新疆G30线芨东互通至乌拉泊段公路路面使用性能研究

张 璟

(1.新疆交通科学研究院 乌鲁木齐市 830000; 2.干旱荒漠区公路工程技术交通行业重点实验室 乌鲁木齐市 830000)

1 研究背景

G30线芨东互通至乌拉泊段是新疆第一条高速公路“吐鲁番-乌鲁木齐-大黄山” 公路中的一段，是疆内东疆、南疆乃至疆外进入乌鲁木齐唯一快速干线通道，自1998年建成通车以来，已正常运行23年[1]。 “吐-乌-大”公路全长243km，其中芨东互通至乌拉泊段全长15.3km，是全疆交通量最大的路段，至今未开展过大修养护，但路面整体稳定性较好，未发生大面积结构性破坏。本路段是新疆第一条高速公路，且具有疆内最大的历史交通量，详细了解其路面使用性能，对疆内其他高等级公路路面建设具有很好的参考价值。

2 工程概况

2.1 建设养护历史

本段于1998年建成通车，高速公路标准，设计速度120km/h，路基宽26m，路面宽21.5m；设计累计当量轴次为1200万次[2]，容许弯沉为0.359mm，路面结构为4cm厚中粒式沥青混凝土+5cm厚粗粒式沥青混凝土+6cm厚沥青碎石+20cm厚4%～5%水泥稳定砂砾+24～42cm厚天然砂砾。本路段自通车以来，除日常养护外于2010年～2014年期间，分批次分段落进行了中修罩面养护工程。

2.2 沿线自然地理条件

本段位于天山以北冲积、洪积平原上，地势自南向北微倾斜，地形平坦开阔。所在地区为中温带半干旱大陆性气候，属绿洲—荒漠区，公路自然区划属Ⅵ2区。路线范围地层主要为第四系、第三系冲洪积沉积物，表层以砂土、粉土、粉质黏土为主，层厚0.5～2m，下卧层为砾类土，总体地质状况良好。

2.3 交通组成特点及对项目的影响

收集到2017～2019年本路段内芨南交调站观测数据，见表1。

表1 芨南交调站交通量统计表

从收集的数据上可知：

(1)本路段作为进出乌鲁木齐的重要通道，交通量整体呈增长趋势，年均增长范围在8%～16%之间。从交通组成上看，区间重载交通量大，大型以上客、货车占比达31%～34%%。

(2)将历年累计交通量换算成标准轴载的当量作用次数约为2000万次，已远超设计当量轴次1200万次。

3 路面技术状况检测与评价

根据现场调查，本段既有路面整体稳定性较好，但路面破损严重，主要病害为块裂、龟裂、纵横向裂缝、修补等，裂缝最大横缝宽为1.5cm，横缝间距5～8m，纵缝主要集中在轮迹带处。

3.1 公路技术状况调查与评定

根据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)的要求，对每公里PCI 指数、RQI指数、RDI指数及PBI指数进行评定[3-7]。

(1)路面破损情况(PCI)评定

路面损坏状况指数(PCI)分布规律如图1所示。

图1 路面损坏指数折线图

由检测数据可以看出，本段的上行行车道和超车道的路面损坏状况指数PCI评定等级均以“差”为主，下行超车道的路面损坏状况指数PCI评定等级以“中”为主，下行行车道路面损坏状况指数PCI评定等级以“差”为主。上、下行车道的超车道路面破损指数均比行车道好，下行线路面破损指数优于上行线。经调查，主要原因是上行车辆多为满载车辆，而下行车辆空载率较高。

(2)沥青路面行驶质量(RQI)评价

路面行驶质量指数(RQI)分布规律如图2所示。

图2 路面平整度折线图

由检测数据可以看出，本段RQI评定主要以“良”为主，超车道的路面平整度相比行车道的较好。经调查，K3578+000～K3579+000段平整度差是由于该处位于乌拉泊老收费站处，站前车辆制动减速等原因，造成路面拥包，高低起伏不平。

(3)路面车辙深度调查(RDI)、路面跳车检测(PBI)

由检测数据可知，本段车辙状况指数评定以“优”为主，路面跳车指数评定以“良”为主。经调查，全线无明显车辙现象，路面跳车主要发生在桥梁两侧、中修罩面接缝处及收费站前后。

(4)路面结构强度评价

路面弯沉数值检测数据如图3所示。

图3 路面弯沉分布图

由检测结果可知，既有道路路面实测弯沉值在40(0.01mm)以下的占比为72.5%，路面结构强度指数PSSI基本为“优”和“良”，所占比例为76%。下行线路面结构强度指数比上行线整体较好。将PCI与PSSI进行对比分析(图4)，路面损坏指数与

图4 上行线PCI与PSSI对比图

路面结构强度指数分布规律基本一致，路面结构强度低的路段，路面破损较严重，其中路面结构强度较低路段基本分布在收费站、立交前后，交通量大、车辆频繁加减速对路面强度衰减起到了加速作用。

3.2 专项数据检测与分析

3.2.1钻芯调查及分析

为了进一步直观地了解路面使用状况，为病害成因分析提供参考依据，对路面裂缝、龟网裂等病害路段及无病害路段的路面进行钻芯取样，现场取芯情况如图5所示。

图5 路面钻芯芯样

由检测结果可知：

(1)沥青面层厚度均达到设计值15cm，且大部分路段经过加铺罩面，厚度达20～25cm；基层厚度基本达到设计厚度，基层厚约为20cm。

(2)轻度纵、横缝主要发生在上面层，重度纵、横缝处面层与基层多为贯通缝,裂缝多为上宽下窄。

(3)轻、中龟裂、块裂处裂缝主要发生在上面层，部分延伸至中面层。

(4)重度龟裂处面层裂缝多为贯通缝，基层表面松散。

(5)无病害处基层均基本完好，基层与面层粘结较好。

3.2.2基层芯样抗压强度试验分析

基层芯样无侧限抗压强度见表2，根据试验结果可知，取出来的水泥稳定砂砾基层芯样无侧限抗压强度在6.5～8.8MPa范围，强度普遍偏高，表明基层整体强度较好，未发生结构性破坏。

3.2.3沥青混合料室内试验

沥青混合料劈裂强度试验结果见表3，根据试验结果可知，油石比均在3.7%～4.8%之间，平均值为4.16%，表明沥青混合料中沥青含量损失不大，个别处由于面层松散、龟裂严重，导致细集料脱落严重，致使混合料油石比相对较低；筛分结果表明，目前沥青面层矿料级配基本满足规范要求，混合料整体级配良好。上面层劈裂强度在0.841～1.117MPa之间，均低于1.2MPa，表明沥青上面层劈裂强度偏低。

表2 基层芯样无侧限抗压强度统计表

表3 沥青混合料劈裂强度试验结果统计表

沥青老化试验结果见表4，由试验结果可知，老路沥青针入度在39～42(0.1mm)之间，低于规范要求80～100 (0.1mm)的范围，软化点为54.3℃，满足规范要求的不小于42℃的标准，延度仅为7～9cm，远远小于规范中要求的不小于60cm的规定。由此可见面层沥青均存在严重老化，沥青低温抗裂性能不足，无法满足低温条件下抵抗反复荷载作用，导致产生裂缝类病害，与沥青混合料劈裂强度试验结果较为吻合。

表4 沥青老化试验结果统计表

3.2.4探地雷达无损检测

(1)K3577+000～K3578+000上行行车道

本路段PCI评分值为27.12，路面病害主要为块裂、龟裂。从探地雷达结果来看，见图6，面层与基层分界明显，基层表面层间粘结差，基层顶部存在松散病害；各层表面波形起伏较大，基层与面层在同一位置波形基本一致，表明该处面层病害与基层存在关联性，路面裂缝为贯通性裂缝。

图6 K3577+000处上行行车道探地雷达影像

(2)K3584+000～K3585+000下行线超车道

本路段PCI评分值为77.98，路面病害以横向裂缝为主。从探地雷达结果来看，见图7，面层与基层分界较为模糊，基层表面层间粘结较好；各层表面波形较为平顺，面层和基层整体性好，病害较少。

图7 K3584+000处下行线超车道探地雷达影像

(3)K3580+000～K3581+000上行线行车道

本路段PCI评分值为50.35，路面病害以横缝、龟裂为主。从探地雷达结果来看，见图8，面层与基层分界明显，基层表面层间粘结差；部分段落面层波形起伏较大，但基层波形较为平顺，路面病害主要发生在面层，基层整体性较好。

图8 K3580+000处上行线行车道探地雷达影像

路面使用性能分析：根据2021年4月份最不利条件下测得弯沉数据，PSSI评定为优、良占比为76%，评定差占比为15%；根据路面钻芯取样进行情况分析，轻、中度病害处面层和基层芯样完整性较好，病害主要发生在上面层，面层各层粘结较好，基层无侧限抗压强度高；重度裂缝及龟裂处，面层与基层连接差，基层表面松散；根据探地雷达检测分析，面层和基层病害处波形基本一致，表征面层和基层病害存在一定关联性，故综合判断本段路面面层强度较低，基层强度基本满足要求，整体稳定性较好，仅局部破损严重段落，基层强度不满足要求。

3.3 路面病害原因分析

本段主要以裂缝类病害为主，变形类病害较少，结合以上路况调查和检测试验结果，初步分析产生病害原因如下：

(1)疲劳性裂缝。本段高速公路沥青路面设计使用年限为15年，实际运行23年，设计累计当量轴次为1200万次，实际累计当量轴次达2000万次。超载重载导致道路高负荷或超负荷使用，超过了道路本身的设计运营能力和荷载极限，在车辆荷载的反复作用路面产生疲劳裂缝。

(2)温缩裂缝。本段位于乌鲁木齐，冬季寒冷及夏季昼夜温差大会在沥青面层中产生温度收缩应力，造成沥青路面的温度裂缝和温缩疲劳裂缝[8]，裂缝经过行车荷载作用易发展为沥青路面的龟裂。

(3)反射裂缝。一方面在基层成型过程中，基层材料失水收缩而形成规则的横向裂缝；另一方面基层材料因温度骤降而发生低温收缩开裂，这两种收缩变形使沥青面层底面上承受拉力，当拉力超过沥青面层的抗拉强度时就使沥青面层底部拉裂，并随着温湿的循环变化及行车荷载的反复作用而导致沥青面层底面裂缝沿竖向向上扩展到路表，从而形成沥青路面横向裂缝。

(4)路面强度不足。由于本路段运行时间长，沥青严重老化，导致面层强度日趋降低，且路面基层局部强度不足，导致路面产生破损。

4 结语

通过对G30线芨东互通至乌拉泊段路面性能进行检测与分析，可以得到以下结论：

(1)本段路基层强度整体较好，面层强度不足，产生裂缝类病害的主要原因是沥青老化及超负荷碾压导致的面层疲劳破坏。

(2)本路段实际累计当量轴次已超过设计累计当量轴次，但未发生结构性破坏，与基层水泥稳定砂砾强度高、沥青面层较厚、养护及时，以及施工质量较好都存在一定关系。

(3)本路段路面结构设计中水稳基层厚度为20cm，与近年疆内高速公路采用32～38cm厚水稳基层差异较大，但其无侧限抗压强度大于一般要求的4～6MPa，在路基稳定性较好的前提下，适当提高水稳基层强度有利于增加路面使用寿命，减少基层厚度，节约工程投资。

(4)探地雷达检测数据与路面钻芯情况及路面破损状况较为吻合，利用探地雷达检测路面病害，有利于更加清楚地了解路面基层和下面层病害状况，对后期养护方案的确定提供较好依据。

本路段是新疆第一条高速公路，且具有疆内最大的历史交通量，详细了解其路面使用性能，对疆内其他公路建设具有很好的参考价值。