新疆G30線芨東互通至烏拉泊段公路路面使用性能研究

張 璟

(1.新疆交通科學研究院 烏魯木齊市 830000; 2.干旱荒漠區公路工程技術交通行業重點實驗室 烏魯木齊市 830000)

1 研究背景

G30線芨東互通至烏拉泊段是新疆第一條高速公路“吐魯番-烏魯木齊-大黃山” 公路中的一段，是疆內東疆、南疆乃至疆外進入烏魯木齊唯一快速干線通道，自1998年建成通車以來，已正常運行23年[1]。 “吐-烏-大”公路全長243km，其中芨東互通至烏拉泊段全長15.3km，是全疆交通量最大的路段，至今未開展過大修養護，但路面整體穩定性較好，未發生大面積結構性破壞。本路段是新疆第一條高速公路，且具有疆內最大的歷史交通量，詳細了解其路面使用性能，對疆內其他高等級公路路面建設具有很好的參考價值。

2 工程概況

2.1 建設養護歷史

本段于1998年建成通車，高速公路標準，設計速度120km/h，路基寬26m，路面寬21.5m；設計累計當量軸次為1200萬次[2]，容許彎沉為0.359mm，路面結構為4cm厚中粒式瀝青混凝土+5cm厚粗粒式瀝青混凝土+6cm厚瀝青碎石+20cm厚4%～5%水泥穩定砂礫+24～42cm厚天然砂礫。本路段自通車以來，除日常養護外于2010年～2014年期間，分批次分段落進行了中修罩面養護工程。

2.2 沿線自然地理條件

本段位于天山以北沖積、洪積平原上，地勢自南向北微傾斜，地形平坦開闊。所在地區為中溫帶半干旱大陸性氣候，屬綠洲—荒漠區，公路自然區劃屬Ⅵ2區。路線范圍地層主要為第四系、第三系沖洪積沉積物，表層以砂土、粉土、粉質黏土為主，層厚0.5～2m，下臥層為礫類土，總體地質狀況良好。

2.3 交通組成特點及對項目的影響

收集到2017～2019年本路段內芨南交調站觀測數據，見表1。

表1 芨南交調站交通量統計表

從收集的數據上可知：

(1)本路段作為進出烏魯木齊的重要通道，交通量整體呈增長趨勢，年均增長范圍在8%～16%之間。從交通組成上看，區間重載交通量大，大型以上客、貨車占比達31%～34%%。

(2)將歷年累計交通量換算成標準軸載的當量作用次數約為2000萬次，已遠超設計當量軸次1200萬次。

3 路面技術狀況檢測與評價

根據現場調查，本段既有路面整體穩定性較好，但路面破損嚴重，主要病害為塊裂、龜裂、縱橫向裂縫、修補等，裂縫最大橫縫寬為1.5cm，橫縫間距5～8m，縱縫主要集中在輪跡帶處。

3.1 公路技術狀況調查與評定

根據《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)的要求，對每公里PCI 指數、RQI指數、RDI指數及PBI指數進行評定[3-7]。

(1)路面破損情況(PCI)評定

路面損壞狀況指數(PCI)分布規律如圖1所示。

圖1 路面損壞指數折線圖

由檢測數據可以看出，本段的上行行車道和超車道的路面損壞狀況指數PCI評定等級均以“差”為主，下行超車道的路面損壞狀況指數PCI評定等級以“中”為主，下行行車道路面損壞狀況指數PCI評定等級以“差”為主。上、下行車道的超車道路面破損指數均比行車道好，下行線路面破損指數優于上行線。經調查，主要原因是上行車輛多為滿載車輛，而下行車輛空載率較高。

(2)瀝青路面行駛質量(RQI)評價

路面行駛質量指數(RQI)分布規律如圖2所示。

圖2 路面平整度折線圖

由檢測數據可以看出，本段RQI評定主要以“良”為主，超車道的路面平整度相比行車道的較好。經調查，K3578+000～K3579+000段平整度差是由于該處位于烏拉泊老收費站處，站前車輛制動減速等原因，造成路面擁包，高低起伏不平。

(3)路面車轍深度調查(RDI)、路面跳車檢測(PBI)

由檢測數據可知，本段車轍狀況指數評定以“優”為主，路面跳車指數評定以“良”為主。經調查，全線無明顯車轍現象，路面跳車主要發生在橋梁兩側、中修罩面接縫處及收費站前后。

(4)路面結構強度評價

路面彎沉數值檢測數據如圖3所示。

圖3 路面彎沉分布圖

由檢測結果可知，既有道路路面實測彎沉值在40(0.01mm)以下的占比為72.5%，路面結構強度指數PSSI基本為“優”和“良”，所占比例為76%。下行線路面結構強度指數比上行線整體較好。將PCI與PSSI進行對比分析(圖4)，路面損壞指數與

圖4 上行線PCI與PSSI對比圖

路面結構強度指數分布規律基本一致，路面結構強度低的路段，路面破損較嚴重，其中路面結構強度較低路段基本分布在收費站、立交前后，交通量大、車輛頻繁加減速對路面強度衰減起到了加速作用。

3.2 專項數據檢測與分析

3.2.1鉆芯調查及分析

為了進一步直觀地了解路面使用狀況，為病害成因分析提供參考依據，對路面裂縫、龜網裂等病害路段及無病害路段的路面進行鉆芯取樣，現場取芯情況如圖5所示。

圖5 路面鉆芯芯樣

由檢測結果可知：

(1)瀝青面層厚度均達到設計值15cm，且大部分路段經過加鋪罩面，厚度達20～25cm；基層厚度基本達到設計厚度，基層厚約為20cm。

(2)輕度縱、橫縫主要發生在上面層，重度縱、橫縫處面層與基層多為貫通縫,裂縫多為上寬下窄。

(3)輕、中龜裂、塊裂處裂縫主要發生在上面層，部分延伸至中面層。

(4)重度龜裂處面層裂縫多為貫通縫，基層表面松散。

(5)無病害處基層均基本完好，基層與面層粘結較好。

3.2.2基層芯樣抗壓強度試驗分析

基層芯樣無側限抗壓強度見表2，根據試驗結果可知，取出來的水泥穩定砂礫基層芯樣無側限抗壓強度在6.5～8.8MPa范圍，強度普遍偏高，表明基層整體強度較好，未發生結構性破壞。

3.2.3瀝青混合料室內試驗

瀝青混合料劈裂強度試驗結果見表3，根據試驗結果可知，油石比均在3.7%～4.8%之間，平均值為4.16%，表明瀝青混合料中瀝青含量損失不大，個別處由于面層松散、龜裂嚴重，導致細集料脫落嚴重，致使混合料油石比相對較低；篩分結果表明，目前瀝青面層礦料級配基本滿足規范要求，混合料整體級配良好。上面層劈裂強度在0.841～1.117MPa之間，均低于1.2MPa，表明瀝青上面層劈裂強度偏低。

表2 基層芯樣無側限抗壓強度統計表

表3 瀝青混合料劈裂強度試驗結果統計表

瀝青老化試驗結果見表4，由試驗結果可知，老路瀝青針入度在39～42(0.1mm)之間，低于規范要求80～100 (0.1mm)的范圍，軟化點為54.3℃，滿足規范要求的不小于42℃的標準，延度僅為7～9cm，遠遠小于規范中要求的不小于60cm的規定。由此可見面層瀝青均存在嚴重老化，瀝青低溫抗裂性能不足，無法滿足低溫條件下抵抗反復荷載作用，導致產生裂縫類病害，與瀝青混合料劈裂強度試驗結果較為吻合。

表4 瀝青老化試驗結果統計表

3.2.4探地雷達無損檢測

(1)K3577+000～K3578+000上行行車道

本路段PCI評分值為27.12，路面病害主要為塊裂、龜裂。從探地雷達結果來看，見圖6，面層與基層分界明顯，基層表面層間粘結差，基層頂部存在松散病害；各層表面波形起伏較大，基層與面層在同一位置波形基本一致，表明該處面層病害與基層存在關聯性，路面裂縫為貫通性裂縫。

圖6 K3577+000處上行行車道探地雷達影像

(2)K3584+000～K3585+000下行線超車道

本路段PCI評分值為77.98，路面病害以橫向裂縫為主。從探地雷達結果來看，見圖7，面層與基層分界較為模糊，基層表面層間粘結較好；各層表面波形較為平順，面層和基層整體性好，病害較少。

圖7 K3584+000處下行線超車道探地雷達影像

(3)K3580+000～K3581+000上行線行車道

本路段PCI評分值為50.35，路面病害以橫縫、龜裂為主。從探地雷達結果來看，見圖8，面層與基層分界明顯，基層表面層間粘結差；部分段落面層波形起伏較大，但基層波形較為平順，路面病害主要發生在面層，基層整體性較好。

圖8 K3580+000處上行線行車道探地雷達影像

路面使用性能分析：根據2021年4月份最不利條件下測得彎沉數據，PSSI評定為優、良占比為76%，評定差占比為15%；根據路面鉆芯取樣進行情況分析，輕、中度病害處面層和基層芯樣完整性較好，病害主要發生在上面層，面層各層粘結較好，基層無側限抗壓強度高；重度裂縫及龜裂處，面層與基層連接差，基層表面松散；根據探地雷達檢測分析，面層和基層病害處波形基本一致，表征面層和基層病害存在一定關聯性，故綜合判斷本段路面面層強度較低，基層強度基本滿足要求，整體穩定性較好，僅局部破損嚴重段落，基層強度不滿足要求。

3.3 路面病害原因分析

本段主要以裂縫類病害為主，變形類病害較少，結合以上路況調查和檢測試驗結果，初步分析產生病害原因如下：

(1)疲勞性裂縫。本段高速公路瀝青路面設計使用年限為15年，實際運行23年，設計累計當量軸次為1200萬次，實際累計當量軸次達2000萬次。超載重載導致道路高負荷或超負荷使用，超過了道路本身的設計運營能力和荷載極限，在車輛荷載的反復作用路面產生疲勞裂縫。

(2)溫縮裂縫。本段位于烏魯木齊，冬季寒冷及夏季晝夜溫差大會在瀝青面層中產生溫度收縮應力，造成瀝青路面的溫度裂縫和溫縮疲勞裂縫[8]，裂縫經過行車荷載作用易發展為瀝青路面的龜裂。

(3)反射裂縫。一方面在基層成型過程中，基層材料失水收縮而形成規則的橫向裂縫；另一方面基層材料因溫度驟降而發生低溫收縮開裂，這兩種收縮變形使瀝青面層底面上承受拉力，當拉力超過瀝青面層的抗拉強度時就使瀝青面層底部拉裂，并隨著溫濕的循環變化及行車荷載的反復作用而導致瀝青面層底面裂縫沿豎向向上擴展到路表，從而形成瀝青路面橫向裂縫。

(4)路面強度不足。由于本路段運行時間長，瀝青嚴重老化，導致面層強度日趨降低，且路面基層局部強度不足，導致路面產生破損。

4 結語

通過對G30線芨東互通至烏拉泊段路面性能進行檢測與分析，可以得到以下結論：

(1)本段路基層強度整體較好，面層強度不足，產生裂縫類病害的主要原因是瀝青老化及超負荷碾壓導致的面層疲勞破壞。

(2)本路段實際累計當量軸次已超過設計累計當量軸次，但未發生結構性破壞，與基層水泥穩定砂礫強度高、瀝青面層較厚、養護及時，以及施工質量較好都存在一定關系。

(3)本路段路面結構設計中水穩基層厚度為20cm，與近年疆內高速公路采用32～38cm厚水穩基層差異較大，但其無側限抗壓強度大于一般要求的4～6MPa，在路基穩定性較好的前提下，適當提高水穩基層強度有利于增加路面使用壽命，減少基層厚度，節約工程投資。

(4)探地雷達檢測數據與路面鉆芯情況及路面破損狀況較為吻合，利用探地雷達檢測路面病害，有利于更加清楚地了解路面基層和下面層病害狀況，對后期養護方案的確定提供較好依據。

本路段是新疆第一條高速公路，且具有疆內最大的歷史交通量，詳細了解其路面使用性能，對疆內其他公路建設具有很好的參考價值。