青岛地区典型道路车辙病害分析及处治措施

刘明　王晨　刘建国　杨飞

摘要 沥青属于典型的粘弹性材料，在重载、缓行、渠化等状况下，车辆荷载对路面的剪应力增大，更易产生车辙。文章基于调研青岛地区出现车辙病害的实体工程基础上，对不同结构组合车辙病害主要形式、车辙病害发生的层位及车辙产生的原因进行了分析;通过中面层芯样的抗剪强度试验，构建了抗剪强度与空隙率的函数模型。并结合工程调研和试验结果，提出了车辙病害处治措施。

关键词 疏港道路;车辙;劈裂强度;芯样

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）09-0147-03

前言

国内交通运输行业发展迅速、车辆的渠化行驶及车辆荷载的增加，导致车辙变形越来越严重。这种病害在国内各大城市道路交叉路口，由于车辆频繁地制动和启动，拥包、车辙等变形类损坏现象更加严重。

青岛地区大量疏港车辆进出港区不仅给周边道路造成了较大的交通压力，而且在大型车辆的反复作用下，通车几年后造成传统沥青路面（沥青面层+半刚性基层）不同类型、不同程度的坑槽、车辙甚至龟裂等早期损害，降低了路面的服务水平和寿命。

同时港区道路交叉路口，刹车及加速比较频繁的区域经常性地出现失稳型车辙病害。这一病害在重载车辆通行的疏港道路平交口尤为严重，经过疏港现场调查、取芯分析车辙深度可达到10 cm以上，严重影响行车安全。

1 青岛地区典型道路车辙病害调研

1.1 青岛地区典型道路结构早期破坏形式

剪切损坏是青岛地区疏港道路早期破坏的突出表现，早期损坏在路面上的表征有各种形式：裂缝、水损害、车辙、拥包变形等。青岛地区等级较高的公路，如国省道和城市主干道路面表面病害中以车辙尤为严重（如图1所示），病害的出现具有鲜明的特点。

层内剪切破坏的发展形态：抗滑功能丧失→推移→隆起→松散→坑槽;

层间剪切破坏：侧向推移（上坡、小半径）、纵向推移（下坡）。

1.2 青岛地区典型道路车辙病害取芯分析

为确定结构层厚度和车辙发生的层位，分别在典型道路同一断面的辙槽底部、车辙病害隆起处以及同一断面硬路肩正常位置钻取直径为10 cm的芯样，芯样各结构层厚度如表1所示。

表1数据显示，青岛地区典型结构发生的车辙属于失稳型车辙。且三层结构设计时车辙多是由中面层推移剪切破坏导致的;两层结构设计时上、下面层均有不同程度变形隆起。

2 沥青混合料抗剪强度函数模型的构建

结合青岛市S329项目钻取芯样进行中面层芯樣理论密度和毛体积密度试验，计算芯样空隙率。同时利用UTM设备进行中面层芯样抗剪强度试验，并绘制抗剪强度与空隙率的关系曲线图，如图2所示。

由图2可知，芯样抗剪强度随着空隙率增大，逐渐减小;芯样抗剪强度与空隙率具有显著相关性，利用指数函数拟合后的相关系数R=0.88。因此，拟利用拟合所建立的函数对不同试件的抗剪强度进行修正，修正方法如下式所示：

（1）

式中，——目标空隙率对应的抗剪强度（MPa）;

——试件实测抗剪强度（MPa）;

——目标空隙率;

——实测空隙率。

3 车辙病害原因分析及处治措施

3.1 车辙病害原因分析

车辙发生过程经历以下三个阶段：①混合料继续压密阶段→②结构层变形稳定阶段→③结构层剪切失稳阶段[1-3]。

3.1.1 混合料压密阶段

沥青混合料是在碾压前由集料、沥青和空气组成的黑色固态混合物。碾压后的半流动沥青和由沥青和矿粉组成的浆料在高温下被挤入矿料间隙中，骨料受力重新排列成骨架密实结构。碾压完成并通车后，随着车辆加载，压实过程会进一步发展，沥青混合料体积的变化，产生塑性变形。

3.1.2 结构层变形稳定阶段

在高温作用下，沥青混合料处于以粘结为主的半固态状态。车辆荷载作用下，沥青和沥青砂浆首先在荷载作用下流动导致混合料骨架结构失稳。第二阶段变形以基本恒定速度缓慢发展，体积变化不大且剪切变形逐渐开始。

3.1.3 结构层剪切失稳阶段

高温下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载的作用下首先流动，混合料中粗细集料骨料组成的骨架成为荷载主要承担者，再加上沥青润滑作用，硬度较大的矿料在荷载的直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，流向混合料的自由面，从而导致矿质骨料的重新排列以及矿质骨料的破坏。这一阶段为沥青混合料的剪切流动变形阶段，并不再有体积变化。

通过对疏港道路调研初步分析路面所出现的早期车辙病害与以下几方面有关：

内部因素：①路面材料选材及施工控制虽满足规范要求但偏弱，成品路面不足以抵抗荷载作用力;②设计概念误区，认为目前当地道路采用的结构即为最优的结构形式，而没有充分考虑轴载、交通流的差异对结构层的影响，也没有针对各结构层的层位功能进行精细化合理设计。

外部因素：①道路路段上超载和超限车辆是造成疏港路路面剪切损伤的主要诱因。②大量渠化行驶的重型车辆慢速行驶，行驶速度的降低延长了轴载在路面上的作用时间，加重了车辙的产生，加速了路面的早期损伤。③夏季的高温作用，使材料的模量降低也会进一步影响路面的承载力[4-5]。

3.2 车辙病害处治措施

建议针对类似的疏港道路和平交道口位置进行结构增强专项设计，罩面加铺前对原有道路病害进行彻底挖补处理，避免在旧路上面层上直接加铺。目前针对车辙病害提出的解决方案主要有以下几种：

（1）通过在沥青混合料中加入抗车辙剂，提高沥青混合料的高温稳定性和路面结构的抗车辙性能。该方式优点是添加方便，缺点是抗车辙剂种类较多、质量和效果差异性大，造成路面抗车辙能力和抗老化性能差别很大。

（2）采用硬质集料和新一代高品质耐久型沥青和沥青混合料，具体技术要求见表2和表3（结合料采用PG 82-22的低标号高劲度沥青），该方式提高了沥青混合料的耐高温性、抗水破坏性、抗裂性和耐久性。解决了沥青混合料的抗裂、抗车辙和水密性协同提高的问题，从根本上减少了车辙的发生。

（3）铺筑半柔性路面结构，半柔性路面厚度方案为：（至少8 cm半柔性路面），其下设置抗裂下承层（2 cm沥青胶砂、AC-10或3 cmAC-13F），层间联结采用热沥青碎石封层或高固含量乳化沥青。

4 结论

通过青岛地区典型道路车辙病害调查及试验研究，得出如下结论：

（1）青岛地区典型结构发生的车辙属于失稳型车辙。且三层结构设计时车辙多是由中面层推移剪切破坏导致的;两层结构设计时上、下面层均有不同程度变形隆起。因此需要强化中面层设计及施工控制。

（2）通过中面层芯样抗剪强度试验发现，空隙率增大芯样抗剪强度逐渐减小，且相关性良好。基于试验数据构建了沥青混合料抗剪强度函数模型：。

（3）青岛地区道路设计时应充分考虑轴载、交通流的差异对结构层的影响，有针对地对各结构层的层位功能进行精细化合理设计。

参考文献

[1]沙庆林. 高速公路沥青路面早起破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社， 2001.

[2]虞将苗， 詹小丽， 卢亮.沥青混合料抗车辙能力优化设计[J].公路交通技， 2009（9）： 1-5.

[3]郭峰. 浅析沥青路面有限元模型尺寸的选取[J].洛阳理工学院学报， 2010（4）： 25-27.

[4]郝识君.高速公路沥青路面车辙检测与防治措施研究[J].四川水泥， 2018（1）： 36.

[5]张宇.抗车辙沥青路面的设计及应用研究[J].交通科技， 2014（1）： 72-75.

收稿日期：2022-03-15

作者简介：刘明（1982—），男，本科，高级工程师，研究方向：公路交通工程。