青島地區(qū)典型道路車轍病害分析及處治措施

劉明　王晨　劉建國　楊飛

摘要 瀝青屬于典型的粘彈性材料，在重載、緩行、渠化等狀況下，車輛荷載對路面的剪應力增大，更易產(chǎn)生車轍。文章基于調(diào)研青島地區(qū)出現(xiàn)車轍病害的實體工程基礎(chǔ)上，對不同結(jié)構(gòu)組合車轍病害主要形式、車轍病害發(fā)生的層位及車轍產(chǎn)生的原因進行了分析;通過中面層芯樣的抗剪強度試驗，構(gòu)建了抗剪強度與空隙率的函數(shù)模型。并結(jié)合工程調(diào)研和試驗結(jié)果，提出了車轍病害處治措施。

關(guān)鍵詞 疏港道路;車轍;劈裂強度;芯樣

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0147-03

前言

國內(nèi)交通運輸行業(yè)發(fā)展迅速、車輛的渠化行駛及車輛荷載的增加，導致車轍變形越來越嚴重。這種病害在國內(nèi)各大城市道路交叉路口，由于車輛頻繁地制動和啟動，擁包、車轍等變形類損壞現(xiàn)象更加嚴重。

青島地區(qū)大量疏港車輛進出港區(qū)不僅給周邊道路造成了較大的交通壓力，而且在大型車輛的反復作用下，通車幾年后造成傳統(tǒng)瀝青路面（瀝青面層+半剛性基層）不同類型、不同程度的坑槽、車轍甚至龜裂等早期損害，降低了路面的服務水平和壽命。

同時港區(qū)道路交叉路口，剎車及加速比較頻繁的區(qū)域經(jīng)常性地出現(xiàn)失穩(wěn)型車轍病害。這一病害在重載車輛通行的疏港道路平交口尤為嚴重，經(jīng)過疏港現(xiàn)場調(diào)查、取芯分析車轍深度可達到10 cm以上，嚴重影響行車安全。

1 青島地區(qū)典型道路車轍病害調(diào)研

1.1 青島地區(qū)典型道路結(jié)構(gòu)早期破壞形式

剪切損壞是青島地區(qū)疏港道路早期破壞的突出表現(xiàn)，早期損壞在路面上的表征有各種形式：裂縫、水損害、車轍、擁包變形等。青島地區(qū)等級較高的公路，如國省道和城市主干道路面表面病害中以車轍尤為嚴重（如圖1所示），病害的出現(xiàn)具有鮮明的特點。

層內(nèi)剪切破壞的發(fā)展形態(tài)：抗滑功能喪失→推移→隆起→松散→坑槽;

層間剪切破壞：側(cè)向推移（上坡、小半徑）、縱向推移（下坡）。

1.2 青島地區(qū)典型道路車轍病害取芯分析

為確定結(jié)構(gòu)層厚度和車轍發(fā)生的層位，分別在典型道路同一斷面的轍槽底部、車轍病害隆起處以及同一斷面硬路肩正常位置鉆取直徑為10 cm的芯樣，芯樣各結(jié)構(gòu)層厚度如表1所示。

表1數(shù)據(jù)顯示，青島地區(qū)典型結(jié)構(gòu)發(fā)生的車轍屬于失穩(wěn)型車轍。且三層結(jié)構(gòu)設(shè)計時車轍多是由中面層推移剪切破壞導致的;兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計時上、下面層均有不同程度變形隆起。

2 瀝青混合料抗剪強度函數(shù)模型的構(gòu)建

結(jié)合青島市S329項目鉆取芯樣進行中面層芯樣理論密度和毛體積密度試驗，計算芯樣空隙率。同時利用UTM設(shè)備進行中面層芯樣抗剪強度試驗，并繪制抗剪強度與空隙率的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

由圖2可知，芯樣抗剪強度隨著空隙率增大，逐漸減小;芯樣抗剪強度與空隙率具有顯著相關(guān)性，利用指數(shù)函數(shù)擬合后的相關(guān)系數(shù)R=0.88。因此，擬利用擬合所建立的函數(shù)對不同試件的抗剪強度進行修正，修正方法如下式所示：

（1）

式中，——目標空隙率對應的抗剪強度（MPa）;

——試件實測抗剪強度（MPa）;

——目標空隙率;

——實測空隙率。

3 車轍病害原因分析及處治措施

3.1 車轍病害原因分析

車轍發(fā)生過程經(jīng)歷以下三個階段：①混合料繼續(xù)壓密階段→②結(jié)構(gòu)層變形穩(wěn)定階段→③結(jié)構(gòu)層剪切失穩(wěn)階段[1-3]。

3.1.1 混合料壓密階段

瀝青混合料是在碾壓前由集料、瀝青和空氣組成的黑色固態(tài)混合物。碾壓后的半流動瀝青和由瀝青和礦粉組成的漿料在高溫下被擠入礦料間隙中，骨料受力重新排列成骨架密實結(jié)構(gòu)。碾壓完成并通車后，隨著車輛加載，壓實過程會進一步發(fā)展，瀝青混合料體積的變化，產(chǎn)生塑性變形。

3.1.2 結(jié)構(gòu)層變形穩(wěn)定階段

在高溫作用下，瀝青混合料處于以粘結(jié)為主的半固態(tài)狀態(tài)。車輛荷載作用下，瀝青和瀝青砂漿首先在荷載作用下流動導致混合料骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。第二階段變形以基本恒定速度緩慢發(fā)展，體積變化不大且剪切變形逐漸開始。

3.1.3 結(jié)構(gòu)層剪切失穩(wěn)階段

高溫下處于半固態(tài)的瀝青混合料，由于瀝青及膠漿在荷載的作用下首先流動，混合料中粗細集料骨料組成的骨架成為荷載主要承擔者，再加上瀝青潤滑作用，硬度較大的礦料在荷載的直接作用下會沿礦料間接觸面滑動，促使瀝青及膠漿向富集區(qū)流動，流向混合料的自由面，從而導致礦質(zhì)骨料的重新排列以及礦質(zhì)骨料的破壞。這一階段為瀝青混合料的剪切流動變形階段，并不再有體積變化。

通過對疏港道路調(diào)研初步分析路面所出現(xiàn)的早期車轍病害與以下幾方面有關(guān)：

內(nèi)部因素：①路面材料選材及施工控制雖滿足規(guī)范要求但偏弱，成品路面不足以抵抗荷載作用力;②設(shè)計概念誤區(qū)，認為目前當?shù)氐缆凡捎玫慕Y(jié)構(gòu)即為最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，而沒有充分考慮軸載、交通流的差異對結(jié)構(gòu)層的影響，也沒有針對各結(jié)構(gòu)層的層位功能進行精細化合理設(shè)計。

外部因素：①道路路段上超載和超限車輛是造成疏港路路面剪切損傷的主要誘因。②大量渠化行駛的重型車輛慢速行駛，行駛速度的降低延長了軸載在路面上的作用時間，加重了車轍的產(chǎn)生，加速了路面的早期損傷。③夏季的高溫作用，使材料的模量降低也會進一步影響路面的承載力[4-5]。

3.2 車轍病害處治措施

建議針對類似的疏港道路和平交道口位置進行結(jié)構(gòu)增強專項設(shè)計，罩面加鋪前對原有道路病害進行徹底挖補處理，避免在舊路上面層上直接加鋪。目前針對車轍病害提出的解決方案主要有以下幾種：

（1）通過在瀝青混合料中加入抗車轍劑，提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能。該方式優(yōu)點是添加方便，缺點是抗車轍劑種類較多、質(zhì)量和效果差異性大，造成路面抗車轍能力和抗老化性能差別很大。

（2）采用硬質(zhì)集料和新一代高品質(zhì)耐久型瀝青和瀝青混合料，具體技術(shù)要求見表2和表3（結(jié)合料采用PG 82-22的低標號高勁度瀝青），該方式提高了瀝青混合料的耐高溫性、抗水破壞性、抗裂性和耐久性。解決了瀝青混合料的抗裂、抗車轍和水密性協(xié)同提高的問題，從根本上減少了車轍的發(fā)生。

（3）鋪筑半柔性路面結(jié)構(gòu)，半柔性路面厚度方案為：（至少8 cm半柔性路面），其下設(shè)置抗裂下承層（2 cm瀝青膠砂、AC-10或3 cmAC-13F），層間聯(lián)結(jié)采用熱瀝青碎石封層或高固含量乳化瀝青。

4 結(jié)論

通過青島地區(qū)典型道路車轍病害調(diào)查及試驗研究，得出如下結(jié)論：

（1）青島地區(qū)典型結(jié)構(gòu)發(fā)生的車轍屬于失穩(wěn)型車轍。且三層結(jié)構(gòu)設(shè)計時車轍多是由中面層推移剪切破壞導致的;兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計時上、下面層均有不同程度變形隆起。因此需要強化中面層設(shè)計及施工控制。

（2）通過中面層芯樣抗剪強度試驗發(fā)現(xiàn)，空隙率增大芯樣抗剪強度逐漸減小，且相關(guān)性良好?；谠囼灁?shù)據(jù)構(gòu)建了瀝青混合料抗剪強度函數(shù)模型：。

（3）青島地區(qū)道路設(shè)計時應充分考慮軸載、交通流的差異對結(jié)構(gòu)層的影響，有針對地對各結(jié)構(gòu)層的層位功能進行精細化合理設(shè)計。

參考文獻

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收稿日期：2022-03-15

作者簡介：劉明（1982—），男，本科，高級工程師，研究方向：公路交通工程。