基于SATCC的贊比亞市政道路車轍形成機(jī)理研究

程 偉，王小麗

（1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)院分公司，浙江 杭州 310001；2.浙江滬杭甬高速公路股份有限公司，浙江 杭州 310020）

1 概述

贊比亞位于南部非洲高原的中部，屬于內(nèi)陸高原國家，熱帶草原型氣候，濕度較低。近年來，贊比亞交通行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展，同時(shí)汽車保有量逐年提升。其國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范以SATCC為通行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，包括TRH系列規(guī)范均在南部非洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)編制規(guī)范體系內(nèi)施行。但由于SATCC規(guī)范大多在1998年前后頒布，至今已有20年之久，且中途未曾修訂或改版。20年來，整個(gè)南部非洲經(jīng)濟(jì)社會(huì)均在快速發(fā)展，道路交通量持續(xù)上升，工業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)重載交通也在增長，工程建設(shè)的范圍不斷擴(kuò)大，地形地質(zhì)情況均趨于復(fù)雜。在贊比亞的公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，很多工程依據(jù)SATCC設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)交通條件下的需求不能完全匹配的情況。同時(shí)，在現(xiàn)有道路修復(fù)中，并未進(jìn)行系統(tǒng)性的調(diào)查及總結(jié)，包括典型的路面車轍、開裂等病害。

2 車轍路段調(diào)查及類型分析

2.1 車轍路段調(diào)查

（1）路段類型。根據(jù)對(duì)盧薩卡市區(qū)某主干路的調(diào)查，通車1年后出現(xiàn)車轍路段的全線排查及統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)車轍路段主要集中在長上坡路段及紅綠燈交叉路口路段。①長大縱坡路段：K3+350～K3+725段縱坡為4.66%，K3+725～K4+010段縱坡為6.05%，車行方向?yàn)樯掀拢囖H深度最大為23mm，內(nèi)側(cè)車道較外側(cè)車道車轍明顯；K4+380～K4+730（右幅）段縱坡為6.18%，車行方向?yàn)樯掀拢囖H深度最大為15mm，車轍現(xiàn)象基本處于外側(cè)車道。②信號(hào)燈交叉路口：此處車轍發(fā)生于某商場出入口紅綠燈交叉路口處，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，車轍主要區(qū)域位于紅綠燈前后50m范圍內(nèi)，且右幅（近商場出入口）車轍現(xiàn)象較為明顯，車轍深度最大為36mm。

（2）路段交通量調(diào)查。通過對(duì)路段7d車流量調(diào)查及統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，所選取路段交通組成以貨車等大型車輛為主，小車車流量只占總車流量的約1/3，貨車占比超過總車流量的一半，且依據(jù)贊比亞政府2007年28號(hào)頒布法令《公路車輛最大荷載規(guī)定》，部分貨車存在超載現(xiàn)象。以13:00～15:00高溫時(shí)段為例，四軸及以上的重型貨車每小時(shí)通行量達(dá)50輛以上。

（3）路段氣溫狀況調(diào)查。根據(jù)對(duì)路段所在區(qū)域?qū)崪y，路段所在區(qū)域的年平均溫度為22～25℃，炎熱季日平均高溫最高達(dá)31℃。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，14：00左右路表觀測溫度均為57℃左右，最高氣溫超過60℃。

（4）調(diào)查結(jié)果分析。根據(jù)現(xiàn)場取芯及數(shù)據(jù)整理后得出車轍路段的車轍深度。經(jīng)調(diào)查，路段出現(xiàn)的車轍主要發(fā)生在長上坡處，上行一幅。車轍出現(xiàn)的起終點(diǎn)與路段起坡段剛好對(duì)應(yīng)，且隨著坡度變大，車轍深度越來越嚴(yán)重，至坡頂處坡度漸緩，車轍深度逐漸減小。

2.2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及使用材料調(diào)查

調(diào)查路段道路等級(jí)為C10，根據(jù)SATCC規(guī)范要求，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的方案為4cm AC-13C細(xì)粒式瀝青混凝土上面層+4cm AC-16C中粒式瀝青混凝土下面層+15cm級(jí)配碎石基層+30cm水穩(wěn)土底基層[15cm（3～5MPa）+15cm（1.5～3MPa）]，同時(shí)在路床與路面結(jié)構(gòu)之間設(shè)置15cm選擇層。

2.3 車轍類型分析及判定

《公路技術(shù)狀況評(píng)定》（JTG H20—2007）中車轍的定義為輪跡處深度大于10mm的縱向帶狀凹槽（轍槽）[1]。國際上將瀝青路面的車轍分為結(jié)構(gòu)性車轍、失穩(wěn)性車轍及磨耗性車轍3種類型。

調(diào)查路段瀝青路面底基層屬于半剛性，強(qiáng)度高、板體性好；基層采用級(jí)配碎石，根據(jù)SATCC規(guī)范要求，級(jí)配碎石層壓實(shí)度為102%，根據(jù)施工質(zhì)量過程控制檢測結(jié)果，均滿足施工技術(shù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求[2]。在現(xiàn)場鉆芯復(fù)測過程中，通過坑洞深度和車轍變形量的比對(duì)分析，基層及基層以下的變形極小。再根據(jù)現(xiàn)場對(duì)車轍出現(xiàn)的部位鉆孔取芯，通過芯樣截面觀察，路面變形主要發(fā)生在瀝青面層。

此外，發(fā)現(xiàn)車轍處路面出現(xiàn)不同程度的波浪，波谷處瀝青厚度較小，波峰處瀝青推擠隆起，厚度較大，瀝青混合料發(fā)生了側(cè)向流動(dòng)變形。上述各項(xiàng)因素表明，該車轍屬于瀝青混合料的失穩(wěn)性車轍。

3 車轍形成機(jī)理

3.1 路面結(jié)構(gòu)組合

在SATCC規(guī)范下，南部非洲區(qū)域的主要路面結(jié)構(gòu)形式均為柔性路面結(jié)構(gòu)，與國內(nèi)的半剛性基層不同，那里的基層多采用柔性基層（如級(jí)配碎石）。這類路面在路面交通量不大，且不存在超載現(xiàn)象時(shí)，可以顯著降低建設(shè)成本。但隨著交通量及超重載交通量的快速增長，這類路面結(jié)構(gòu)組合的先天性的缺陷逐漸凸顯，但受制于整體投資規(guī)模及建設(shè)成本，很難在短期內(nèi)改變，包括贊比亞在內(nèi)的南部非洲多數(shù)國家，均是如此。

3.2 長上坡路段

（1）受力變化。在長上坡路段，車輛的動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)造成其上坡過程包括沖破、減速、再加速3個(gè)階段。在此過程中，道路的路面結(jié)構(gòu)所受摩擦力趨于復(fù)雜，導(dǎo)致瀝青路面的結(jié)構(gòu)受力情況發(fā)生很大變化，且由于車速的降低會(huì)直接提高對(duì)道路的剪應(yīng)力，整體對(duì)道路的損傷直接增強(qiáng)。不同路段汽車受力原理圖如圖1所示。在上坡路段，最大剪應(yīng)力隨之增加，且坡度越大，增加幅度越快。3%、5%和7%的坡度路段的瀝青層承受的剪應(yīng)力比一般的平坡路段分別增加5.9%、11.7%和18.3%，最大剪應(yīng)力的分布逐漸向路面表面移動(dòng)；水平分力分別增加0.8kN、1.2kN、1.7kN。在不同的車速條件下，各面層剪應(yīng)力隨著車速的變慢而增大，在車速由40km/h降至20km/h時(shí)，各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力有明顯增大的趨勢，在3%左右的坡度時(shí)，車速從上坡至坡中某點(diǎn)急劇下降，之后基本保持低速行駛[3]。因此，受長大坡度、低車速等影響，長上坡路段相對(duì)于平坡路段結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的剪切應(yīng)力更大，且作用力持續(xù)時(shí)間加長，從而造成相同交通荷載、氣候環(huán)境條件下，路面更易出現(xiàn)車轍問題。

圖1 不同路段汽車受力原理圖

（2）長上坡引起的車速降低。調(diào)查路段重載車輛較多，上坡時(shí)速度顯著下降，路段縱坡超過4.66%，最大縱坡達(dá)到6.05%，部分重車在上坡時(shí)行駛速度降到10～20km/h，只有正常行駛速度的1/6～1/3。隨著行駛速度降低，路面受力模式發(fā)生改變，表現(xiàn)為荷載作用時(shí)間變長、水平作用力加大，從而導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍。

3.3 交叉口路段

贊比亞等非洲國家由于交通量較低、電力不穩(wěn)定等因素，極少設(shè)置信號(hào)燈控制。相比設(shè)置信號(hào)燈，交叉口更易形成交叉口范圍內(nèi)擁堵，同時(shí)車輛啟動(dòng)和制動(dòng)會(huì)更為頻繁，造成了整體的車速較慢，這也間接增加了交叉口路段瀝青路面的水平推移變形，從而導(dǎo)致車轍。

3.4 重載與高溫等外部因素

《浙江省山區(qū)高速公路長上坡路段抗車轍瀝青路面應(yīng)用技術(shù)研究》中曾對(duì)長山坡路段的重載及高溫進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：當(dāng)外界溫度不變時(shí)，汽車對(duì)道路的荷載從0.7MPa持續(xù)增至0.8MPa時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度將會(huì)下降，變形會(huì)增加；如果控制受力條件不變，在對(duì)溫度進(jìn)行測試中，溫度增加5℃，則瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度將減少達(dá)59.6%，總變形量也增加1倍之多；在溫度和所受荷載同時(shí)增加的情況下，不論是動(dòng)穩(wěn)定度還是總變形量均會(huì)產(chǎn)生更大幅度的增加[4-5]。

4 結(jié)束語

基于以上分析，在設(shè)計(jì)中需要針對(duì)此類特殊路段進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，針對(duì)后期所出現(xiàn)的車轍特點(diǎn)，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行車轍的改善。

（1）配合比優(yōu)化：擬采用偏粗的礦料級(jí)配，以提高瀝青混合料抗車轍能力，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2017）中的“施工質(zhì)量管理與檢查驗(yàn)收”設(shè)置級(jí)配允許波動(dòng)范圍控制級(jí)配的變異性。

（2）采用改性瀝青面層或在瀝青用料中摻入高模量劑以提高路面的抗車轍能力。

（3）加厚面層設(shè)計(jì)，同時(shí)在后期運(yùn)營中加強(qiáng)交通管制，限制重載車數(shù)量。

（4）對(duì)特殊路段提高動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)指標(biāo)，以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；加強(qiáng)高溫天氣觀測，在高溫時(shí)段對(duì)特殊路段瀝青路面進(jìn)行灑水降溫，減少車轍病害的產(chǎn)生。