公路瀝青混凝土路面車轍分析

闞文廣,張嬌娜,龐會杰

(1.黑龍江省公路勘察設計院;2.哈爾濱工業大學)

隨著公路建成交付使用,在行車荷載和環境因素的作用下,道路的路面質量和服務能力逐漸下降。路面損壞的形式有很多種,使用二年以上的公路出現車轍的病害比較多,是瀝青混凝土路面的主要病害之一。具有關資料顯示,20世紀 70年代末美國各州公路局曾作過調查統計,在被調查的44條主要公路中有 13條公路的破壞是由車轍引起的,占調查總數的 29.5%;日本的高速公路路面維修、罩面的原因,80%以上是由于車轍引起的。

1 車轍病害主要類型

1.1 結構型車轍

由于荷載作用超過路面各層的強度,發生在瀝青面層以下包括路基在內的各結構層的永久變形。這種車轍寬度較大,兩側沒有隆起現象,橫斷面呈V字形。

1.2 失穩型車轍

在高溫條件下,由于瀝青混合料中顆粒之間瀝青膜在外力作用下產生了剪切變形,引起集料顆粒出現相對位移,車輪反復碾壓作用載荷應力超過瀝青混合料的穩定度極限使流動變形不斷積累形成車轍。一方面是車輪作用部位下凹,另一方面車輪作用甚少的車道兩側反而向上隆起,在彎道處還明顯向外推擠,車道線及停車線因此可能成為變形的曲線。對主要行駛雙輪車的路段,車轍斷面呈W形。

失穩型車轍主要發生在大坡道長坡段、彎坡橋匝道及收費站出入口等。

1.3 壓密型車轍

該類車轍病害是由于施工質量控制不嚴,瀝青面層本身壓實度不足,致使通車后的第一個高溫季節混合料繼續壓密,在交通荷載的反復碾壓作用下,空隙率不斷減小,達到極限殘余空隙率才趨于穩定。它不僅產生壓實變形,而且平整度迅速下降,形成明顯的車轍,在我國是較普遍。

1.4 磨耗型車轍

當路面結構穩定,車輛行駛時,輪胎磨耗路表而產生此類車轍,車轍深度一般在 5mm以內。這類車轍屬正常現象,不需處理。

2 車轍病害主要危害

車轍的出現,嚴重影響了瀝青路面的服務質量及行車安全,并直接影響路面的使用壽命,造成維護成本的增加。

(1)車轍底部和上部的邊緣位置產生集中應力,致使路面產生縱向裂縫,造成雨水等滲入下面層及基層,造成基層水損壞,使公路服務質量下降,增加維修成本。

(2)車轍降低了路面平整度和穩定性,影響行車的舒適性。

(3)車轍造成路面排水不暢,降低路面的防滑能力,影響行車安全。

3 車轍病害產生原因

分析車轍產生的各種綜合影響,主要為以下 3種因素。

(1)我國現行規范中可供設計人員選擇的路面結構單一,而且級配范圍較寬。實際上,目前大量出現的路面早期損壞是現行理論和規范所難以做出更深解釋的,現行理論和規范已經制約了國民經濟的發展。

(2)我國大規模進行基礎設施建設,設計路基、路面結構不合理;施工隊伍技術力量薄弱;施工機械設備陳舊、不配套;建設周期不符合要求。

(3)隨著我國經濟的迅速發展,運輸行業出現了不公平競爭,運輸能力供大于求,某些部門從自身利益出發,超載嚴重,甚至達到了令人無法想象的地步,緩慢行駛的超大型超載車輛的軸載遠遠超過設計計算中標準的軸重。

4 車轍病害預防措施

(1)設計階段充分考慮可能出現的問題,調查沿線的水文、地質及環境因素,力求設計合理,避免車轍的出現。

(2)施工階段狠抓質量管理,采用先進的施工技術,按照設計文件嚴格施工。

(3)運營階段及時養護,在高溫天氣,對瀝青路面通過散水降溫,限制超載車輛的通行,警示超載車輛繞道行駛,否則,由交警部門對其罰款和卸載。

5 車轍病害治理措施

(1)對于車轍深度小于 2cm的路段直接采用微表處填補車轍。

(2)對于車轍深度大于 2cm且小于 3cm的路段,采用銑刨機銑刨掉擁包后用微表處填補車轍后,再進行罩面處理。

(3)對于大于 3cm的路段,根據現場情況采用銑刨機銑刨到破壞層后,分別采用 1～2層改性熱瀝青混合料進行攤鋪處理。

根據處理后期的觀察情況,從處理效果看,微表處填充是一種較好的車轍處置手段,對于熱瀝青處置的效果不是很好。

6 車轍病害工程實例

黑龍江省某段高速公路沿線路基穩定,排水、防護系統維護完好。

路面主要病害為車轍,且單方向極少出現車轍,或者說基本無車轍,而另一側整個行車道和超車道均出現破壞程度不同的車轍,其分布具有一定的規律和特點。

起點段車轍出現較輕微,多數不足 10mm,個別路段達到 20mm,且多出現于行車道;中間段車轍出現頻率最高,破壞最為嚴重,雖經多次治理(嚴重路段,以銑刨機刨除破壞嚴重的瀝青混凝土路面,重新鋪筑),但仍有個別路段車轍深度達到 5cm左右;終點段車轍破壞程度相對起點路段重,相對中間路段輕,車轍深度在 10～20mm之間。

首先,該路段為舊路幫寬工程,包括單側幫寬和雙側幫寬,在單側幫寬路基中,有左側幫寬也有右側幫寬,新舊路基存在不均勻沉降的隱患,在建設中使用了多種方法進行處治和預防,但其效果很好。從目前出現車轍的路段看,和路基的幫寬沒有直接關系,因為,只在局部出現輕微車轍路段,同樣存在多種幫寬形式,而且,即使左幅出現車轍最嚴重的路段,路面也未出現縱向裂縫,這說明路基是穩定的。

另外,從不同時期觀測的結果看,車轍破壞有加速發展的趨勢。

經過對大量觀測資料的整理分析,我們認為,該路段出現車轍病害,除去氣候影響外,還和路基填料、路面結構、施工質量、管理養護水平以及汽車荷載等諸多因素有關。

(1)汽車荷載。

該段的交通量有一個非常顯著的特點,即單向的汽車重載多而且荷載大(多為砂石料),但相反方向的重載汽車就少。該路段的車轍非常集中的出現在左側行車道及超車道,也印證了如此巨大的單向汽車荷載,是導致路面出現車轍的主要原因。

(2)路面結構。

從全線的車轍破壞的輕重程度分析,有著很明顯的特點,中間路段最重,起點方向次重,終點方向最輕,和路面結構設計路段(也是施工分標路段)基本重合。

全線基層設計均采用水穩砂礫及水穩砂礫摻碎石結構,混合料組成和厚度設計均相同,因此并不能分析基層和車轍破壞的關系。只是在取芯過程中,車轍最嚴重位置,取出的基層試件,在 5cm處出現斷裂,即該基層在 5cm處已破壞。這說明在現有荷載情況下,基層強度不足。

中間路段和終點路段,在路面面層結構設計中均采用5cm中粒式瀝青混凝土+7cm粗粒式瀝青混凝土,總厚度12cm,不同之處在于終點路段上面層采用改性瀝青混凝土,而中間路段采用普通瀝青混凝土;起點路段采用普通瀝青混凝土 4、5、6結構,總厚度 15cm。根據車轍破壞的嚴重程度和以上結構對照分析,顯然,增加路面結構層厚度和采用改性瀝青混凝土都有非常明顯的抗車轍效果。

(3)路基強度。

和路基填料的關系:根據分析,車轍破壞的嚴重程度和各路段采用的路基填料有著近乎完美的對應關系。終點路段的取土場均位于地勢很高的崗地,為黃色低液限粘土,填料最好,而目前看車轍最輕;起點路段路基填料為砂性的粉土,填料次之,而其車轍稍重;中間路段取土場多位于地勢平坦低洼的荒草地(由于征地原因),填料多為黑色的粉質低液限粘土,填料最次(雖經摻灰使用),而目前看其車轍是全線最為嚴重的路段。