国道集镇段信号灯交叉口沥青混凝土路面病害成因与处治_袁文豪.pdf

福建交通科技2023年第1期随着国民经济的发展，城市化进程加快，原本没有交叉口的国省干线路段，逐渐演变成城市道路交叉口，并进行交通渠化和信号灯控制改造，然而由于原沥青路面结构计未考虑交叉口交通通行渠化、行车紧急制动、大货车制动刹车片滴水等不利因素，通车不久后就出现车辙、拥包、推移、剥落、松散、坑槽等病害，严重影响交通运行和市容市貌。公路部门虽进行快速修复，但碍于交通通行压力，只是对路面破坏区域采取简单的应急铣刨重铺措施，加铺沥青混合料没有进行特殊的设计，且由于工作面的问题，压实度也难以达到要求，修复的交叉口路面往往短时间内又出现前述的病害，形成“屡坏屡修”的现象1，成为公路部门道路养护的痛点和难点。为有效解决国省干线城郊段交叉口沥青路面病害问题，本研究以位于福建省南平境内205国道城市段的2个信号灯交叉口路面病害处治为例，通过现场调查以及对当地交通和公路养护部门的问询，从交叉口通行交通量、交通轴载、车辆行驶特性、养护历史等方面进行交叉口沥青混凝土路面病害产生原因的分析，而后针对性地提出交叉口沥青路面病害处治方案，并付诸实践，以期为类似交叉口路面病害处治提供有益的参考和借鉴。1工程概况国道205福建段K14+480K18+220穿越福建浦城县城，起点位于国道205与梦笔大道平交路口，终点位于余乐高速互通附近，标准路段路基宽24 m，路面宽19.5 m，原设计为一级公路，路面荷载标准为BZZ-100，限速60 km/h，沥青混凝土路面，是浦城进出城方向的迎宾大道，因城市建设规划等需要，在城西和梦笔两处平交路口位置增设了红绿灯信号控制，该路段成为国省干线一级公路兼顾城市主干路。梦笔大道平交路口、城西平交路口于2021年3月建成通车后，由于前期未考虑交叉口交通通行特性，交叉口沥青混凝土路面未进行专项设计，城西平交路口（左幅K15+988附近）、梦笔平交口（左幅K14+480附近）沥青混凝土路面即出现了不同程度车辙、坑槽、松散、推移、局部波浪拥包等病害，且病害大多集中在该幅道路前进方向的红绿灯停止线前。截至2022年7月，公路养护部门已对2处交叉口沥青混凝土路面进行了多达6次的应急修复铣刨病害范围内中、上面层沥青混凝土，再重新加铺。每次修复后的短时期内又出现同样病害，屡坏屡修，不仅严重影响行车舒适性和交通通畅，存在较大的安全隐患，还影响市容市貌，造成不良的社会影响。基于此，亟需对该2处交叉口沥青混凝土路面病害进行有效处治。2交叉口沥青混凝土路面病害情况及原因分析2.1主要病害情况从现场来看，2处交叉口道路前进方向（左幅）路面主要病害为车辙、坑槽、松散、推移、局部波浪拥包、重车刹车滴水行车水迹带，具体情况见图1。摘要以福建省国道205南平境内2处位于城镇段的信号灯交叉口沥青混凝土路面病害处治为例，针对交叉口路面出现病害类型，从当地气候、交通环境、设计、施工、养护方面进行原因分析，提出针对性的处治方案设计，并付诸实施，以期有效解决或降低2处交叉口沥青混凝土路面病害，延长路面耐久性，为类似交叉口沥青混凝土路面病害的处治提供参考。关键词国省干线城市信号灯交叉口病害原因分析方案设计施工质量控制国道集镇段信号灯交叉口沥青混凝土路面病害成因与处治袁文豪（福建船政交通职业学院，福州350007）17FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期（a）城西交叉口（b）梦笔交叉口图1交叉口沥青混凝土路面病害情况2.2车辙病害类型的确定根据车辙病害形成的原因，大致可分为以下4种类型。2.2.1磨耗型车辙这类车辙深度较小，一般不影响交通正常运行，主要是由于车辆的长期行驶，轮胎磨耗沥青混凝土面层而成。2处交叉口沥青混凝土路面刚修建不久，且形成的辙槽较深（图2），可以判定2处交叉口车辙应不属于磨耗型车辙。图2交叉口车辙2.2.2压密型车辙这类车辙也称补偿性压密车辙，主要是由于施工时摊铺、碾压温度控制不当，现场温度丧失过快，导致混合料温度降低，不易压实；或因压实机械功率过小或压实工艺不到位所致。在夏季高温时，上述2个因素在重载交通的行驶下产生补偿性压密，从而形成车辙。这类车辙往往在行车道轮迹处形成凹槽，轮迹外路面正常。从图2及从公路养护部门了解可知，两交叉口处存在补偿性压密车辙。2.2.3结构型车辙这类车辙主要是由于路面结构设计不当，软弱地基未处理好，路基承载力不够或基层材料、厚度及结构组合不合理所致。车辙性状表现为辙槽较宽，断面成U形(凹形)2，常伴有裂缝，辙槽两侧没有明显隆起。这类车辙在短期内危害不明显，随着时间的推移，车辙深度加深并伴随其他路面病害不断加剧。从图2可知，两交叉口车辙不存在隆起。2.2.4失稳流动型车辙这类车辙形成原因主要是沥青混合料配合比设计不当，矿料级配总体偏细，沥青材料软化点低，沥青混凝土高温稳定性不好，动稳定度差。该类车辙典型性状带有明显的隆起，行车道路面形成“w”车辙2，辙槽深度2050 mm，严重时局部路段出现大范围的松散、坑槽破坏，行车颠簸感明显。从图2可知，2处交叉口车辙应属于失稳流动型车辙。2.3路面病害形成原因分析（1）2处交叉口均设置信号灯，进行交通渠化，且国道205交通量大，重载或超重车辆多（图3），车辆频繁启停或长时间停驻，沥青混凝土路面在周而复始的水平力和竖向荷载的共同作用下，其产生的由水平剪切、弯拉耦合而成的复合应力超过路面结构材料本身抗力，路面结构材料层间发生水平和竖向变形位移，形成沥青混凝土路面推移、波浪、拥包等病害。图3交叉口车辆通行情况（2）浦城县夏季高温炎热且持续时间较长，黑色路面为吸热路面，且2处交叉口均采用信号灯控制进行交通渠化，车辆汇集，车辆在停车等待通过交叉口的过程中产生的大量高温尾气直接传递给路道路工程18福建交通科技2023年第1期面，而交叉口停车等待区空间拥挤，不易散热，直接在该区域路面行成高温温度场，路面最高温度可达60以上。沥青及沥青混凝土都属于感温性材料，随着温度的上升，抗变形的能力降低，导致交叉口路面部分沥青材料软化，结构强度降低，波浪、推移、拥包、车辙等病害随之产生。（3）交叉口位于交通繁重的国道上，大型、重型和超载车辆在通过交叉口时，往往刹车制动，导致刹车片冷却液不断滴洒至路面，形成潮湿的轮迹水带，由于交叉口交通渠化，在后续车辆车轮的不断冲击碾压下，水迹带极易产生动水压力，使沥青混凝土路面产生剥落，松散、坑槽等病害，见图4。图4刹车冷却液滴洒路面情况（4）查阅原施工图，该交叉口设计沥青混凝土路面从上至下依次为：4 cm细粒式SBS改性沥青混凝土（AC-13C）上面层、6 cm中粒式SBS改性沥青混凝土（AC-20C）中面层、16 cm粗粒式密级配普通沥青稳定碎石（ATB-25）下面层、16 cm级配碎石基层、32 cm 3%水泥稳定级配碎石底基层、路基E40 MPa。由此可知，原路面结构设计并未针对交叉口处于国道、交通量大、重载多、交通渠化、信号灯控制等特征进行专项设计，其路面结构与一般路段无异。改性沥青砼（AC-13C）上面层属细粒式的AC型沥青混合料，虽采用改性沥青，但用于交叉口路面集料粒径偏细，属于悬浮密实型级配，该型粗集料与细集料之间悬浮分离，未形成骨架嵌挤，强度低，高温稳定性较差，抗车辙能力弱，客观上容易产生高温车辙、推移、波浪、拥抱等病害。（5）为探究交叉沥青混凝土病害内在情况，现场选取代表性的病害部位进行“开窗”探坑及取芯。从图5可知，沥青混凝土上、下面层及上基层级配严重偏离设计，细集料多，粗集料少，混合料存在较大离析、集料洁净度差，沥青与集料粘附性差，病害处芯样无法完整取出，可能是施工中质量管控缺失，存在原材料选用不当、沥青混合料生产配合比未达设计要求、碾压密实不到位等不合理情况，在交叉口特性交通的作用下，不可避免地出现车辙、波浪、推移、剥落、坑槽等沥青混凝土路面常见病害。（a）芯样无法完整取出（b）沥青混合料级配偏差图5路面结构探坑“开窗”及现场芯样（6）从公路养护部门了解可知，两交叉口沥青混凝土路面病害已进行过6次的应急铣刨加铺。由于交叉口位于交通繁忙的国道干线上，迫于交通压力仅采取小范围修补，沥青路面修补材料有时采用冷补沥青混凝土，有时直接从沥青拌合站运取其他项目的热拌沥青混合料进行铺筑，未讲究沥青混合料级配，另外压实机械也仅采用小型压路机进行碾压，无法保证压实度，从而无法保证修补后的交叉口沥青混凝土路面的使用品质和耐久性，修补部位往往在短时间内又出现剥落、松散、坑槽、车辙、推移拥抱等病害。3交叉口沥青混凝路面病害处治技术方案确定从上述交叉口病害类型及病害形成原因分析可知：2处交叉口沥青混凝土病害行成原因主要为原交叉口沥青混凝土路面同一般路段，未进行专项设计。沥青混凝上面层采用改性AC-13的细粒式悬浮密实型级配，该型级配在正常交通及气候条件下主要优点是混合料的低温及水稳性能较好，但高温欠佳，易产生车辙。尤其是在交叉口交通渠化、行车频繁启停制动、大货车制动刹车片滴水形成动水压力、路面温度场更高等不利因素作用下，高温稳定性更显不足。加之现场施工中质量管控存在缺19FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期失，路面结构各层均存在施工质量问题，特别是沥青面层沥青混合料集料选用不当、级配不达设计要求、碾压不密实等，交叉口沥青混凝土路面难免会出现剥落、松散、坑槽、车辙、推移、拥包等病害。为彻底处治2处交叉口沥青混凝土路面的病害，必须进行针对性的处治方案设计。3.1基层底基层和基层是路基和路面结构的承载体，若其强度不够，会增大面层产生车辙的概率。交叉口原路面底基层为半刚性厚度32 cm的3%水泥稳定级配碎石层，强度较高，可加以利用；但基层采用级配碎石属柔性基层，回弹模量低，对于抵抗面层车辙的产生强度不够，处治方案改为挖除旧级配碎石层，并整平碾压密实后，铺筑厚16 cm的5%水泥稳定级配碎石层。3.2沥青混凝土面层沥青混凝土面层结构设计应遵循以下原则：上面层考虑高温抗车辙、低温抗开裂、防水损性能强和有足够构造深度的材料；中面层主要考虑具有足够的抗车辙能力；下面层则应侧重抗疲劳开裂能力和水密性。另外，应结合现场通行的交通量、交通车型、交通荷载、当地气候温度等因素进行沥青混凝土面层各层材料选择并确定合理的厚度。结合现有福建省高速公路和国省干线沥青混凝土路面结构，认为交叉口路面现有的沥青混凝土面层各层厚度是合理的，可继续使用；各层材料则根据设计原则和现场实际情况适当改进。具体处治方案如下：（1）交叉口路面原下面层采用16 cm粗粒式普通沥青密集配稳定碎石层（ATB-25），其具有足够的抗疲劳开裂性能密水性，但由于施工质量存在缺陷，应全层铣刨原位重铺，且重铺后的下面层其动稳定度要求不小于1 600次/mm；（2）交叉口路面原中面层采用6 cm中粒式SBS改性沥青砼中面层（AC-20C），抗车辙性能原能保证，但由于施工质量存在缺陷，应全层铣刨，基于交叉口严酷的交通环境，对原中面层沥青混凝土进行改进，除了继续采用6 cm中粒式SBS改性沥青外，还添加质量为沥青混合料质量的0.4%的抗车剂，再原位重铺，重铺后的中面层动稳定度要求不小于6 000次/mm；（3）交叉口路面原上面层采用细粒式4 cmSBS改性沥青砼抗滑表层（AC-13C），对交叉口而言，高温稳定性明显不足，除该层厚度不变外，沥青混凝土重新设计。处治方案为全层铣刨，改为铺筑添加纤维和抗车辙剂（添加质量为沥青混合料质量的0.5%），级配为紧密骨架嵌挤结构，不仅低温、水稳性能好，而且高温性能卓越的中粒式SBS改性沥青混凝土SMA-16C上面层，重铺后的上面层动稳定度要求不小于7 000次/mm。3.3层间粘结为增强水泥稳定碎石基层与面层的密切结合和密水性，先在层间设置透层油，规格为PC-2，乳液用量为1.2 L/m2，渗入深度不小于5 mm，并在表面撒布粒径为510 mm碎石，石屑用量为3 m3/1000 m2；再在水泥稳定碎石基层设置具有防水和保护基层功能的下封层，封层沥青采用PCR型改性(SBS)乳化沥青，乳液用量为1.0 kg/m2，并在表面撒布粒径为510 mm石屑