張 璟
(1.新疆交通科學(xué)研究院 烏魯木齊市 830000; 2.干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 烏魯木齊市 830000)
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(nèi)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(yǎng)護,但路面整體穩(wěn)定性較好,未發(fā)生大面積結(jié)構(gòu)性破壞。本路段是新疆第一條高速公路,且具有疆內(nèi)最大的歷史交通量,詳細了解其路面使用性能,對疆內(nèi)其他高等級公路路面建設(shè)具有很好的參考價值。
本段于1998年建成通車,高速公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計速度120km/h,路基寬26m,路面寬21.5m;設(shè)計累計當(dāng)量軸次為1200萬次[2],容許彎沉為0.359mm,路面結(jié)構(gòu)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(wěn)定砂礫+24~42cm厚天然砂礫。本路段自通車以來,除日常養(yǎng)護外于2010年~2014年期間,分批次分段落進行了中修罩面養(yǎng)護工程。
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(qū)為中溫帶半干旱大陸性氣候,屬綠洲—荒漠區(qū),公路自然區(qū)劃屬Ⅵ2區(qū)。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(zhì)黏土為主,層厚0.5~2m,下臥層為礫類土,總體地質(zhì)狀況良好。
收集到2017~2019年本路段內(nèi)芨南交調(diào)站觀測數(shù)據(jù),見表1。
表1 芨南交調(diào)站交通量統(tǒng)計表
從收集的數(shù)據(jù)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)約為2000萬次,已遠超設(shè)計當(dāng)量軸次1200萬次。
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,本段既有路面整體穩(wěn)定性較好,但路面破損嚴(yán)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。
根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)的要求,對每公里PCI 指數(shù)、RQI指數(shù)、RDI指數(shù)及PBI指數(shù)進行評定[3-7]。
(1)路面破損情況(PCI)評定
路面損壞狀況指數(shù)(PCI)分布規(guī)律如圖1所示。
圖1 路面損壞指數(shù)折線圖
由檢測數(shù)據(jù)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(shù)PCI評定等級均以“差”為主,下行超車道的路面損壞狀況指數(shù)PCI評定等級以“中”為主,下行行車道路面損壞狀況指數(shù)PCI評定等級以“差”為主。上、下行車道的超車道路面破損指數(shù)均比行車道好,下行線路面破損指數(shù)優(yōu)于上行線。經(jīng)調(diào)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(zhì)量(RQI)評價
路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)分布規(guī)律如圖2所示。
圖2 路面平整度折線圖
由檢測數(shù)據(jù)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(jīng)調(diào)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(diào)查(RDI)、路面跳車檢測(PBI)
由檢測數(shù)據(jù)可知,本段車轍狀況指數(shù)評定以“優(yōu)”為主,路面跳車指數(shù)評定以“良”為主。經(jīng)調(diào)查,全線無明顯車轍現(xiàn)象,路面跳車主要發(fā)生在橋梁兩側(cè)、中修罩面接縫處及收費站前后。
(4)路面結(jié)構(gòu)強度評價
路面彎沉數(shù)值檢測數(shù)據(jù)如圖3所示。
圖3 路面彎沉分布圖
由檢測結(jié)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(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI基本為“優(yōu)”和“良”,所占比例為76%。下行線路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)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(shù)與
圖4 上行線PCI與PSSI對比圖
路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)分布規(guī)律基本一致,路面結(jié)構(gòu)強度低的路段,路面破損較嚴(yán)重,其中路面結(jié)構(gòu)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。
3.2.1鉆芯調(diào)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(jù),對路面裂縫、龜網(wǎng)裂等病害路段及無病害路段的路面進行鉆芯取樣,現(xiàn)場取芯情況如圖5所示。
圖5 路面鉆芯芯樣
由檢測結(jié)果可知:
(1)瀝青面層厚度均達到設(shè)計值15cm,且大部分路段經(jīng)過加鋪罩面,厚度達20~25cm;基層厚度基本達到設(shè)計厚度,基層厚約為20cm。
(2)輕度縱、橫縫主要發(fā)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(fā)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(jié)較好。
3.2.2基層芯樣抗壓強度試驗分析
基層芯樣無側(cè)限抗壓強度見表2,根據(jù)試驗結(jié)果可知,取出來的水泥穩(wěn)定砂礫基層芯樣無側(cè)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(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。
3.2.3瀝青混合料室內(nèi)試驗
瀝青混合料劈裂強度試驗結(jié)果見表3,根據(jù)試驗結(jié)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(yán)重,導(dǎo)致細集料脫落嚴(yán)重,致使混合料油石比相對較低;篩分結(jié)果表明,目前瀝青面層礦料級配基本滿足規(guī)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(cè)限抗壓強度統(tǒng)計表
表3 瀝青混合料劈裂強度試驗結(jié)果統(tǒng)計表
瀝青老化試驗結(jié)果見表4,由試驗結(jié)果可知,老路瀝青針入度在39~42(0.1mm)之間,低于規(guī)范要求80~100 (0.1mm)的范圍,軟化點為54.3℃,滿足規(guī)范要求的不小于42℃的標(biāo)準(zhǔn),延度僅為7~9cm,遠遠小于規(guī)范中要求的不小于60cm的規(guī)定。由此可見面層瀝青均存在嚴(yán)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(fù)荷載作用,導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫類病害,與瀝青混合料劈裂強度試驗結(jié)果較為吻合。
表4 瀝青老化試驗結(jié)果統(tǒng)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(jié)果來看,見圖6,面層與基層分界明顯,基層表面層間粘結(jié)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(guān)聯(lián)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(jié)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(jié)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(jié)果來看,見圖8,面層與基層分界明顯,基層表面層間粘結(jié)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(fā)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(jù)2021年4月份最不利條件下測得彎沉數(shù)據(jù),PSSI評定為優(yōu)、良占比為76%,評定差占比為15%;根據(jù)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(fā)生在上面層,面層各層粘結(jié)較好,基層無側(cè)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(jù)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(guān)聯(lián)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(wěn)定性較好,僅局部破損嚴(yán)重段落,基層強度不滿足要求。
本段主要以裂縫類病害為主,變形類病害較少,結(jié)合以上路況調(diào)查和檢測試驗結(jié)果,初步分析產(chǎn)生病害原因如下:
(1)疲勞性裂縫。本段高速公路瀝青路面設(shè)計使用年限為15年,實際運行23年,設(shè)計累計當(dāng)量軸次為1200萬次,實際累計當(dāng)量軸次達2000萬次。超載重載導(dǎo)致道路高負荷或超負荷使用,超過了道路本身的設(shè)計運營能力和荷載極限,在車輛荷載的反復(fù)作用路面產(chǎn)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(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力,造成瀝青路面的溫度裂縫和溫縮疲勞裂縫[8],裂縫經(jīng)過行車荷載作用易發(fā)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(guī)則的橫向裂縫;另一方面基層材料因溫度驟降而發(fā)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(dāng)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(huán)變化及行車荷載的反復(fù)作用而導(dǎo)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(yán)重老化,導(dǎo)致面層強度日趨降低,且路面基層局部強度不足,導(dǎo)致路面產(chǎn)生破損。
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(jié)論:
(1)本段路基層強度整體較好,面層強度不足,產(chǎn)生裂縫類病害的主要原因是瀝青老化及超負荷碾壓導(dǎo)致的面層疲勞破壞。
(2)本路段實際累計當(dāng)量軸次已超過設(shè)計累計當(dāng)量軸次,但未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞,與基層水泥穩(wěn)定砂礫強度高、瀝青面層較厚、養(yǎng)護及時,以及施工質(zhì)量較好都存在一定關(guān)系。
(3)本路段路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中水穩(wěn)基層厚度為20cm,與近年疆內(nèi)高速公路采用32~38cm厚水穩(wěn)基層差異較大,但其無側(cè)限抗壓強度大于一般要求的4~6MPa,在路基穩(wěn)定性較好的前提下,適當(dāng)提高水穩(wěn)基層強度有利于增加路面使用壽命,減少基層厚度,節(jié)約工程投資。
(4)探地雷達檢測數(shù)據(jù)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(yǎng)護方案的確定提供較好依據(jù)。
本路段是新疆第一條高速公路,且具有疆內(nèi)最大的歷史交通量,詳細了解其路面使用性能,對疆內(nèi)其他公路建設(shè)具有很好的參考價值。