河西地区沥青路面车辙病害原因及防治措施
2021-08-26万娟霞马岢言李自齐
万娟霞 马岢言 李自齐
(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030)
0 引言
半刚性基层沥青路面是我国公路主要使用的路面结构形式[1-4]，虽然沥青路面具有较强的抗变形和承载能力，但是随着交通量日益增加、物流业快速发展致使货车的交通量增大、大型货车严重超载等因素使得沥青路面出现严重路面病害。其中，车辙沿着车辆轮迹带纵向延伸到整个公路里程，造成的破坏范围大，并且修补时常用的方法是将车辙部分的沥青路面铣刨后重新罩面，这样虽然暂时解决了车辙问题，可是修复造价极高。沥青路面车辙的出现会导致路面的行车舒适性和安全性下降。车辙导致的路面变形对大型车辆的行驶安全影响更大，可能会导致车辆侧翻。此外，路面车辙还会导致沥青面层厚度不一致，路面薄的部分由于厚度不足，极易产生裂缝、坑槽和水损害。
车辙的产生与车辆作用荷载、温度以及沥青路面结构形式等有关[5-10]。河西地区该研究路线所经地区属中温带干旱气候区，日照长、昼夜温差显著，夏季炎热而冬季寒冷。加之该路段交通量剧增，且重载货车占比较大，有必要分析温度和车辆轴载作用对沥青路面车辙的影响。
1 路面病害现状及原因分析
1.1 路面现状
该二级公路地处河西地区，路段总长为98.084 km。路面结构为4 cm厚AC-13细粒式密级配沥青混凝土(上面层)+5 cm厚AC-20中粒式密级配沥青混凝土(下面层)+20 cm水泥稳定碎石(基层)+20 cm厚水泥稳定砂砾(底基层)+15 cm厚天然砂砾(垫层)。
经现场调查，自通车以来，该公路路基段路面出现车辙共计38处，总长度21 205 m，总面积101 875.8 m2。车辙深度10 mm～15 mm的共有10 563 m，面积约46 020 m2；车辙深度大于15 mm的共有11 366 m，面积约61 647 m2。车辙病害主要集中于设有交通信号标志的平交路口、较长爬坡路段及超限检测站等路段(见图1)。
1.2 路面芯样检测结果分析
病害发生后，对车辙段沥青路面质量进行检测。发现上面层芯样空隙率、油石比不合格率为75%，矿料级配均不符合规范中AC-13级配范围的技术要求，表现为4.75 mm～13.2 mm筛的通过率偏低，0 mm～0.075 mm筛的通过率偏高即中粗料的含量及矿粉含量高。车辙处下面层芯样空隙率不合格率为25%，油石比与级配均符合规范中要求。无车辙处芯样所有指标均满足规范要求。
表明合理的级配及沥青用量是沥青路面减少车辙的必要条件。在设计配合比阶段，应保证在级配范围内混合料结构组成靠近紧密嵌挤骨架结构，在施工过程中，应重视生产配合比设计,严格按设计值及偏差范围进行控制。
1.3 交通量现状分析
根据本项目工可预测交通量，2019年日交通量为4 193辆(折算数5 871 pcu/d)，其中大货车及拖挂的汇总日交通量为1 079辆(折算数2 639 pcu/d)。
根据公路局在该路段A，B，C三处设置的观测站所测数据，得到2019年1月～6月全车型交通量和货车交通量增长情况，如图2，图3所示。
由图2，图3可知自2019年3月以后的交通量较以前有了大幅的增长，其中增长速度最快的是A段，3月较2月的增长率达到了365%(增量为13 871 pcu/d)；同期货车的增长速度更快，A段和里程加权的增长率分别达到了616%和252%，增量分别为13 747 pcu/d和10 023 pcu/d，根据不同车型的增长率得出该路段交通量增长的主要原因为货车交通量的大幅增加引起的。
由于国家出台政策取消二级公路收费，加之该公路路况水平大幅提升，大部分货车从高速公路转至该二级公路通行。此外，与该二级公路平行的某省道公路基本一直处于封闭施工状态，使得原行驶该省道公路的货车也转移至该二级公路行驶，以致实际交通量远远大于预测交通量，且多为重载车辆。
1.4 气候因素
7月～9月份河西该地区沥青路面表面温度超过60 ℃，车辆在停车等待时又排出大量的高温气体直接给路面进行加热导致停车区域路面温度比一般路段更高，重载交通下极易产生车辙。
2 高温、重载作用下沥青路面车辙深度分析
2.1 模型参数
因大量过境重型货车为降低运输成本，不愿选择高速公路通行，加之境内再无其他道路可供过境重型货运车辆通行，导致该段公路重型货运车辆大幅增加。经调查，重载车辆已日益成为该公路运输的主力。随着西北经济的发展，河西地区重载货车比例还将继续增加。这也给公路建设带来严峻考验，尤其在陡长上坡行驶路段、与交通信号标志的平交路口问题尤为严重。
本研究以规范中规定的双轮均布荷载为算例，研究不同载重(标准荷载和重载)、连续变温条件下沥青路面的车辙深度。
为了在分析河西地区路面车辙时将温度考虑进来，需要将温度场加入模型中。在沥青路面结构确定的情况下，影响温度场的主要环境因素有日太阳辐射总量、有效日照时间、日最高气温、日最低气温以及日平均风速等。温度场的产生主要由气温及对流热交换和路面有效辐射作用引起。这两类边界条件通过用户子程序定义，程序中引入随时间变化的外界温度。选取河西该路段所处区域夏季高温季节1 d 24 h的代表性温度变化如图4所示。
基于有限元分析软件Abaqus进行数值仿真模拟。路面二维模型见图5。模型宽3.75 m，厚度为3 m。本研究分别模拟了两种路面结构，路面结构组合形式见图6，图7。模型结构从上到下共6层，依次为AC-13(4 cm)，AC-20(5 cm)或ATB-25(8 cm)、水稳碎石基层(20 cm)、水稳砂砾底基层(20 cm)、天然砂砾垫层(15 cm)、土基。
本路段重载交通特征显著，模拟车辙时考虑轴重分别为100 kN，150 kN及200 kN。轮胎接地宽度为21.3 cm，通过计算，其对应的线荷载分别为117 371 N/m，176 056 N/m，234 742 N/m。上述模拟生成的温度场的引入是车辙计算的关键步骤。
2.2 沥青路面车辙深度分析
计算得到作用50万次后沥青路面的车辙见表1。
表1 路面车辙统计表
当仅考虑荷载单一因素作用时，沥青面层越厚，其车辙深度越小；而当仅考虑温度和荷载两因素对沥青路面车辙的影响时：结构一中温度因素对车辙的贡献率平均值为11.2%；结构二中温度因素对车辙的贡献率平均值为17.8%。表明随着沥青路面厚度的增加，温度对车辙的影响贡献也在增加。
同一轴重下，温度与荷载耦合作用下的车辙深度较荷载单独作用时显著增加：对于路面结构一，轴重依次在100 kN,150 kN，200 kN下的车辙深度增加幅度分别为13.0%，12.5%，12%；对于结构二，轴重依次在100 kN，150 kN，200 kN下的车辙深度增加幅度为22.5%，21.6%，20.8%。荷载与温度耦合作用下车辙深度较荷载单一元素作用时平均增加17.08%。
同一温度条件下(未加温度场或加温度场)，车辙深度与超载量呈几何倍数增长。
上述结构一和结构二的车辙模拟试验均为无重复双因素试验，对试验结果进行无重复双因素试验方差分析，结果见表2。
表2 路面车辙方差分析
分别给定显著性水平α为0.05和0.01，表中FA为温度场的检验统计量，FB为轴重的检验统计量。FAcrit，FBcrit分别为温度场、轴重检验统计量的临界值。对于两种结构，FAcrit0.05
3 结论与建议
3.1 主要结论
1)矿料级配和沥青用量与路面车辙的形成联系紧密。
2)由于二级路取消收费且与该二级路平行的某省道公路一直处于封闭施工状态，致使此路段交通量急剧增长，实际交通量远远大于预测交通量，且多为重载车辆。超载对路面结构的疲劳损伤与超载量呈几何倍数增长。
3)河西该地区夏季太阳辐射强，致路表温度过高，重载及高温耦合作用下极易产生车辙。荷载与温度耦合作用下车辙深度较荷载单一元素作用时平均增加17.08%。
3.2 该公路车辙防治措施建议
1)建议及时合理疏导现有严重超过路面承载力的交通量，加大治超力度，减少超载车辆数量，降低超载、超重车辆对道路的破坏程度。
2)重视级配设计。在设计配合比阶段，应保证在级配范围内混合料结构组成靠近紧密嵌挤骨架结构，在施工过程中，应重视生产配合比设计,严格按设计值及偏差范围进行控制。
3)对本项目已经出现车辙的路段，尤其是红绿灯十字路段，铣刨后及时进行路面补强处理，为进一步增强路面抗车辙能力，建议沥青混合料中掺加抗车辙剂。
4)为了减少河西地区高温对路面的影响，在慢速渠化交通的红绿灯路口、爬坡路段，可考虑在该路段两侧种树或在中午最高温时段进行路面洒水降温。但是，水的存在又会降低沥青的粘附性，产生集料剥落、坑槽等病害。洒水对路面的综合效益有待进一步研究。
