摘  要：在对道路交通及车辆状况特征进行广泛调查的基础上，确定西禹高速属于重载交通，并对该路沥青路面存在的病害进行调查，主要存在车辙、裂缝类及沥青膜剥落三大类破坏，依据现场钻芯试验分析了病害的成因，为进一步采取预防和处治措施，有针对性的改善不同路段的路面使用性能，提供了依据。
关键词：公路工程 重载交通 沥青路面 损害类型 成因分析
The research on the asphalt pavement diseases types and cause under heavy traffic conditions
GUAN  Xiaojing 1 ，XU  Yuan 2
(1. Baoji Highway Construction Bureau，Baoji Shaanxi  721008， China；
2. Shaanxi Expressway Construction Group，Xi’an Shaanxi  710000， China)
Abstract： With.
Key words：  Highway engineering；Heavy traffic conditions；Asphalt concrete pavement；Pavement diseases type；Pavement Preventive Maintenance Measures
1.引言
近年来，随着我国经济建设的发展，对交通的需求日益增加，公路建设得到了迅猛发展，道路交通状况发生了巨大的变化。高速公路上交通量大，交通组成中重型车辆占较大比例，而且总质量、轴载质量呈增加趋势，沥青路面在使用过程中，受交通荷载以及环境因素等相关条件的综合影响，出现了不同形式的路面早期损害现象，路面使用性能下降，极大的降低了路面的使用寿命，增加了路面维修养护的成本。笔者在广泛收集西禹高速公路交通调查资料的基础上，根据道路交通的实际状况，通过对部分重载交通路段进行路面病害进行调查，采用现场试验对路面病害成因进行了分析，为进一步采取切实有效的预防和治理措施，有针对性的改善不同路段的路面使用性能，提高路面服务品质提供了依据。
2.交通调查
西安至禹门口高速公路（以下简称西禹高速公路）是国家公路网中G5（北）京～昆（明）线在陕西境内的重要路段，也是陕西省新规划的“两环六辐射三纵七横”高速公路网公路主骨架中从东北至西南方向辐射线的重要组成部分，地处关中平原东北部。起点位于西安绕城高速公路新筑立交，终点在韩城市以东与禹门口黄河公路大桥相接，沿线途经能源矿产资源丰富的渭北黑腰带区域合阳、澄城、浦城、富平等，是陕西通往华北、西南的交通大动脉。
根据西禹高速公路2007至2009年的交通量调查数据资料，经统计分析如表1所示：
表1  西禹高速年平均日交通量统计表
观测区段        断面桩号        年平均日交通量PCU（辆/日）
                2007年        2008年        2009年
富平-荆姚        K51+000        14138        12550        14019
荆姚-蒲城        K87+000        14532        13100        13681
蒲城-孙镇        K103+000        3301        6689        8205
孙镇-澄城        K121+000        4147        7100        9601
澄城-合阳        K154+000        4259        7561        9667
芝川-韩城        K200+500        4024        4057        5661
韩城-龙门        K211+000        5211        4475        6059
龙门-禹门口        K212+100        4183        5453        6816
全线平均        6724        7623        9214
年均增长率（%）        —        13.37        20.87
由表1数据可以看出，西禹高速公路8个观测区段中，交通量分布不够均衡，交通流量主要分布在富平～荆姚和荆姚～蒲城区段，交通量已超过10000 辆/日，而芝川～韩城、韩城～龙门、龙门～禹门口这三个区段交通量相对较小，在6000 辆/日左右。从07年至09年交通量逐步增长，2008～2009年交通量增长相对较快，增长率达到了20.87%，2007～2009年全路段交通量年均增长率为17.06%，2009年全线年平均日交通量已达9214辆/日，其中车型构成比例如表2所示。从表中可以看出2007～2009年交通量中各车型比例均保持较平稳的趋势，近3年来客货车比例变化不大，货车比例占40%左右。 
表2  车型构成比例表（%）
年份        小客        大客        小货        中货        大货        特大货        集装箱        拖挂        客车比例        货车比例
2007        53.95        5.13        10.90        10.85        10.62        3.49        0.33        4.74        59.08        40.92
2008        55.87        6.54        9.68        9.48        9.41        3.20        0.15        5.67        62.41        37.59
2009        55.30        6.10        9.67        10.12        10.44        2.93        0.12        5.33        61.40        38.60
根据交通量数据统计，2007-2009年交通量年平均增长率约为17%，采用该增长率对西禹高速公路2010-2021年交通量进行预测，经预测2021年年平均日交通量将达到60629辆。 
根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中规定设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne大于2.5×107（次/车道）属于特重交通，计算设计Ne，通过交通量调查资料得知N1为5314.3，设计年限t取15，年平均增长率γ取0.17，车道系数η取0.45，推算出Ne的值为4.90×107（次/车道），根据计算的Ne已为规定值的2倍，属于特重交通。
3.重载交通下沥青路面病害类型及成因分析 
路面结构在正常工作中，经受着交通车辆和多种自然环境因素(气象、水文、地质等)的作用，路面病害的发生是多方面因素综合作用的结果。随着交通流量逐年增长，最主要的是货车、重载车比例的不断增长，在重交通荷载的重复作用下，部分路段路面出现一定程度的功能性损坏。本路段路面主要病害以车辙、裂缝类病害为主，部分路段抗滑性能有所降低。为了解西禹高速公路现有路面的结构组成、层间粘结、沥青混合料性质等情况，分析部分路段出现病害的原因，选取了代表路段和位置分别进行钻芯取样，通过试验了解沥青混凝土芯样各结构层的物理力学指标检测、沥青三大指标试验并作出分析。
3.1车辙
车辙一般是在温度较高的季节，沥青面层在车辆的反复碾压下产生永久变形和塑性流动而逐渐形成。车辙是西禹高速的主要病害之一，多发生在行车道，调查发现行车道车辙深度基本在5-10mm左右，局部严重的段落超过15mm。车辙形成的机理有两种情况：(1)沥青面层本身的压实。随着车辙的反复碾压，空隙率不断减少，待达到极限的残余空隙率后趋于稳定。这在车辙形成的初期较多，它表现在车道线附近，即车轮作用次数较小的部位变形很小或保持原状。(2)沥青混合料的侧向流动变形。在高温条件下，车轮的反复碾压作用时流动变形不断积累形成车辙。
  
图1 车辙
3.1.1现场取芯分析
现场对车辙病害程度不同的断面进行取芯及试验，为保证数据的可靠性，每个车辙断面取芯样8个，其中车辙最大位置2个，车辙两侧隆起位置各2个，硬路肩2个，芯样直径150mm。分别量取各层厚度，对芯样外观以及各面层、基层连接情况进行记录，如图2所示。
    
a）车辙左侧拱起处          b）车辙处            c）车辙右侧拱起处            d）硬路肩
图2  禹门口至西安方向（K56+080）行车道车辙处取芯

表3  K56+080实测车辙部位面层厚度一览表
位置        芯样实测总厚度（cm）        上面层厚度（cm）        中面层厚度（cm）        下面层厚度（cm）
左侧车辙拱起处        18.6        5.0        6.3        7.3
车辙处        17.0        4.8        5.7        6.5
右侧车辙拱起处        18.5        4.8        6.5        7.2
路肩        18.1        5.0        6.1        7.0

图3  K56+080各层实测厚度状况图
表4  各层位车辙盆面积百分率
桩号        K56+080
上面层车辙盆占总车辙盆面积的百分率（%）        6.45%
中面层车辙盆占总车辙盆面积的百分率（%）        45.16%
下面层车辙盆占总车辙盆面积的百分率（%）        48.39%
通过对车辙病害严重处对应取芯8个，芯样均完整，表面无孔隙，面层与基层粘结均较好，部分芯样基层存在着轻微松散的现象，主要发生在上基层与下基层的交界面处。通过对各层厚度及车辙盆面积率的统计分析（见表3、4），上面层车辙盆占总车辙盆面积的百分率为6.45%，中面层为45.16%，下面层为48.39%，结果表明，车辙产生的层位主要产生于中下面层。对芯样的表观及检测数据分析，初步判断该路段车辙为流动型车辙和压密型车辙的结合。
3.1.2芯样材料分析
对K56+080处车辙路段所取芯样按照其不同层位，进行密度试验，并与最大理论密度进行比较测得其空隙率，见表5。
表5  芯样密度和最大理论密度试验数据
芯样位置        层位        芯样密度(g/cm3)        最大理论密度(g/cm3)        空隙率(%)
车辙左侧拱起处        上面层        2.444        2.571        4.9
        中面层        2.464        2.536        2.8
        下面层        2.500        2.533        1.3

                                                                                      续上表
芯样位置        层位        芯样密度(g/cm3)        最大理论密度(g/cm3)        空隙率(%)
车辙处        上面层        2.473        2.571        3.8
        中面层        2.491        2.536        1.8
        下面层        2.512        2.533        0.8
车辙右侧拱起处        上面层        2.446        2.571        4.9
        中面层        2.455        2.536        3.2
        下面层        2.484        2.533        1.9
路肩        上面层        2.424        2.571        5.7
        中面层        2.446        2.536        3.5
        下面层        2.484        2.533        1.9
由车辙处芯样密度试验结果可以看出，上面层芯样车辙处空隙率较小，车辙隆起处空隙率较车辙处略大一些，而相应路肩位置空隙率在6%附近，而中、下面层芯样空隙率整体偏小，说明中、下面层抗车辙能力以及抗高温能力较弱。故综合判断西禹段车辙产生的原因为中下面层混合料压密和流动所致。
3.2裂缝类
路面裂缝类病害主要包括横向裂缝、纵向裂缝以及网裂、龟裂等。裂缝类病害应及时采取针对性措施进行处治，避免在外界环境因素（主要是水）和荷载共同作用下，形成结构性破坏，降低路面使用性能，危及行车安全。
    
a）横向裂缝              b）纵向裂缝                c）网裂                  d）龟裂
图4  裂缝类病害
针对重载的交通情况，选择路表上、下行裂缝严重路段，横向裂缝处取2个芯样和纵向裂缝处取3个芯样，共取出5个芯样，各层厚度，芯样外观以及各面层、基层连接情况见表6。
表6  裂缝类病害路段取芯状况
取芯桩号        面层总厚度（cm）        芯样完整性及表面状况        层间粘结状况        基层完整性判断        备注
横向裂缝处
禹西方向K69+000        16.9        芯样断裂，裂缝贯穿整个芯样，裂缝下宽上窄        面层与基层粘结较差        基层断裂        初步判断反射裂缝
西禹方向K40+720        17.6        芯样断裂，裂缝贯穿整个芯样，裂缝下宽上窄        面层与基层粘结较好        基层断裂        初步判断反射裂缝
续上表
取芯桩号        面层总厚度（cm）        芯样完整性及表面状况        层间粘结状况        基层完整性判断        备注
纵向裂缝处
禹西方向K145+220        13.0        芯样完整，裂缝贯穿上面层，中下面层无裂缝        面层与基层粘结较差        基层完整，基层无裂缝        路基不均匀沉降引的表面拉裂
禹西方向K145+240        17.3        芯样上面层与中下面层断开，上、中面层断裂        上面层与中面层粘结较差，面层与基层粘结较差        基层完整        路基不均匀沉降引的表面拉裂
西禹方向K56+570        15.8        芯样上面层破裂，裂缝贯穿整个面层        中面层与下面层粘结较差，面层与基层粘结较差        基层有裂缝        基层的反射裂裂缝引起的面层开裂
龟裂处
西禹方向K47+740        7.5        芯样上面层断裂、中面层松散、下面层轻微松散        面层与基层粘结较差        基层轻微松散        
路面裂缝产生的原因可能与以下三个方面因素有关：第一、半刚性基层的干缩和温缩性质；第二、外界环境水温变化；第三、荷载重复作用及作用时间。由现场取芯结果可以看出，西禹高速横向裂缝处芯样中裂缝形态多为上窄下宽型，此种裂缝主要原因是由于基层为半刚性基层的干缩和温缩性质产生的裂缝，在交通荷载和温度荷载的重复作用下，基层收缩裂缝易扩展到面层形成反射裂缝；由本次取芯调查发现，纵向裂缝大多出现在半填半挖路基段。其原因是由于压实度不够，高填方路段路基土滑移，路基出现不均匀沉降而产生纵向裂缝，部分纵向裂缝是由于基层的反射裂缝引起；该路段松散主要发生在上、中面层，部分伴有坑槽、唧浆处，基层已经发生破坏。这主要是由于该路段西禹线段落处于渭北煤矿区域，重载车辆多，沥青路面在长时间受到重载车辆碾压、雨雪冲刷、温度与湿度等气候因素影响的作用下，沥青面层或半刚性基层内产生的拉应力超过其疲劳强度而产生裂缝，在水的作用进一步加速了龟裂的发展。
3.3其他病害
车辙、裂缝类损害是西禹高速公路的主要病害类型，轮迹带车辙、裂缝类损害本身对路面承载能力影响不大，对路面危害主要是辙槽容易积水，路表降水沿裂缝进入结构层内部，造成路面恶化。开始阶段，水分侵入沥青与集料的界面，以水膜或水气的形式存在，影响沥青与集料的粘附性；在大量快速行车荷载的反复作用下，产生较大的动水压力使沥青膜从集料表面脱落下来，局部沥青混合料松散，从而失去强度，集料被车轮带出，路面形成坑槽。若进入路面的水透过面层，并滞留在半刚性基层顶面，在大量快速重型车辆反复作用下，自由水产生很大的动水压力并冲刷基层混合料的细料，形成灰浆，灰浆被行车压唧到路表，从而使路面产生坑槽或进一步开裂，使水更容易进入路面结构，形成恶性循环，最终导致路面大面积破坏。由上述分析可以看到：在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现为行车道轮迹带车辙与裂缝(横向裂缝、纵向裂缝与龟裂)；若上述裂缝得不到及时的养护维修，在水的作用下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。
4.结语
通过对西禹高速交通量及交通组成基本状况的调查分析，提出了重载交通作用下沥青路面病害的主要类型，结合现场取芯试验及室内芯样材料试验结果，分析了车辙和裂缝类病害的成因，为下一步采取针对性养护措施提供了依据。
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