干線公路交叉口路段車轍成因及對策研究

崔同飛，陳 濤，孫 璋

(1. 貴州省黔西公路管理段，貴州 黔西 551500； 2. 蘇交科集團股份有限公司，南京 211100)

干線公路是我國公路體系的重要組成部分，是高速公路的有益補充，同時也是地區間聯系的主要紐帶，在我國經濟及社會發展中起著不可或缺的作用[1]。從目前干線公路的養護經驗來看，車轍病害仍然是干線公路最常見的瀝青路面損壞現象，尤其是在城郊結合部和交通信號燈處等交叉口路段，路面車轍、推移病害層出不窮，且比一般路段損害更嚴重，呈現“屢壞屢修”的惡性循環，嚴重影響行車舒適度、行車安全和路面使用壽命[2-3]，交叉口車轍已成為干線公路養護維修的質量通病。車轍形成原因包括瀝青混合料本身因素(瀝青類型、瀝青用量、集料性質、級配等)和外界因素(交通量、氣候條件)等。車轍形成分為壓密、流動和剪切破壞3個階段。目前關于車轍成因以及對策研究大多集中于高等級公路和一般路段，對干線公路交叉口路段特殊工況針對性不足，且難以有效解決交叉口特殊工況下的車轍問題。

為有效解決干線公路交叉口車轍問題，本文以江蘇省干線公路為研究對象，調研干線公路交叉口路段車轍發展現狀，結合交叉口路段特殊工況，深入分析交叉口路段車轍形成機理，并對干線公路交叉口路段抗車轍提升理念進行研究，結合交叉口典型抗車轍路面結構力學響應分析結果和工程實際應用效果，提出適用于干線公路交叉口路段的抗車轍對策方案，以期為江蘇省乃至全國普通國省干線公路交叉口路段新建及養護提供技術思路和方案參考。

1 車轍現狀

1.1 路面結構

目前江蘇省干線公路路面以瀝青混凝土為主，早期以普通瀝青AC-13+普通瀝青AC-20結構為主，隨著公路建設科技進步，上面層開始使用改性瀝青SMA-13等結構，但其成本較高，大多應用于抗車轍需求較高的路段，而且規模相對較小。一般在干線公路路面設計時，出于建設成本、施工操作等方面考慮，很少會對交叉口路段進行單獨設計，主要沿用主線的路面結構形式。所以，目前干線公路交叉口路段典型路面結構形式主要是普通瀝青AC-13+普通瀝青AC-20。

1.2 交通量

為分析干線公路交叉口路段交通量對車轍的影響，本文統計了2018年江蘇省部分地級城市干線公路各車型年平均日交通量，如表1所示，數據來源于各地級城市部分觀測站交通量監測數據。

表1 2018年江蘇省部分地級城市干線公路各車型年平均日交通量

由表1可知，各地級城市干線公路交通組成中貨車比例均值為43.8%，貨車比例相對較高，交叉口路段的交通組成與主線相似，貨車比例同樣較大。干線公路主線交通組成狀況一定程度上可以反映交叉口路段交通組成狀況。

1.3 車轍現狀及發展規律

為分析干線公路交叉口路段車轍現狀，本文統計了江蘇省各地級城市干線公路及交叉口車轍深度指數(RDI)，江蘇省各地級城市干線公路車轍狀況如圖1所示，交叉口路段車轍狀況如圖2所示。各地級城市車轍數據來源于各地級城市2018年公路管理單位年度統計數據，其中交叉口路段車轍數據為G312、G104、S243、S238、S338、S246和S323等路段交叉口車轍檢測數據，本文統計的RDI值均為公里值。

圖1 江蘇省各地級城市干線公路車轍狀況

圖2 交叉口路段車轍狀況

江蘇省13個地級城市干線公路RDI均值為92.2，其中徐州、無錫的RDI值較低，主要由于徐州、無錫地處蘇皖貨運中轉站，重載貨車比例較大，貨車數量大，交通運輸量大，加速了車轍產生，可見車轍與交通量有著直接關系。干線公路交叉口RDI均值為87.4，低于整體水平92.2，表明目前干線公路交叉口路段車轍病害較嚴重。干線公路交叉口路段特別是城鄉結合部設有紅綠燈的大型交叉口，由于車輛渠道化行駛，頻繁啟停等原因，特別是在高溫、重載和低速條件下，極易產生嚴重的車轍病害。

為進一步分析干線公路交叉口車轍發展規律，本文統計了江蘇段G312滬霍線(K163+586～K258+751)、G104北平線(K438+608～K476+876)、S243揚祿線(K17+887～K82+051)、S238鎮常線(K7+600～K75+691)和S338寧鎮線(K0～K34+321)交叉口路段2015—2018年車轍發展規律，干線公路交叉口路段車轍發展規律如圖3所示。

(a) G312滬霍線

由圖3可知，2015—2018年的交叉口特殊路段的RDI值低于全線RDI值，且交叉口路段車轍衰減速率更快。交叉口路段的RDI值平均每年下降1.8，而全線的RDI值每年僅下降0.9，交叉口路段衰減速率是常規路段的兩倍，由此可見交叉口路段車轍衰減更快。

1.4 車轍變形層位

為分析交叉口路段車轍變形層位，本文在S323揚州段干線公路交叉口路段深車轍位置進行取芯調查。該路段為4 cm普通瀝青AC-13+6 cm普通瀝青AC-20的結構形式。不同層位車轍深度貢獻度指標表示不同層位的變形對整體車轍的貢獻程度，貢獻度Ci按式(1)計算。

(1)

式中，Δi為第i層的變形量，mm；Δ為總變形量，mm。

芯樣變形層位分析如表2所示。輪跡帶芯樣下面層變形貢獻度較大，貢獻度為69.3%，交叉口車轍路段芯樣變形主要位于下面層。

表2 芯樣變形層位分析

2 車轍成因分析研究

干線公路交叉口深車轍形成也是經歷壓密、流動和剪切破壞3個階段[4-5]，但是道路交叉口因其特殊性，車輛匯集、行駛速度慢、頻繁啟停，尤其是貨車產生的重載作用，更容易對瀝青路面造成剪切破壞。結合干線公路車轍現狀和工程項目實際路況，總結造成干線公路交叉口路段車轍的原因，主要包括路面結構、交通流量、車速和環境溫度。

2.1 路面結構

干線公路交叉口瀝青路面結構調研結果顯示，目前干線公路交叉口是以AC型瀝青面層和半剛性基層為主的路面結構形式。

AC型瀝青混合料為懸浮密實結構，粗集料處于細集料的包裹中，粗集料與粗集料之間懸浮分開，未形成骨架嵌擠結構，缺少骨架嵌擠力和內摩阻力，而瀝青混合料的抗壓、抗剪強度主要來源于骨架嵌擠力和內摩阻力，因此懸浮密實型AC型瀝青混合料的抗壓、抗剪強度較小，高溫抗車轍性能較差。

根據前文干線公路交叉口車轍發生層位分析結論，干線公路交叉口路段車轍主要發生在下面層。從路面結構角度分析，根據瀝青路面雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續體系理論，路面深度0～100 m范圍內是車輪荷載高壓應力區，且車輛荷載產生的剪應力主要集中于下面層，下面層AC型結構抗剪強度較小，難以抵抗較大的剪應力，易產生變形。

因此，目前AC型路面結構難以滿足干線公路交叉口路段特殊工況下的抗車轍需求。

2.2 交通流量、車速

干線公路交叉口路段車輛匯集，基于干線公路交叉口交通調查分析結論，貨車比例達到43.8%，貨車比例相對較高，重荷載頻繁作用于路面，加速路面車轍產生。此外，交叉口路段車輛頻繁啟停，對路面造成的水平剪應力較大，容易使瀝青混合料產生推移、流動破壞。

2.3 環境溫度

為分析交叉口路段路表溫度特點，本試驗監測了2019年7月某3天不同時段南京某交叉口路段路表溫度，交叉口路段路表溫度隨時間變化如圖4所示。

圖4 交叉口路段路表溫度隨時間變化

由圖4可知，交叉口路段路表氣溫明顯高于常規路段，且隨著中午時分車流量增多，差異性更加明顯。這是由于道路交叉口路段車輛匯集，車輛自身的高熱量也傳遞給路面，且路面較高的溫度不易擴散，所以在路面形成更高的溫度場，更容易產生車轍。

3 車轍性能提升對策

根據干線公路交叉口路段車轍現狀及成因分析，結合目前干線公路交叉口路段使用的抗車轍技術，本文總結了干線公路交叉口路段車轍性能提升對策。

3.1 優選原材料

3.1.1 使用改性瀝青、低標號瀝青

實際工程中通常將常規AC-20瀝青混合料換成SBS改性瀝青的AC-20瀝青混合料，這種方法在實際工程抗車轍設計中應用十分普遍，但是應對交叉口路段車轍問題收效甚微。因此，需要從原材料考慮，在上、下面層使用聚合物改性瀝青，其黏度較大、軟化點較高、黏聚力較好、高溫性能優異，有效提高瀝青混合料抗剪切和高溫抗變形能力，同時瀝青混合料耐久性也較好。

在瀝青混合料中摻配各種外加劑，如抗車轍劑、高黏劑、玄武巖纖維等，改變瀝青混合料中材料的力學性能或者材料間的相互作用力，進而提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

3.2 骨架嵌擠級配

從級配類型考慮，采用骨架密實結構的瀝青混合料。瀝青混合料的強度主要來源于骨架嵌擠力和內摩阻力，間斷級配可有效提高骨架嵌擠力和內摩阻力，形成骨架密實結構的瀝青混合料，如間斷型級配的SMA瀝青混合料，主要應用于路面上面層，該方法可提升上面層瀝青混合料的抗車轍性能，同時還可提升上面層的抗滑性能和水穩定性。

3.3 高模量混合料設計

從瀝青路面受力考慮，通過提高路面結構層模量的方式提高瀝青路面抗車轍性能，基于近年來半柔性路面材料顯現，將該類提升方法的材料分為兩類，包括高模量瀝青混合料和高模量半柔性材料。

3.3.1 高模量瀝青混合料

高模量瀝青混合料具有代表性的是EME(法國高模量瀝青混合料)，采用低標號瀝青或硬質瀝青，通過特殊級配設計，選取高油石比和低空隙率，路面易于壓實，路表密實不滲水。

(1) EME彈性模量高，間接拉伸剛度彈性模量(ITSM)>14 000 MPa(15 ℃，10 Hz)。

(2) EME車轍動穩定度(DS)≥8 000次/mm。

(3) EME在提高瀝青混合料模量的同時，最大限度減小瀝青路面初期壓密變形，提高瀝青混合料抗車轍性能和耐久性。

2.1.3 整合其他社會資源 南京市六合區有較好的工業基礎，有多個工業園區，企業資源豐富，可以通過企業捐助，定向扶持一個村莊，為農村地區居家養老服務的發展提供經濟支持。同時，有市級以上現代農業園6個，農業資源豐富，可以從農村老年人的實際出發，為農村有工作能力和工作意愿的老年人提供工作機會。除此之外，還可有效利用當地村委會人員形成居家養老服務組織隊伍，依靠老干部的管理能力、村內威望及熟悉村內具體情況的天然優勢，為組織發展建言獻策、提高工作效率并發揮余熱，豐富晚年生活。

(4) EME經濟性適中，易于施工。EME適用于重載交通、長大縱坡，尤其是在交叉口重載交通中具有良好的應用效果。

3.3.2 高模量半柔性材料

半柔性復合結構路面為在柔性的大空隙瀝青混合料中灌入剛性水泥基材料，養生硬化后形成半柔性路面材料。該方法是通過提高結構層動態模量，提升瀝青混合料在荷載作用下抵抗變形的能力。

(1) 半柔性材料模量高，動態模量(E)約為15 000 MPa(5 ℃，10 Hz)。

(2) 高溫性能較好，車轍動穩定度≥37 000次/mm，特別適用于解決交叉口以及重載交通路段車轍問題。目前，工程上已出現超早強半柔性路面，選用超早強水泥灌漿材料，相比于傳統半柔性路面灌漿材料，其早期強度更高，2～3 h即可硬化開放交通，降低養護期間對交通的影響。

半柔性路面造價相比于SMA高約50%，但壽命顯著延長，抗車轍壽命是SMA的3倍以上，有效避免了干線公路交叉口路段車轍“屢修屢壞”現象，保持較好的路容路貌和市容市貌。

4 典型抗車轍結構力學響應分析

結合工程經驗，傳統的抗車轍設計方案的效果一般，尤其是在交叉口路段特殊工況下，難以有效解決車轍快速發展問題?；谇拔母删€公路交叉口路段抗車轍對策研究結論，干線公路交叉口路段可以引進半柔性復合式路面技術、耐久性高模量瀝青混合料等技術方案提升交叉口路段的抗車轍性能，同時考慮交叉口路段特殊工況條件下瀝青表層抗車轍性能提升需求，需進一步優化上面層常規SMA。

4.1 有限元模型建立

考慮到目前江蘇省干線公路新建路面瀝青層設計厚度通常為12 cm，結合前文抗車轍路面結構材料優化結果，設計3種干線公路交叉口抗車轍優化結構，抗車轍優化結構如表3所示。假設不同路面結構的基層和底基層結構均相同，基層結構為36 cm 水泥穩定碎石，底基層結構為20 cm水泥石灰穩定土。

表3 抗車轍優化結構

根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)[6]中結構驗算材料參數推薦值和半柔性材料相關文獻取值[7-8]，路面結構材料參數如表4所示。

表4 路面結構材料參數

根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)[6]要求，垂直荷載為0.7 MPa。結合相關文獻研究[7-8]，水平荷載取最不利條件緊急制動時，水平力為0.35 MPa。本文采用的模型寬度和長度均為6 m，深度為10 m，即6 m×6 m×10 m模型。荷載施加和網格劃分如圖5所示。

(a) 荷載施加

4.2 力學響應結果分析

豎向壓應變分布如圖6所示，不同層位水平剪應力分布如圖7所示。從豎向壓應變來看，輪跡帶處壓應變較為明顯，路面結構Ⅰ和結構Ⅲ豎向壓應變相比結構Ⅱ更小，路面結構Ⅰ抵抗豎向變形能力更優。結構Ⅰ和結構Ⅲ將高模量半柔性材料和EME置于下面層，使上面層內部應力水平略上升。從結構受力角度看，瀝青路面的下面層是承受彎拉應力的最主要層位。從各層位的應力峰值和應力均值角度看，高模量材料用于下面層時承受了大部分剪切應力，因此結構Ⅰ和結構Ⅲ能夠更好地體現材料優異的抗車轍性能。

圖6 豎向壓應變分布

圖7 不同層位水平剪應力分布

5 工程應用效果

5.1 高強SMA-13

南京江寧S246交叉口路段在上面層SMA-13中摻配高黏改性劑，SMA-13車轍動穩定度達到13 000 mm/次，進一步提升了SMA-13的高溫性能，抗車轍效果顯著，路面平整度、滲水系數和摩擦系數均符合設計要求，工程應用效果較好。

5.2 EME

S244揚州段某交叉口車轍處治采用了EME技術，現場處治方案為4 cm改性瀝青AC-13上面層+8 cm EME-20下面層。通車3年后對交叉口路段車轍進行檢測，車轍深度均值為6 mm，平均車轍深度發展速率為2 mm/年，相比常規交叉口路段車轍發展速率較小，說明EME有效減緩交叉口路段車轍發展。

5.3 半柔性路面

半柔性灌入式路面材料SFAC-20于2012年在江陰地區S228交叉口路段應用，采用的路面結構為 4 cm 改性瀝青AC-13+7 cm SFAC-20，2015年7月對交叉口路段車轍進行檢測，現場檢測半柔性灌入式路面交叉口車轍深度為6 mm，常規交叉口路段車轍深度為25 mm，說明半柔性灌入式路面材料有效降低了交叉口路面車轍深度，具有優異的抗車轍能力。

從應用效果看，高強SMA-13、EME和半柔性路面技術的抗車轍性能較優，能夠滿足干線公路交叉口路段抗車轍需求。

6 結論

本文對江蘇省干線公路交叉口路段車轍現狀及對策展開了深入研究，得出以下結論。

(1) 干線公路交叉口路段車轍發生層位主要集中在下面層，干線公路交叉口路段車轍RDI明顯低于路線整體水平，其RDI值平均每年下降1.8，衰減速率是常規路段的兩倍。

(2) 交叉口路段懸浮密實型AC型瀝青混合料缺少骨架嵌擠力和內摩阻力，交叉口路段車流量大、車速低，交叉口路段路表溫度更高，這些都是導致交叉口路段車轍問題的重要原因。

(3) 抗車轍對策主要從優選原材料、骨架嵌擠級配和高模量混合料設計角度展開。結構Ⅰ和結構Ⅲ豎向壓應變和水平剪應力的力學響應結果較常規AC型路面結構更優，且高強SMA-13、半柔性材料、EME技術在交叉口路段抗車轍效果顯著。建議干線公路交叉口路段上面層采用高強SMA-13、下面層采用半柔性材料或者EME的抗車轍路面結構。