玉元高速公路元江段车辙产生的原因及处理措施

张冰清

(云南省交通投资建设集团有限公司，云南昆明 650228)

0 引言

随着道路交通越来越发达，交通量和重载车辆随之增多，沥青路面发生的病害也越来越严重。其中，车辙是高速公路最常见的病害，若不能得到有效解决，将严重影响路面的耐久性和行车的安全性、舒适性。

目前，中国道路特别是高速公路，广泛采用沥青路面，但是随着通车里程飞速增长，汽车工业技术提升，交通量、车辆荷载不断增加，加上各地区持续高温时间增长，很多新建道路在短时间内就出现了严重的车辙破坏。

相关学者对路面车辙病害进行了研究。杨俊泉等研究发现，车辙是山区半刚性沥青路面的主要病害，其中重载交通、长大陡坡和路面结构组合与材料选择不当是车辙产生的主要原因［1］。陈博等研究认为，重载货车以较低时速驶过爬坡路段时，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所导致的破坏，因此山区高速公路应该使用具有强抗车辙能力的沥青铺筑路面［2］。徐世法分析了车辙深度对于车辆制动性和操纵稳定性的影响，并从行车安全性的角度出发，提出了理论的容许车辙深度。王陆平对车辙深度进行数值模拟，分析得出了轴次、沥青面层铣刨重铺厚度、车辙深度三者之间的数学模型以及使沥青路面维修后车辙最小的优化方案。本文结合玉元高速公路路面状况，分析路面车辙病害的类型及产生的原因，提出具体的处治措施，并对实际工程应用效果进行评价。

1 工程概况

玉元高速公路是国道213线昆明至曼谷通道的重要路段，起于玉溪高仓，与昆玉高速公路相连，止于元江二塘桥，与元磨高速公路相连，全长112.091 km。玉元高速公路部分路段设分离式路基，宽度为10.75 m，采用高低路基宽度分别为9.25 m与12.25 m的组合路基断面。全线路拱横坡为2%，以中央分隔带边缘为旋转轴。车辆荷载等级为汽车-超20、挂车-120。

由于玉元高速公路处于哀牢山脉，沿线山峦连绵，沟壑纵横，地形地貌复杂，地质水文条件差，因此玉元高速公路建设具有桥隧相连、深挖高填、坡陡弯多、环保难度大、边坡治理难等特点，是云南公路建设史上较为艰巨的工程项目之一。经多年的运营，玉元高速路面出现不同程度的病害，其中元江段的路面病害严重，车辙病害最为突出，而且每次处治后短时间内就再次复发，严重影响行车安全和路面服务质量。为了更好地解决该路段的车辙问题，提高路面服务质量、行车安全性和舒适度，在分析车辙成因的基础上，采用具体的处治措施，并根据实际交通流量和处治后的跟踪观测，评价车辙处治效果。

2 车辙类型及成因分析

2.1 车辙的类型

目前，国际上将车辙分成以下几种类型。

(1)失稳型车辙。在高温状态下，沥青混合料的高温稳定性降低，行车荷载作用使内部材料发生横向流动变形从而产生车辙［3］。

(2)结构型车辙。当道路路基强度不足时，在行车荷载作用下路面结构产生整体永久变形而形成车辙［4］。

(3)磨耗型车辙。沥青顶层磨耗层在车轮磨耗和自然环境因素交替作用下持续不断地损失而形成车辙。

(4)压密型车辙。在沥青路面施工过程中若压实度不足，通车后经行车反复作用，轮迹带下的面层继续受到压实，从而产生压密变形［5-6］。

2.2 车辙的影响因素

导致沥青路面出现车辙的因素很多，总体可归纳为内在因素与外在因素。内在因素主要包括路面材料质量和路面结构，外在因素则包括气候条件及交通条件等［7-9］。内在因素细分则包括矿质集料特性、级配、沥青胶结料性能、沥青与矿料之间的相互作用及路面结构等［10-12］。

2.3 玉元高速元江段车辙的成因分析

通过对玉元高速公路元江段的车辙病害进行现场调研，认为该路段的车辙属于失稳型车辙，见图1。同时，对比玉元高速元江段和其他路段，发现在矿质集料特性、级配、沥青胶结料性能、沥青与矿料之间的相互作用及路面结构等因素方面，两者完全相同，说明造成元江段特殊车辙病害的主要原因是外部因素。

(1)气温。玉元高速公路元江段地处低纬高原，属季风气候，冬夏半年各受2种不同的大气环流影响。冬半年(即干季11～4月)受北非及印度北部大陆干暖气流和北方南下的干冷气流影响，空气干燥温暖，降水量少，蒸发快，晴天多，日照充足。夏半年(即雨季5～10月)受印度洋西南暖湿气流和太平洋东南暖湿气流的影响，空气湿度大，降水量多，多阴寡照。该地区年平均气温12℃～24℃，4～6月份气温28℃～42.5℃。对元江地区和玉元高速其他段落月平均高温进行调研，结果见图2，可以看出，元江地区每个月的平均高温比沿线其他地区高10℃，同时每年玉元地区4～7月份温度最高。

图2 玉溪、元江月平均高温数据

(2)交通量。玉元高速公路是云南的第一条高速公路，连接昆明、西双版纳、缅甸等地，交通量较大。对玉元高速公路交通量变化情况进行统计，结果见图3。可以看出，除去春节和国庆节的节日影响外，每年4～6月份玉元线的交通量都有一个大幅度的增加，原因是每年4～6月有大量缅甸、越南、泰国等地的水果集中运输到内地，而且大多采用重载大货车。统计玉元高速公路历年的养护数据得知，每年4～6月份正是玉元高速公路元江段车辙病害的高峰期。

图3 玉元高速公路月平均交通量

综合以上分析发现，气温变化、交通量和车辙发生规律是一致的，因此可以认为:导致玉元高速公路元江段发生车辙病害的主要原因是高温、重载、交通量大;在元江县高温条件下，沥青混合料的动稳定度降低，重载交通的作用使沥青路面内部材料发生横向流动变形而产生车辙。

3 车辙处治措施

3.1 初步设计

导致玉元高速元江段车辙病害的原因是高温和重载交通2个外部因素，而且无法避免或改变，因此要想解决该段的车辙病害就要从矿质集料特性、级配、沥青胶结料性能、沥青与矿料之间的相互作用及路面结构等方面考虑，以提高沥青混合料的高温性能［13-18］。

通过详细的路面检测后，确定玉元高速公路K190～K191是车辙病害较多且易再次发生的路段。车辙易发生的路段路面结构为:4 cm AC-13+5 cm AC-20+6 cm AC-25。在现场检测分析的基础上，决定采用以下处治方式:铣刨6 cm，铺设5 cm AC-20混合料(加抗车辙剂)及1 cm微表处结构层。

沥青混合料的用油量越多，骨料粒径越小，抗车辙能力越差，由于AC-20混合料采用的是普通的石灰岩，磨耗性低于玄武岩，因此采用AC-20来代替原来的AC-13混合料;并通过添加抗车辙剂进一步提高沥青混合料的高温性能;为了提高路面的抗磨耗性能，铺设1 cm微表处作为磨耗层［19-21］。

3.2 车辙处治

对玉元高速公路K190～K191(下行)段路面铣刨后，填充裂缝并铺设抗裂贴，然后铺设AC-20混合料和微表处，AC-20混合料采用普通70#沥青和Domix改性剂。

Domix改性剂是表面呈灰黑色的固体颗粒，适用于各类型沥青混合料中，能显著提高抗车辙能力，改善低温抗裂性能，减轻因交通荷载所造成的路面疲劳破坏，提高沥青混合料力学性能指标，增强沥青和集料的黏附力，减轻路面剥落病害的发生，并且可以改善沥青抗老化性能，尤其是因紫外线辐射所导致的老化［22-25］。

通过室内试验确定混合料矿料级配，如表1所示。

表1 矿料级配

对 Domix掺量为 0.2%、0.4%和 0.6%的沥青混合料进行室内马歇尔试验，结果如表2所示。

表2 不同Domix掺量的混合料马歇尔试验结果

由试验结果可看出，添加Domix的沥青混合料各项体积参数均满足要求，而添加0.4%Domix的沥青混合料的空隙率为4.1%，符合设计空隙率，因此以0.4%为Domix掺量对混合料的各项路用性能进行试验，并与不添加抗车辙剂的AC-20混合料进行对比，结果如表3所示。

从性能对比结果可以看出，添加0.4%Domix的沥青混合料的抗水损害性能、低温抗裂性能和疲劳寿命均与未添加Domix的混合料相当，而动稳度增加约3倍。可见，Domix添加剂可以有效提高沥青混合料的高温抗车辙性能［26］。

表3 两种混合料的性能对比

微表处采用 ES-2型级配，乳化沥青用量为12%，混合料的稠度、湿轮磨耗以及碾压粘砂试验结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。合成级配如表4所示。

表4 微表处级配

4 应用效果

2015年4月初，在K190+000～K190+500下行线行车道进行了车辙病害处治，施工效果较好，随后每年对该路段的车辙、平整度和抗滑性能进行跟踪观测。经过2年的高温、重载作用和雨季的考验，该路段路面未产生明显的车辙且整体路况较好。对该路段施工前后及历年的路面平整度、车辙深度、横向力系数进行检测，结果如表5所示。

表5 各项指标历年检测结果

根据检测结果可知，实施养护后，原路面的平整度、车辙深度和抗滑性能均得到了很大改善，平整度和车辙深度分别下降约45.8%和80.6%，横向力系数增加约28.5%。各指标随时间的增长逐渐呈现衰减趋势，并且衰减速度先慢后快。至2017年，平整度、车辙深度、横向力系数等指标仍然优于处治前，可见车辙处治效果较好。

5 结 语

沥青路面产生车辙等病害，不仅与设计、施工等路面形成前的环节有关，而且与所处气候条件、运营情况、养护等密切相关。因此，要减少车辙病害需从设计、施工、养护管理各环节上给予重视。当路面出现车辙后，应在深入研究车辙产生的机理和原因的基础上，采用对应的措施进行处治，提高路面的服务质量，保证行车安全。

(1)玉元高速公路K190～K191段车辙病害主要是由于高温、重载和交通量大引起的，采用铣刨6 cm、铺设5 cm AC-20(加抗车辙剂)混合料及1 cm微表处结构层的措施予以处治。

(2)铣刨后出现的裂缝采用热改性沥青进行填充，然后铺设抗裂贴，这样可以有效减少处治后反射裂缝的产生。

(3)添加0.4%Domix的沥青混合料抗水损害性能、低温抗裂性能和疲劳寿命均与未添加改性剂的混合料相当，而动稳定度可增加约3倍。

(4)微表处采用 ES-2型，乳化沥青用量为12%，混合料的稠度、湿轮磨耗以及碾压粘砂试验结果均满足规范要求。

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