玉元高速公路元江段車轍產(chǎn)生的原因及處理措施

張冰清

(云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南昆明 650228)

0 引言

隨著道路交通越來越發(fā)達(dá)，交通量和重載車輛隨之增多，瀝青路面發(fā)生的病害也越來越嚴(yán)重。其中，車轍是高速公路最常見的病害，若不能得到有效解決，將嚴(yán)重影響路面的耐久性和行車的安全性、舒適性。

目前，中國(guó)道路特別是高速公路，廣泛采用瀝青路面，但是隨著通車?yán)锍田w速增長(zhǎng)，汽車工業(yè)技術(shù)提升，交通量、車輛荷載不斷增加，加上各地區(qū)持續(xù)高溫時(shí)間增長(zhǎng)，很多新建道路在短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍破壞。

相關(guān)學(xué)者對(duì)路面車轍病害進(jìn)行了研究。楊俊泉等研究發(fā)現(xiàn)，車轍是山區(qū)半剛性瀝青路面的主要病害，其中重載交通、長(zhǎng)大陡坡和路面結(jié)構(gòu)組合與材料選擇不當(dāng)是車轍產(chǎn)生的主要原因［1］。陳博等研究認(rèn)為，重載貨車以較低時(shí)速駛過爬坡路段時(shí)，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)期承受高溫所導(dǎo)致的破壞，因此山區(qū)高速公路應(yīng)該使用具有強(qiáng)抗車轍能力的瀝青鋪筑路面［2］。徐世法分析了車轍深度對(duì)于車輛制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性的影響，并從行車安全性的角度出發(fā)，提出了理論的容許車轍深度。王陸平對(duì)車轍深度進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得出了軸次、瀝青面層銑刨重鋪厚度、車轍深度三者之間的數(shù)學(xué)模型以及使瀝青路面維修后車轍最小的優(yōu)化方案。本文結(jié)合玉元高速公路路面狀況，分析路面車轍病害的類型及產(chǎn)生的原因，提出具體的處治措施，并對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

玉元高速公路是國(guó)道213線昆明至曼谷通道的重要路段，起于玉溪高倉(cāng)，與昆玉高速公路相連，止于元江二塘橋，與元磨高速公路相連，全長(zhǎng)112.091 km。玉元高速公路部分路段設(shè)分離式路基，寬度為10.75 m，采用高低路基寬度分別為9.25 m與12.25 m的組合路基斷面。全線路拱橫坡為2%，以中央分隔帶邊緣為旋轉(zhuǎn)軸。車輛荷載等級(jí)為汽車-超20、掛車-120。

由于玉元高速公路處于哀牢山脈，沿線山巒連綿，溝壑縱橫，地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)水文條件差，因此玉元高速公路建設(shè)具有橋隧相連、深挖高填、坡陡彎多、環(huán)保難度大、邊坡治理難等特點(diǎn)，是云南公路建設(shè)史上較為艱巨的工程項(xiàng)目之一。經(jīng)多年的運(yùn)營(yíng)，玉元高速路面出現(xiàn)不同程度的病害，其中元江段的路面病害嚴(yán)重，車轍病害最為突出，而且每次處治后短時(shí)間內(nèi)就再次復(fù)發(fā)，嚴(yán)重影響行車安全和路面服務(wù)質(zhì)量。為了更好地解決該路段的車轍問題，提高路面服務(wù)質(zhì)量、行車安全性和舒適度，在分析車轍成因的基礎(chǔ)上，采用具體的處治措施，并根據(jù)實(shí)際交通流量和處治后的跟蹤觀測(cè)，評(píng)價(jià)車轍處治效果。

2 車轍類型及成因分析

2.1 車轍的類型

目前，國(guó)際上將車轍分成以下幾種類型。

(1)失穩(wěn)型車轍。在高溫狀態(tài)下，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低，行車荷載作用使內(nèi)部材料發(fā)生橫向流動(dòng)變形從而產(chǎn)生車轍［3］。

(2)結(jié)構(gòu)型車轍。當(dāng)?shù)缆仿坊鶑?qiáng)度不足時(shí)，在行車荷載作用下路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體永久變形而形成車轍［4］。

(3)磨耗型車轍。瀝青頂層磨耗層在車輪磨耗和自然環(huán)境因素交替作用下持續(xù)不斷地?fù)p失而形成車轍。

(4)壓密型車轍。在瀝青路面施工過程中若壓實(shí)度不足，通車后經(jīng)行車反復(fù)作用，輪跡帶下的面層繼續(xù)受到壓實(shí)，從而產(chǎn)生壓密變形［5-6］。

2.2 車轍的影響因素

導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍的因素很多，總體可歸納為內(nèi)在因素與外在因素。內(nèi)在因素主要包括路面材料質(zhì)量和路面結(jié)構(gòu)，外在因素則包括氣候條件及交通條件等［7-9］。內(nèi)在因素細(xì)分則包括礦質(zhì)集料特性、級(jí)配、瀝青膠結(jié)料性能、瀝青與礦料之間的相互作用及路面結(jié)構(gòu)等［10-12］。

2.3 玉元高速元江段車轍的成因分析

通過對(duì)玉元高速公路元江段的車轍病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，認(rèn)為該路段的車轍屬于失穩(wěn)型車轍，見圖1。同時(shí)，對(duì)比玉元高速元江段和其他路段，發(fā)現(xiàn)在礦質(zhì)集料特性、級(jí)配、瀝青膠結(jié)料性能、瀝青與礦料之間的相互作用及路面結(jié)構(gòu)等因素方面，兩者完全相同，說明造成元江段特殊車轍病害的主要原因是外部因素。

(1)氣溫。玉元高速公路元江段地處低緯高原，屬季風(fēng)氣候，冬夏半年各受2種不同的大氣環(huán)流影響。冬半年(即干季11～4月)受北非及印度北部大陸干暖氣流和北方南下的干冷氣流影響，空氣干燥溫暖，降水量少，蒸發(fā)快，晴天多，日照充足。夏半年(即雨季5～10月)受印度洋西南暖濕氣流和太平洋東南暖濕氣流的影響，空氣濕度大，降水量多，多陰寡照。該地區(qū)年平均氣溫12℃～24℃，4～6月份氣溫28℃～42.5℃。對(duì)元江地區(qū)和玉元高速其他段落月平均高溫進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果見圖2，可以看出，元江地區(qū)每個(gè)月的平均高溫比沿線其他地區(qū)高10℃，同時(shí)每年玉元地區(qū)4～7月份溫度最高。

圖2 玉溪、元江月平均高溫?cái)?shù)據(jù)

(2)交通量。玉元高速公路是云南的第一條高速公路，連接昆明、西雙版納、緬甸等地，交通量較大。對(duì)玉元高速公路交通量變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖3。可以看出，除去春節(jié)和國(guó)慶節(jié)的節(jié)日影響外，每年4～6月份玉元線的交通量都有一個(gè)大幅度的增加，原因是每年4～6月有大量緬甸、越南、泰國(guó)等地的水果集中運(yùn)輸?shù)絻?nèi)地，而且大多采用重載大貨車。統(tǒng)計(jì)玉元高速公路歷年的養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)得知，每年4～6月份正是玉元高速公路元江段車轍病害的高峰期。

圖3 玉元高速公路月平均交通量

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，氣溫變化、交通量和車轍發(fā)生規(guī)律是一致的，因此可以認(rèn)為:導(dǎo)致玉元高速公路元江段發(fā)生車轍病害的主要原因是高溫、重載、交通量大;在元江縣高溫條件下，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低，重載交通的作用使瀝青路面內(nèi)部材料發(fā)生橫向流動(dòng)變形而產(chǎn)生車轍。

3 車轍處治措施

3.1 初步設(shè)計(jì)

導(dǎo)致玉元高速元江段車轍病害的原因是高溫和重載交通2個(gè)外部因素，而且無法避免或改變，因此要想解決該段的車轍病害就要從礦質(zhì)集料特性、級(jí)配、瀝青膠結(jié)料性能、瀝青與礦料之間的相互作用及路面結(jié)構(gòu)等方面考慮，以提高瀝青混合料的高溫性能［13-18］。

通過詳細(xì)的路面檢測(cè)后，確定玉元高速公路K190～K191是車轍病害較多且易再次發(fā)生的路段。車轍易發(fā)生的路段路面結(jié)構(gòu)為:4 cm AC-13+5 cm AC-20+6 cm AC-25。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析的基礎(chǔ)上，決定采用以下處治方式:銑刨6 cm，鋪設(shè)5 cm AC-20混合料(加抗車轍劑)及1 cm微表處結(jié)構(gòu)層。

瀝青混合料的用油量越多，骨料粒徑越小，抗車轍能力越差，由于AC-20混合料采用的是普通的石灰?guī)r，磨耗性低于玄武巖，因此采用AC-20來代替原來的AC-13混合料;并通過添加抗車轍劑進(jìn)一步提高瀝青混合料的高溫性能;為了提高路面的抗磨耗性能，鋪設(shè)1 cm微表處作為磨耗層［19-21］。

3.2 車轍處治

對(duì)玉元高速公路K190～K191(下行)段路面銑刨后，填充裂縫并鋪設(shè)抗裂貼，然后鋪設(shè)AC-20混合料和微表處，AC-20混合料采用普通70#瀝青和Domix改性劑。

Domix改性劑是表面呈灰黑色的固體顆粒，適用于各類型瀝青混合料中，能顯著提高抗車轍能力，改善低溫抗裂性能，減輕因交通荷載所造成的路面疲勞破壞，提高瀝青混合料力學(xué)性能指標(biāo)，增強(qiáng)瀝青和集料的黏附力，減輕路面剝落病害的發(fā)生，并且可以改善瀝青抗老化性能，尤其是因紫外線輻射所導(dǎo)致的老化［22-25］。

通過室內(nèi)試驗(yàn)確定混合料礦料級(jí)配，如表1所示。

表1 礦料級(jí)配

對(duì) Domix摻量為 0.2%、0.4%和 0.6%的瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同Domix摻量的混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可看出，添加Domix的瀝青混合料各項(xiàng)體積參數(shù)均滿足要求，而添加0.4%Domix的瀝青混合料的空隙率為4.1%，符合設(shè)計(jì)空隙率，因此以0.4%為Domix摻量對(duì)混合料的各項(xiàng)路用性能進(jìn)行試驗(yàn)，并與不添加抗車轍劑的AC-20混合料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

從性能對(duì)比結(jié)果可以看出，添加0.4%Domix的瀝青混合料的抗水損害性能、低溫抗裂性能和疲勞壽命均與未添加Domix的混合料相當(dāng)，而動(dòng)穩(wěn)度增加約3倍?？梢?，Domix添加劑可以有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能［26］。

表3 兩種混合料的性能對(duì)比

微表處采用 ES-2型級(jí)配，乳化瀝青用量為12%，混合料的稠度、濕輪磨耗以及碾壓粘砂試驗(yàn)結(jié)果均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。合成級(jí)配如表4所示。

表4 微表處級(jí)配

4 應(yīng)用效果

2015年4月初，在K190+000～K190+500下行線行車道進(jìn)行了車轍病害處治，施工效果較好，隨后每年對(duì)該路段的車轍、平整度和抗滑性能進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。經(jīng)過2年的高溫、重載作用和雨季的考驗(yàn)，該路段路面未產(chǎn)生明顯的車轍且整體路況較好。對(duì)該路段施工前后及歷年的路面平整度、車轍深度、橫向力系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表5所示。

表5 各項(xiàng)指標(biāo)歷年檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，實(shí)施養(yǎng)護(hù)后，原路面的平整度、車轍深度和抗滑性能均得到了很大改善，平整度和車轍深度分別下降約45.8%和80.6%，橫向力系數(shù)增加約28.5%。各指標(biāo)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，并且衰減速度先慢后快。至2017年，平整度、車轍深度、橫向力系數(shù)等指標(biāo)仍然優(yōu)于處治前，可見車轍處治效果較好。

5 結(jié) 語(yǔ)

瀝青路面產(chǎn)生車轍等病害，不僅與設(shè)計(jì)、施工等路面形成前的環(huán)節(jié)有關(guān)，而且與所處氣候條件、運(yùn)營(yíng)情況、養(yǎng)護(hù)等密切相關(guān)。因此，要減少車轍病害需從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)管理各環(huán)節(jié)上給予重視。當(dāng)路面出現(xiàn)車轍后，應(yīng)在深入研究車轍產(chǎn)生的機(jī)理和原因的基礎(chǔ)上，采用對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行處治，提高路面的服務(wù)質(zhì)量，保證行車安全。

(1)玉元高速公路K190～K191段車轍病害主要是由于高溫、重載和交通量大引起的，采用銑刨6 cm、鋪設(shè)5 cm AC-20(加抗車轍劑)混合料及1 cm微表處結(jié)構(gòu)層的措施予以處治。

(2)銑刨后出現(xiàn)的裂縫采用熱改性瀝青進(jìn)行填充，然后鋪設(shè)抗裂貼，這樣可以有效減少處治后反射裂縫的產(chǎn)生。

(3)添加0.4%Domix的瀝青混合料抗水損害性能、低溫抗裂性能和疲勞壽命均與未添加改性劑的混合料相當(dāng)，而動(dòng)穩(wěn)定度可增加約3倍。

(4)微表處采用 ES-2型，乳化瀝青用量為12%，混合料的稠度、濕輪磨耗以及碾壓粘砂試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

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