zhì)量(RQI)評價

路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 路面平整度折線圖

由檢測數(shù)據(jù)可以看出，本段RQI評定主要以“良”為主，超車道的路面平整度相比行車道的較好。經(jīng)調(diào)查，K3578+000～K3579+000段平整度差是由于該處位于烏拉泊老收費站處，站前車輛制動減速等原因，造成路面擁包，高低起伏不平。

(3)路面車轍深度調(diào)查(RDI)、路面跳車檢測(PBI)

由檢測數(shù)據(jù)可知，本段車轍狀況指數(shù)評定以“優(yōu)”為主，路面跳車指數(shù)評定以“良”為主。經(jīng)調(diào)查，全線無明顯車轍現(xiàn)象，路面跳車主要發(fā)生在橋梁兩側(cè)、中修罩面接縫處及收費站前后。

(4)路面結(jié)構(gòu)強度評價

路面彎沉數(shù)值檢測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 路面彎沉分布圖

由檢測結(jié)果可知，既有道路路面實測彎沉值在40(0.01mm)以下的占比為72.5%，路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI基本為“優(yōu)”和“良”，所占比例為76%。下行線路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)比上行線整體較好。將PCI與PSSI進行對比分析(圖4)，路面損壞指數(shù)與

圖4 上行線PCI與PSSI對比圖

路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)分布規(guī)律基本一致，路面結(jié)構(gòu)強度低的路段，路面破損較嚴(yán)重，其中路面結(jié)構(gòu)強度較低路段基本分布在收費站、立交前后，交通量大、車輛頻繁加減速對路面強度衰減起到了加速作用。

3.2 專項數(shù)據(jù)檢測與分析

3.2.1鉆芯調(diào)查及分析

為了進一步直觀地了解路面使用狀況，為病害成因分析提供參考依據(jù)，對路面裂縫、龜網(wǎng)裂等病害路段及無病害路段的路面進行鉆芯取樣，現(xiàn)場取芯情況如圖5所示。

圖5 路面鉆芯芯樣

由檢測結(jié)果可知：

(1)瀝青面層厚度均達到設(shè)計值15cm，且大部分路段經(jīng)過加鋪罩面，厚度達20～25cm；基層厚度基本達到設(shè)計厚度，基層厚約為20cm。

(2)輕度縱、橫縫主要發(fā)生在上面層，重度縱、橫縫處面層與基層多為貫通縫,裂縫多為上寬下窄。

(3)輕、中龜裂、塊裂處裂縫主要發(fā)生在上面層，部分延伸至中面層。

(4)重度龜裂處面層裂縫多為貫通縫，基層表面松散。

(5)無病害處基層均基本完好，基層與面層粘結(jié)較好。

3.2.2基層芯樣抗壓強度試驗分析

基層芯樣無側(cè)限抗壓強度見表2，根據(jù)試驗結(jié)果可知，取出來的水泥穩(wěn)定砂礫基層芯樣無側(cè)限抗壓強度在6.5～8.8MPa范圍，強度普遍偏高，表明基層整體強度較好，未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

3.2.3瀝青混合料室內(nèi)試驗

瀝青混合料劈裂強度試驗結(jié)果見表3，根據(jù)試驗結(jié)果可知，油石比均在3.7%～4.8%之間，平均值為4.16%，表明瀝青混合料中瀝青含量損失不大，個別處由于面層松散、龜裂嚴(yán)重，導(dǎo)致細集料脫落嚴(yán)重，致使混合料油石比相對較低；篩分結(jié)果表明，目前瀝青面層礦料級配基本滿足規(guī)范要求，混合料整體級配良好。上面層劈裂強度在0.841～1.117MPa之間，均低于1.2MPa，表明瀝青上面層劈裂強度偏低。

表2 基層芯樣無側(cè)限抗壓強度統(tǒng)計表

表3 瀝青混合料劈裂強度試驗結(jié)果統(tǒng)計表

瀝青老化試驗結(jié)果見表4，由試驗結(jié)果可知，老路瀝青針入度在39～42(0.1mm)之間，低于規(guī)范要求80～100 (0.1mm)的范圍，軟化點為54.3℃，滿足規(guī)范要求的不小于42℃的標(biāo)準(zhǔn)，延度僅為7～9cm，遠遠小于規(guī)范中要求的不小于60cm的規(guī)定。由此可見面層瀝青均存在嚴(yán)重老化，瀝青低溫抗裂性能不足，無法滿足低溫條件下抵抗反復(fù)荷載作用，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫類病害，與瀝青混合料劈裂強度試驗結(jié)果較為吻合。

表4 瀝青老化試驗結(jié)果統(tǒng)計表

3.2.4探地雷達無損檢測

(1)K3577+000～K3578+000上行行車道

本路段PCI評分值為27.12，路面病害主要為塊裂、龜裂。從探地雷達結(jié)果來看，見圖6，面層與基層分界明顯，基層表面層間粘結(jié)差，基層頂部存在松散病害；各層表面波形起伏較大，基層與面層在同一位置波形基本一致，表明該處面層病害與基層存在關(guān)聯(lián)性，路面裂縫為貫通性裂縫。

圖6 K3577+000處上行行車道探地雷達影像

(2)K3584+000～K3585+000下行線超車道

本路段PCI評分值為77.98，路面病害以橫向裂縫為主。從探地雷達結(jié)果來看，見圖7，面層與基層分界較為模糊，基層表面層間粘結(jié)較好；各層表面波形較為平順，面層和基層整體性好，病害較少。

圖7 K3584+000處下行線超車道探地雷達影像

(3)K3580+000～K3581+000上行線行車道

本路段PCI評分值為50.35，路面病害以橫縫、龜裂為主。從探地雷達結(jié)果來看，見圖8，面層與基層分界明顯，基層表面層間粘結(jié)差；部分段落面層波形起伏較大，但基層波形較為平順，路面病害主要發(fā)生在面層，基層整體性較好。

圖8 K3580+000處上行線行車道探地雷達影像

路面使用性能分析：根據(jù)2021年4月份最不利條件下測得彎沉數(shù)據(jù)，PSSI評定為優(yōu)、良占比為76%，評定差占比為15%；根據(jù)路面鉆芯取樣進行情況分析，輕、中度病害處面層和基層芯樣完整性較好，病害主要發(fā)生在上面層，面層各層粘結(jié)較好，基層無側(cè)限抗壓強度高；重度裂縫及龜裂處，面層與基層連接差，基層表面松散；根據(jù)探地雷達檢測分析，面層和基層病害處波形基本一致，表征面層和基層病害存在一定關(guān)聯(lián)性，故綜合判斷本段路面面層強度較低，基層強度基本滿足要求，整體穩(wěn)定性較好，僅局部破損嚴(yán)重段落，基層強度不滿足要求。

3.3 路面病害原因分析

本段主要以裂縫類病害為主，變形類病害較少，結(jié)合以上路況調(diào)查和檢測試驗結(jié)果，初步分析產(chǎn)生病害原因如下：

(1)疲勞性裂縫。本段高速公路瀝青路面設(shè)計使用年限為15年，實際運行23年，設(shè)計累計當(dāng)量軸次為1200萬次，實際累計當(dāng)量軸次達2000萬次。超載重載導(dǎo)致道路高負荷或超負荷使用，超過了道路本身的設(shè)計運營能力和荷載極限，在車輛荷載的反復(fù)作用路面產(chǎn)生疲勞裂縫。

(2)溫縮裂縫。本段位于烏魯木齊，冬季寒冷及夏季晝夜溫差大會在瀝青面層中產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力，造成瀝青路面的溫度裂縫和溫縮疲勞裂縫[8]，裂縫經(jīng)過行車荷載作用易發(fā)展為瀝青路面的龜裂。

(3)反射裂縫。一方面在基層成型過程中，基層材料失水收縮而形成規(guī)則的橫向裂縫；另一方面基層材料因溫度驟降而發(fā)生低溫收縮開裂，這兩種收縮變形使瀝青面層底面上承受拉力，當(dāng)拉力超過瀝青面層的抗拉強度時就使瀝青面層底部拉裂，并隨著溫濕的循環(huán)變化及行車荷載的反復(fù)作用而導(dǎo)致瀝青面層底面裂縫沿豎向向上擴展到路表，從而形成瀝青路面橫向裂縫。

(4)路面強度不足。由于本路段運行時間長，瀝青嚴(yán)重老化，導(dǎo)致面層強度日趨降低，且路面基層局部強度不足，導(dǎo)致路面產(chǎn)生破損。

4 結(jié)語

通過對G30線芨東互通至烏拉泊段路面性能進行檢測與分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)本段路基層強度整體較好，面層強度不足，產(chǎn)生裂縫類病害的主要原因是瀝青老化及超負荷碾壓導(dǎo)致的面層疲勞破壞。

(2)本路段實際累計當(dāng)量軸次已超過設(shè)計累計當(dāng)量軸次，但未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，與基層水泥穩(wěn)定砂礫強度高、瀝青面層較厚、養(yǎng)護及時，以及施工質(zhì)量較好都存在一定關(guān)系。

(3)本路段路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中水穩(wěn)基層厚度為20cm，與近年疆內(nèi)高速公路采用32～38cm厚水穩(wěn)基層差異較大，但其無側(cè)限抗壓強度大于一般要求的4～6MPa，在路基穩(wěn)定性較好的前提下，適當(dāng)提高水穩(wěn)基層強度有利于增加路面使用壽命，減少基層厚度，節(jié)約工程投資。

(4)探地雷達檢測數(shù)據(jù)與路面鉆芯情況及路面破損狀況較為吻合，利用探地雷達檢測路面病害，有利于更加清楚地了解路面基層和下面層病害狀況，對后期養(yǎng)護方案的確定提供較好依據(jù)。

本路段是新疆第一條高速公路，且具有疆內(nèi)最大的歷史交通量，詳細了解其路面使用性能，對疆內(nèi)其他公路建設(shè)具有很好的參考價值。