山区高速公路沥青面层失稳性车辙病害分析及处治措施

陈博

摘要：本文从高速公路沥青路面病害入手，介绍了失稳性车辙产生的原因及处治措施，并以贵州某高速公路为例，通过对其病害情况的实地调查，结合当地气候、地理条件及长大纵坡段较多道路状况，着重分析了山区高速公路沥青路面失稳性车辙病害的成因，并结合目前车辙维修技术，具体提出不同程度车辙病害的处治方法和建议，对类似工程的车辙防治和处理有一定参考价值。

Abstract： This article starts from the highway asphalt pavement disease and introduces the causes and treatment measures of instability rutting. Taking a highway in Guizhou as an example， through field investigation of the disease situation， combined with the local climate， geographical conditions and road conditions of more longitudinal slope section， it analyzes the causes of instability rutting of mountainous highway asphalt pavement. Combined with the current rut maintenance technology， it puts forward treatment methods and suggestions for rutting in different degree， which have a certain reference value for rutting prevention and treatment of similar projects.

關键词：沥青混凝土路面；长大纵坡；失稳性车辙；处治方法

Key words： asphalt concrete pavement；longitudinal slope；rutting with stability loss；treatment method

中图分类号：TU528.42 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0110-03

0 引言

沥青路面由于其具有行车舒适、耐磨性好、养护施工方便等诸多优点，目前已广泛的应用于我国道路工程中，特别是在高速公路中，沥青路面已成为一种主要的路面结构形式。虽然沥青路面有很多优点，但由于其对组成材料、施工工艺等的要求较高，如控制不好，则会导致沥青路面出现不同的病害类型，病害的出现，轻者影响行车舒适性，严重者将会对道路交通安全带来重大的影响。本文结合贵州某高速公路实际调查研究，分析山区高速公路沥青路面失稳性车辙病害产生的原因，并提出处治建议且阐述了铣刨修复养护施工工艺在高速公路车辙修复工程中的应用，各项路用性能均达到了预期的目标，取得了良好的社会和经济效益。希望对山区道路的后期养护和拟建道路的设计施工有一定的参考价值。

1 沥青路面病害类型

1.1 病害分类 目前我国高速公路沥青路面早期病害主要包括沉降、裂缝、坑槽、车辙、功能性破坏、面层松散等等。根据病害表现类型大体可将这些病害分为三大类：即裂缝类、松散类、变形类等。

1.2 病害成因 沥青路面病害的形成可分为客观因素和主观因素。

①客观原因：沥青路面病害形成的客观因素主要是水、交通荷载、温度。

水在路面中表现形式为空隙水、层间水、深层渗水。水对路面的损害主要有四个方面：1）动水压力的反复作用造成沥青与集料剥离，导致沥青路面松散；2）层间水的存在阻断了沥青各层之间的有效粘结，使沥青路面各层分开从而改变路面的受力状况，使沥青路面在动荷载的作用下弯拉应力成几何级数的增加；3）水的冲刷破坏路面材料结构；4）渗水引起路基不均匀沉降最终导致沥青路面严重病害产生。

交通荷载是导致沥青路面损坏的重要原因。在我国，交通超载现象严重，逐年增多的超载车辆，使得路面所承受的荷载远远超出了设计的承载能力，导致沥青路面出现较早的破损，严重缩短了路面的使用寿命。

沥青路面是一种温度敏感性的路面结构，近年气温的变化以及极端气温天气的出现，使得沥青路面也不同程度的出现了病害。

②主观原因：导致沥青路面病害产生的主观因素主要是沥青路面的设计和施工过程中的控制。

沥青路面设计主要包括结构组合设计、厚度设计和材料设计，不合理的结构、不合理的厚度、不合理的材料都会导致沥青路面出现不同的病害。

沥青路面施工过程环节较多，对各环节的要求较高，如有任一环节控制不严格或有漏洞，将同样会导致沥青路面出现病害。

2 沥青路面车辙病害概述

按照上述沥青路面病害的分类，沥青路面车辙应该属于变形类病害。车辙的检测可以通过多功能检测车也可以通过人工三米直尺法检测。

2.1 车辙的分类

①根据养护技术规范，按车辙病害的严重程度可分为：一是轻微车辙，路面变形较浅（≤25mm）；二是严重车辙，路面变形较深（>25mm）。

②按照成因，车辙病害可分为：

结构性——荷载作用超过路面各层的强度，发生在沥青面层以下包括路基在内各结构层的永久性变形。

压密性——产生的原因可能是由于大量重型超载车辆渠化行驶在主车道上，路面压实度可能不足，在荷载反复作用下空隙率逐步减小，达到极限的残余空隙率后才稳定。

失稳性——沥青面层失稳性车辙主要特征为：在行车载荷反复作用下，在轮迹带范围内沥青面层变形较大，路面产生累积永久性的带状凹槽，部分路段车道轮迹带两侧沥青混凝土鼓起，在弯道部位还存在明显的向外鼓包推移现象，并有可能导致车道线或停车线变形，路面或呈现“波浪”状。

2.2 失稳性车辙产生的原因

①沥青混合料级配可能不够合理：面层级配偏细，细集料与粗集料的比例不符合配比要求，沥青混合料系一种依靠沥青颗粒之间的粘结性来达到设计强度的悬浮密实结构，混合料内摩擦角小，粗集料的强度和结构都不足以抵抗车辙。在高温环境中，动稳定度不达标，路面在行车荷载下极易出现车辙。

②沥青面层层间结合較差。

③沥青用量偏多：在车辙严重路段，轮迹部位有明显的泛油现象。

④坡道路段纵坡较大，易产生车辙：在高温环境下，车轮反复碾压路面，而沥青混合料的粘结力和强度无法抵御行车荷载而出现流动变形现象，当流动变形累积到一定程度后，就会在路面形成车辙。同时，路面面层受行车水平力和垂直力的综合作用，在面层结构内产生剪应力。从力学角度而言，这种综合作用越大，面层产生的剪应力就越大。对车辆在公路上的不同位置进行受力分析可知，在车辆启动、制动处，以及合成坡度较大的弯道内侧，路面面层所受车辆的水平力和垂直力的合力较大，较易发生剪切破坏。

2.3 失稳性车辙处治措施及建议

①对原路面车辙严重的路段，混合料失稳侧向推移，轮迹带下陷，周边隆起严重，车辙病害发展至中面层路段。铣刨车辙病害发生层位的原路面，采用改性沥青混合料车辙修复技术或采用灌入式有机水硬性材料车辙修复技术进行处治。

改性沥青混合料车辙修复技术，是对传统挖填方法的改进。采用对原路面车辙严重路段铣刨10cm至下面层，铣刨宽度视病害范围而定，一般为单车道（3.75m）或双车道（7.5m），再铺筑4cmAC-13改性沥青上面层+6cmAC-20改性沥青中面层。上、中面层沥青均建议采用SBS改性沥青，混合料采用骨架密实结构，层间洒布粘层油。

灌入式有机水硬性材料修复技术，是目前车辙防治的一项新技术，是将以水泥为主要成分的特殊乳浆材料，采用灌注工艺填充于开级配热沥青混合料母体骨架中，经过一段时间养生后形成的复合有机水硬性材料。处治后的路面结构具有优异的抗车辙性能，同时具有刚柔相济的特征，适用于由于车速慢，荷载作用时间长，产生车辙病害的长大纵坡、陡坡、弯坡桥桥面及匝道等特殊路面的车辙修复。

②对原路面车辙较严重的路段，可先对原路面车辙轮迹带两侧横向推移隆起部位进行局部铣刨、整形，再采用微表处车辙修复技术进行轮迹带车辙填充或采用微表处罩面技术进行路表状况处治。

这类车辙多由于上面层或上、中面层材料的高温稳定性不足引起。处治时，先铣刨掉发生车辙的各结构层，然后认真检查铣刨后露出的下卧层状况，若有病害应酌情处理。在下卧层无病害的情况下，可采用微表处车辙修复技术进行车辙填充。

③对原路面车辙较轻微路段，可采用微表处直接填充修复技术进行处治。

对于车辙深度为1.0cm时，可直接采用单层微表处填补修复。如果深度在1.0cm到2.0cm的范围内，可采用复式双层微表处修复，摊铺宽度均为1.4m。如果车辙路面磨光或水损坏严重，则可采用单层微表处直接填补车辙，然后再用微表处对车辙加铺1cm厚的罩面，以提高路面抗滑和防水能力，改善路面使用状况。

3 车辙处治案例分析

结合已有的研究成果和贵州山区的气候、地理条件，介绍贵州某高速公路车辙病害调查处治实例。

3.1 贵州山区某高速公路车辙问题概述

该高速公路地处贵州山区，地形地貌多变，工程地质背景复杂，给高速公路的选线带来许多困难。受地形地貌的影响，道路路线设计多选择连续急弯及长大陡坡路段，在长大纵坡行车道路段出现了较明显的车辙，轮迹带范围内沥青路面变形较大。

从路面损坏类型分析图1中可以看出，该高速公路沥青路面车辙问题严重。经三米直尺人工抽点检测，最大车辙深度达到5cm。对于原路面车辙，进行铣刨后不久部分路段又会出现车辙。据实地调查，该高速公路车辙主要为失稳性车辙。在交通荷载产生的剪切应力的作用下，路面层材料失稳、凹陷，产生横向位移。此类车辙的外观特点是沿车辙两侧可见混合料失稳横向蠕变位移形成的凸缘，凸缘出现在车辆轮迹的区域内，经碾压的路面材料的强度不足以抵抗交通荷载作用于其上面的应力，特别是重载车辆高频率通过，路面反复承受高频重载而产生。

经调查，该高速公路交通构成中，重载货车数量较多，而且行车速度慢。我国交通超载超限车辆比例大，轴载远超过我国标准轴载，甚至超过国际上最大标准轴载。据统计数据显示，轴载从10T依次增加到13T、15T、18T，剪应力高值的分布范围从面层下3～6cm依次增加到3～7cm、3～8cm、3～9cm，剪应力的最大值位置从4cm依次增加到4cm、5cm、6cm。由于剪应力产生失稳性车辙，说明随着轴载的增加，剪应力高值的分布范围由表面层向中面层转移，使产生失稳性车辙的深度增加，中面层更容易产生失稳性车辙，其次为表面层，再次为下面层。因此，承受重载慢速交通要求沥青混凝土有较好的抗车辙能力，即车速愈慢，要求沥青混凝土的抗车辙能力愈大。但是，目前我国公路设计中没有详细考虑此因素。

从调查结果来看，长大陡坡、急弯路段的车辙现象十分严重。超重载货车通常以20km/h的时速驶过爬坡路段，根据沥青材料的温度时间换算法则，在长时间的行车荷载下所产生的破坏基本等同于长期承受高温条件所导致的破坏，这种破坏作用会随着时间的延长而越来越严重。假使行车速度保持在100km/h，对路面沥青层的作用时间大概在0.02s左右，假设行驶速度降到20km/h，其对应的作用时间大改在0.1s左右。也就是说，在行车时速为20km/h时路面所产生的变形，基本等同于行车时速为100km/h时5遍路面所遭受的破坏。具有粘弹塑性的沥青混合料，纵坡越大，除应力增大和作用深度加深两个因素以外，行车速度慢、应力作用时间长也是造成路面车辙或者加重车辙破坏的主要因素。鉴于此，长大坡路段应该使用具有高强抗车辙能力的沥青铺筑路面，并且要在设计中应做特殊处理，以规避车辙现象。

路面结构类型设计应考虑长大纵坡与重载车辆的综合影响，防止车辙问题的产生。我国高速公路沥青混凝土路面结构一般为三层，通常上、中、下面层厚度分别为4、6、8cm。现行规范中强调中、上面层主要功能是防水，其次是抗车辙性能，导致我国沥青混凝土路面中、上面层结构普遍采用Ⅰ型结构，而实际上Ⅰ型级配属于悬浮密實结构，内摩阻力小，抗车辙性能差。通过对路面芯样进行抽提、筛分试验分析，沥青混合料级配不够理想。原设计集料筛分试验采用干筛法，造成实际级配粉料用量普遍偏大，影响混合料路用性能。从抽提结果来看，粗集料由于在取芯及切割分层过程中的破碎因素影响，通过率接近规范级配上限；而细集料通过率则普遍接近规范级配曲线中值，粉胶比较大，使得混合料为悬浮型结构，高温稳定性不够理想。

3.2 该高速公路车辙处治之铣刨修复养护施工工艺

①铣刨处理。

根据病害的情况，对车辙严重路段，铣刨原路面中、上面层。单车道铣刨宽度4m，双车道宽度8m，方向与原路中线平行，铣刨长度视病害长度，上面层铣刨深度4cm，中面层铣刨深度6cm，两侧预留10cm-15cm台阶。铣刨后，如遇雨天，沿硬路肩横向开挖排水沟，深度略大于9cm，便于雨水迅速排离作业面。

②清扫及检查下承层。

现场配备专门的清扫人员和设备。在铣刨过后的作业面上，先用两台专业清扫车进行反复清刷，再配以人工用钢刷清理死角，最后以10台大功率吹风机同时吹除废料及粉尘，做到作业面的干燥、整洁。也有用高压水枪冲洗的，其作业面潮湿影响进度、质量，不经济，不推荐采用高压水。

③路槽接缝处理：接缝处涂抹密封胶或乳化沥青，横向要经受车辆碾压，纵向要封水。

④洒布粘层油：改性乳化沥青粘层油。

⑤玻璃纤维格栅：灌缝后铺设玻璃纤维格栅，目的是为了防止路面疲劳裂缝及反射裂缝，延长道路使用寿命。按照铣刨前确定的裂缝位置，在下面层裂缝处铺设1m宽的玻璃纤维格栅，所使用的玻璃纤维格栅具有高抗拉强度、低延伸率、良好的耐高（低）温性。

⑥加铺改性沥青砼面层。

1）材料选择。

沥青——选择改性沥青（提高温度稳定性），使用低针入度、高软化点、低含蜡量的高粘度沥青可有效防止车辙的产生。

集料——选择粒形良好的与改性沥青黏附好的硬质石料（如玄武岩），适当的粉胶比：影响着高温动稳定度。

2）合理的级配选择。

充分发挥骨料的嵌挤作用，对密级配沥青砼而言，适当增大集料粒径，可提高抗车辙能力，但要注意摊铺厚度和公称最大粒径的关系2.5-3倍，会造成离析。

3）配合比设计。

按沥青面层所选定的沥青混凝土类型，均为热拌密级配沥青混合料。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）规定，对于中、上面层SBS改性的沥青混合料进行配合比设计时，动稳定度不应小于3000次/mm，混合料低温抗裂试验的弯曲破坏应变不小于2000。

4）沥青混合料拌制。

拌和时间由试拌确定，一般为干拌5s—加沥青拌和20s—加矿粉拌和20s—出楼。必须使所有集料颗粒全部裹覆沥青结合料，并以沥青混合料拌和均匀为度。

5）沥青混合料的摊铺。

连续稳定地摊铺，是提高路面平整度最主要措施。摊铺机的摊铺速度应根据拌和机的产量、施工机械配套情况及摊铺厚度、摊铺宽度，按1～3m/min予以调整选择，做到缓慢、均匀、不间断地摊铺。不应任意以快速摊铺几分钟，然后再停下来等下一车料。午饭应分批轮换交替进行，切忌停铺用餐。

6）沥青混合料的碾压成型。

沥青混合料的压实是保证沥青面层质量的重要环节，应选择合理的压路机组合方式及碾压步骤。为保证压实度和平整度，初压应在混合料不产生推移、开裂等情况下尽量在摊铺后较高温度下进行。如无粘轮现象，不得向压路机轮上涂油或油水混合液，必要时可喷涂清水或皂水。

4 结语

沥青路面车辙病害的产生是多种因素综合作用的结果，针对不同类型的车辙病害应采取不同的处治措施，本文以贵州某高速公路为例，阐述了铣刨修复养护施工工艺在高速公路车辙修复工程中的应用，各项路用性能均达到了预期的目标，取得了良好的社会和经济效益。

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