长大纵坡沥青路面车辙病害分析及其治理措施

2017-03-01王永岗

黑龙江交通科技 2017年5期

关键词：纵坡车辙路段

王永岗

(山西路桥集团试验检测中心有限公司，山西太原 030000)

长大纵坡沥青路面车辙病害分析及其治理措施

王永岗

(山西路桥集团试验检测中心有限公司，山西太原 030000)

结合山西临汾地区多条高速公路长大纵坡车辙病害问题的分析，提出长大纵坡路段车辙病害出现的形式和诱因，对长大纵坡路段车辙病害的处置方式给出意见。

车辙；长大纵坡；病害分析；治理措施

0 前言

山西地形比较复杂，省内山川、盆地较多，山川地形面积占总面积的40%以上。在山区修建高速公路常常出现较大的高度落差，在设计中出现长陡坡，即高速公路中的长大纵坡，大部分高速公路均会为爬坡路段设计重载车辆专用的爬坡车道。因长大纵坡的特殊性，车辆在该路段行驶时常常会不断的加减速，对路面的侧压和推移问题较平坡路段严重，尤其是煤运重载路段，其对路面的剪切应力更大。在高温季节，路面承受的载荷大于其抗剪强度时，公路沥青路面发生横向位移故而造成路面结构的破坏，出现车辙，继而易引发其他路面病害。

高速公路长大纵坡沥青路面车辙病害的治理一直是公路建养部门的关注重点。通过对公路沥青路面车辙病害的深入研究，从造成车辙内在结构因素到外在影响因素的分析研究，提出相关治理措施，用于降低和改善长大纵坡路面病害率，延长沥青路面使用寿命，对公路建设具有深远影响。

1 山西临汾地区路面车辙病害分析

车辙主要包括三大类，分别是压密型车辙、失稳型车辙和磨耗型车辙。在这三种当时，由于临汾地区运煤车辆较多，昼夜温差较大，以失稳型车辙为代表的车辙病害是最主要的破坏形式。其中呈现出纵向车辙、横向车辙以及深度方向的车辙分布规律。

对于纵向车辙，其影响因素是长大纵坡的坡度、坡长。爬坡车道的坡长和坡度直接影响车辆爬坡的速度，随着速度的下降汽车作用于该爬坡车道的行驶时间更长，对路面的结构破坏更大，车辙深度整体呈现先变大后趋于恒定一致的状态。在整个爬坡过程中坡顶的横向剪切效果最大，故常在坡顶位置车辙深度最大。在下坡过程中，车辆载荷对路面的剪切效果远小于上坡过程，在坡顶和坡底位置的车辙深度不及上坡过程同位置的一半。对于横向车辙分布，主要原因在于车辆的渠化分布，重载货车在道路右侧行车道低速行驶，小型汽车在左侧超车道快速行驶，两者对同一路段的载荷和作用时间完全不同。行车道承受更大的载荷，且作用时间更长，行车道更容易出现深度车辙病害。行车道的横向车辙呈现W型断面，在轮迹带附近呈现W型的结构凹陷。

2 长大纵坡车辙病害内因

2.1 沥青层的影响

山西省高速公路路面沥青层厚度通常采用4 cm+5 cm+6 cm的形式，三层沥青总计厚度在15 cm左右，且要用SBS改性沥青进行上面层铺筑。但在运营中发现，初期路面结构完整性较好，可有效抵抗车轮动载荷的剪切，但随着运营时间的不断增长，尤其是在高温季节，沥青内部流动性大，在长大纵坡路段常常受到横向的剪切和纵向的推移，长期作用下路面受剪切的蠕变不断积累，沥青路面发生偏移，积累效果下的路面最终出现车辙。车辙是路面的塑性变形，但路面的永久塑性变形是由道路各组成部分积累的结果，单一针对沥青层在保证沥青层的厚度不降低情况下，应在长大路段使用改性沥青及抗车辙剂，用于抵抗长期载荷对沥青层的影响。

2.2 沥青层矿料级配的影响

沥青面层的动稳定度和混凝土强度与沥青路面的矿料级配组成有关。矿料级配偏大容易形成骨架结构，其内部石料间的摩擦力较大，变形量较小。矿料级配偏小容易形成内部空间的悬浮，其内部石料间的摩擦力较小，但粘聚力较大。针对路面车辙病害最直观的破坏结果就是破坏沥青层矿料级配，通过对G5京昆高速临汾—襄汾段轻微车辙病害区域钻芯取样分析，沥青上面层细颗粒石料挤压变形严重，沥青中下面层被紧密压实，整体变形量不大，但部分粗集料骨架变形量较非车辙区域破坏明显，其原有级配被损坏。

3 长大纵坡车辙病害外因

3.1 长大纵坡路段的影响

车辆从平坡路段行驶到长大纵坡路段，在爬坡的初段，车辆速度较快，其对路段横向剪切力较小。随着坡度的提升、坡长距离的延伸，车辆对该路段的剪切应力逐渐增大，其增大态势随着坡长的延伸而逐渐趋近于一个恒定值。因此该路段的面层所承受的剪切应力最大，其作用深度亦随之增加。同样的作用体现在重载货车上，因货车自重较大，爬坡过程中速度迅速下降，进而维持到一个固定范围。在这过程中，路面和车辆的摩擦力迅速变大，加之其强大的自重所带来的剪切力，所接触的公路路面温度较轮迹意外区域明显提升。该部分能量降低沥青混合料微观结构的键位能，沥青微观结构蠕变量递增。随着车辆轴载的不断作用，混合料蠕变变形不能回复到原有位置，进而因蠕变变形的积累变现为永久变形，车辙现象逐渐加深。同时，从作用时间来说，车辆以50 km/h通过该路段所用时间是以100 km/h通过该路段所用时间的2倍，相当于车辆在该路段碾压两次，该路段变形量更大。通过多年的养护工作发现，在长大纵坡路段车辙最容易出现在坡脚后和坡顶后，以坡顶路段车辙最为严重。

3.2 车辆重载的影响

车辆重载超限问题一直是车辙病害的最大诱因之一。我国高速公路的载荷设备标准是按照单轴载10 t设计的。山西临汾地区煤运重载货车较多，车辆超载超限行驶时，其单轴载荷超过设计值，与路面纵向接触时间、纵向载荷超过路面结构的阈值，易引发并加速路面的整体损坏。当重载车辆行驶在路上时，由于自身减震系统与车身悬挂系统不完全匹配，较之静止状态对路面的动态载荷更大，其冲击力是静止状态下的2～3倍，造成路面的加速破坏。由于路面破坏后平整性较差，又反向提供车辆行驶中更大的动载荷，造成路面破损的恶性循坏。结合临襄高速、霍永高速、运三高速等路段煤运重载车流量的不完全统计，在同一地区，采用相同方法铺筑的相同或相似道路，路面结构承受的轴载越大，道路结构性能衰减越快，路面结构承受的轴载越小，道路结构性能衰减越慢。

4 车辙防治措施

对新建高速公路，为了提高长大纵坡路段的抗车辙能力，应从路面结构设计和沥青混合料设计两个方面进行相关研究。对于路面结构，由于长大纵坡路段面层沥青较平坡路段额外承受水平剪切应力，应对沥青混合料进行抗车辙设计。按照长寿命沥青路面结构设计理念对路面结构进行调整，形成上面层紧密、中面层抗车辙、下面层结构密实，整体抗冲击力强的稳定结构。避免出现结构性车辙病害，将车辙问题现定于上面层，即通过简单的铣刨和加铺微表处来处理。对于沥青混合料设计，除了按照现行规范进行级配设计和混合料试验，还应进行65 ℃、70 ℃和0.7 MPa的动稳定度试验，测定特殊情况下混合料抗车辙的效果，测试混合料性能衰减特性。

对已建运营且已出现车辙病害的长大纵坡路段，车辙深度超过20 mm且路面未有区域性裂缝、坑槽等病害，可对车辙病害区域进行表层铣刨处理，后采用微表技术进行二次罩面，这样基本解决车辙问题，保证路面整体平整。当车辙深度大于30 mm且路面出现龟裂、坑槽和拥起等病害，需对该区域进行钻芯取样，分析其车辙破坏的结构层深度，对于沥青层的整体破坏，则要进行沥青层的整体铣刨处理，在原路面铺筑技术基础之上对上面层、中面层、下面层分别添加抗车辙剂，提升沥青混凝土的整体抗车辙能力。