文章编号:1671-2579(2008)05-0068-03高速公路大纵坡和连续上坡沥青路面车辙病害调查分析梁 毅1,关宏信2,张起森2,徐 暘3,4(1.四川雅西高速公路公司,四川成都 610041;2.长沙理工大学;3.湖南省交通规划勘察设计院;4.中南大学) 摘 要:车辙已经成为高速公路沥青路面主要病害,大纵坡和连续上坡路段尤其严重。
该文以国内某两条高速公路大纵坡和连续上坡沥青路面车辙病害跟踪调查数据为基础,从环境温度、行车速度、轴载和材料性能及结构方面分析了车辙产生的客观原因。
分析表明,大纵坡和连续上坡沥青路面车辙控制应结合路段实际条件开展结构组合和材料设计。
关键词:沥青路面;大纵坡;连续上坡;车辙收稿日期:2008-04-02作者简介:梁 毅,男,教授级高工. 山区高速公路为克服高程,避免工程造价过大,往往在线形指标上不如平原微丘区那样富余,回旋余地较小,通常平曲线半径较小,纵坡较陡、较长,当超载车辆在上坡段行驶时,往往在通车后几年甚至几个月就产生了严重的车辙。
如何尽量减轻车辙病害,已经成为山区高速公路建设需要迫切解决的问题。
1 工程背景调查路段一:A 高速公路某段为山岭重丘区高速公路,双向四车道、全互通、全封闭,南行K15+900～K39+180路段有多段大纵坡上坡,北行方向K39+180～K52+180路段连续上坡,2003年4月建成通车。
调查路段二:B 高速公路某段双向六车道,1999年10月建成通车。
两个调查路段路面结构如表1所示。
表1 调查路段沥青路面结构结构层A 高速公路B 高速公路表面层 4.5cm SMA -16Superpave4cmA K -16AB 中面层 5.5cmAC -20Ⅰ5cm 调整型AC -20下面层6cmAC -25Ⅰ6cmAC -30Ⅰ基层36cm6%水泥稳定碎石28cm 水泥稳定碎石20cm4%水泥稳定碎石34cm 石灰土2 车辙病害(1)A 高速公路A 高速公路通车当年经过酷暑后部分路段路面出现了较严重车辙,于2003年12月重点对上坡路段车辙进行调查,车辙情况见表2。
由于种种原因,2004年仅对车辙较严重的路段进行了临时处治。
表2 A 高速公路上坡路段车辙分布情况车辙深度/mm车辙路段占全线比例/%≥1514.3015～208.220～251.0≥250.6 经过1年多的运营,车辙进一步发展,于2005年4月又对车辙深度2cm 以上的路段进行处治。
针对不同的车辙状况采用了3种方案进行处治(表3),表中FAC 层均为先挖除原路面对应结构层,然后重新铺筑FAC 层。
又经过近2年的运营,2007年1月再次进行检测时发现,一方面处治后的路段车辙有明显改善,平均车辙深度大部分在10mm 以下,说明铣刨后重铺的方法可以快速修复车辙病害,在短时间内可以提高路面行车安全性,但同时车辙问题仍然是该段最主要的病害86 中 外 公 路第28卷 第5期2008年10月表3 A高速公路2005年4月车辙处治方案方案上面层中面层下面层基层方案Ⅰ 4.5cm FAC-13改性沥青原路面中面层原路面下面层原路面基层方案Ⅱ 4.5cm FAC-13改性沥青 5.5cm FAC-20改性沥青原路面下面层原路面基层方案Ⅲ 4.5cm FAC-13改性沥青 5.5cm FAC-13改性沥青6cm FAC-25改性沥青原路面基层形式:①车辙路段主要位于南行方向(大纵坡)主车道,平均车辙深度集中在15～30mm,少数路段平均车辙深度超过40mm,如S K27+900～S K28+200段右轮迹位置平均车辙达到40.5mm,最大车辙达到65 mm;②北行方向(连续纵坡)车辙主要集中在爬坡车道,在设置了爬坡车道的路段,车辙比同路段主车道车辙深,局部平均车辙达到15～25mm,说明爬坡车道发挥了分流重车的作用。
(2)B高速公路B高速公路2002年9月调查时发现,K121～K137段的许多上坡路段在较短的时间内出现严重的高温车辙变形,较大车辙深度达到5.3cm。
根据现场钻取芯样的分析,路面产生车辙处各层厚度变化情况主要在中下面层,其中下面层的厚度变化尤为突出,沥青混合料中的粗骨料明显产生横向蠕动。
根据对钻取芯样抽提出的级配变化情况分析,上面层、中面层混合料的级配没有发生明显的变化,而下面层混合料的组成发生了明显的变化。
3 车辙成因分析(1)高温A高速公路自动气象站逐分钟路面温度、气温资料显示,2003年3月～2005年8月间,晴天平均14:00路面温度(测试路段为SMA16表面层,其热容量较高,升温不明显)在全年有11个月都超过30℃,其中5～9月达到48.4～53.3℃(月平均气温达到31.1～33.9℃),年平均晴天14:00路面温度达到41.8℃(气温达到26.3℃)。
而且在2004年6月27日～7月3日和2005年7月14～21日当地发生了两次典型的高温天气过程,这两次高温过程路表温度最高都接近60℃,而且路表超过55℃持续了3d。
如果考查沥青面层下2cm的温度,以上路面温度数据还将增加,而且在表面层为A K-16的路段,这个数据还将变大(有关实测数据表明,大气温度35℃时A K-16表面温度达到了61℃)。
因此,可以说A高速公路调查路段之所以频繁产生车辙病害,与高温有直接的关系。
2002年7月8日～7月17日,以及7月31～8月3日,B高速公路调查路段遇到50年一遇的持续高温天气,根据气象部门的实测资料,当地的最高气温超过历史最高气温42℃,达到42.1℃。
并且超过35℃的持续时间之长也是少见。
在几天的持续高温下,路面温度根据有关单位现场的简单测试,沥青路面2cm以下的实际温度接近80℃。
远远超过了所使用沥青(加德士A H-70普通重交沥青)的软化点,这正是产生车辙现象的主要原因之一。
(2)慢速上坡路段越接近顶部车辙越严重,如对A高速公路调查路段南行约23km连续上坡路段采用雷达测速仪实际测量车辆行驶速度结果显示,货车坡顶平均上坡车速41km/h,北行多段大纵坡上坡中最低车速仅28.11km/h,最高也仅55.5km/h,充分说明慢速导致上坡段频繁产生严重车辙。
再如B高速公路调查路段开始发生车辙的路段一般在上坡段坡角以上几百米的位置,该位置一般重型车辆的速度不超过50km/h,由于车重速低,有些重车只能局部蛇行前进,因此对路面的破坏作用相当大。
众多的研究已经表明,与小纵坡相比,大纵坡路段沥青路面受到的水平分力更大,而且车辆行驶速度更慢;与短纵坡相比,连续纵坡不仅车辆行驶速度普遍较慢,而且到达长纵坡顶部时速度更慢,因此导致纵坡沥青路面产生严重车辙。
(3)重载A高速公路调查路段2003年的轴载调查显示,货车比例大,南行方向货车313辆,其中超载车278辆,占85.2%,北行方向货车194辆,其中超载车165辆,占88.3%。
特别是近年经济的快速增长,省际物流也快速增长,作为进出该省的南北交通大动脉的A高速公路该段交通量也不断增长。
从轴载数据可以看出,与北行连续上坡路段相比,南行大纵坡路段货车数量多、轴载重,导致车速慢(车速调查已经证明了这一点),重载与慢速的综合影响导致南行大纵坡比北行连续纵坡车辙严重。
B高速公路调查路段2002年的轴载调查显示,中大型货车比例超过30%,车轴重在14～23t所占的比例最高,其中最重单轴可达到33t。
而车辙调查显示,96 5期 高速公路大纵坡和连续上坡沥青路面车辙病害调查分析 车辙现象集中在大纵坡顶部,同样说明重载与慢速联合导致出现车辙。
(4)材料性能及结构组合从沥青类型、上面层沥青混合料类型、中面层沥青混合料类型的组合情况来看,单从改善表面层沥青混合料抗车辙性能这个角度很难达到理想的抗车辙效果,需要上中下三层综合考虑。
A高速公路调查路段原设计表面层虽然采用了SMA16(动稳定度6750次/mm),但中面层却是抗车辙性能差的重交沥青AC-20Ⅰ[而现行的《公路沥青路面施工技术规范》(J T G F40-2004)规定,AC-20Ⅰ作为中面层用在重载及长大纵坡路段抗车辙性能明显不足],下面层是AC-25Ⅰ(动稳定度2097次/mm),而已有研究表明,中面层对沥青路面抗车辙性能的好坏影响巨大,这也是导致通车半年即出现严重车辙的一个不容忽视的因素,2005年维修时也发现部分路段三层面层都产生了车辙。
该路段2005年进行车辙处治时,虽然将中面层改为改性沥青FAC-20,下中面层改为改性沥青FAC-25,但同时表面层因为各种原因没有采用SMA,而换成了改性沥青FAC-13,到2007年检测发现车辙情况有所改善(这主要源于处治措施采用的是多层改性沥青混合料),同时,虽然采用了三层改性沥青,仍然出现了比较严重的车辙,从这个角度讲,结构组合不合理可能是该路目前仍然被车辙困扰的主要原因。
在B高速公路调查路段区域内的温度气候条件下,沥青应当满足Superpave分级P G64-22的标准要求,即相当于我国A H-70重交通沥青技术标准的要求。
但是在特殊条件下,应当提高沥青胶结料的高温等级,例如重交通坡度大的路段应提高两个高温等级才能满足行车条件的要求,即应当采用满足P G76 -22的改性沥青,大致相当于我国SBS I-D标准的沥青。
而B高速公路调查路段沥青面层全部采用加德士A H-70重交沥青,只相当于满足了P G64-22的Superpave标准要求,直接导致了上坡路段产生严重车辙。
B高速公路调查路段沥青路面上面层按照Super2 pave设计方法设计A K-16AB,级配设计采用骨架密实性沥青混合料,施工控制按照马歇尔方法进行,中面层也是按照Superpave方法对AC-20做的调整,级配基本靠近骨架密实结构,下面层使用的是规范标准的AC-30Ⅰ沥青混合料,该沥青混合料属于骨架悬浮结构,抵抗车辙变形能力相对较弱。
调查发现,该路段下面层也产生了车辙,一方面说明长上坡路段车辙比小纵坡路段严重;另一方面说明长上坡路段应该重视下面层混合料的抗车辙性能。
4 结语大纵坡和连续上坡这种特殊条件下的沥青路面,容易在温度、轴载和汽车行驶速度的联合影响下产生车辙病害。
本文通过实际车辙调查,定性地分析了病害产生原因,得到大纵坡和连续上坡沥青路面抗车辙的几点措施。
(1)应考虑大纵坡和连续纵坡路段沿线气候特点,以其极端气温对应的路面温度为基础,在沥青混合料组成设计时应尽量提高其软化点等与温度相关的性能指标。
(2)应经过详细的交通量调查,确定日交通量,特别是轴载组成,充分估计交通量的增长率,特别是重载车的情况。
(3)应尽量全面考虑上坡车速的影响因素,如坡度、坡长、车辆爬坡性能、爬坡车道等。
(4)应在研究温度、轴重与车速组合的基础上,在路面受力最不利状况下研究车辙标准。