瀝青路面極限荷載和使用年限探索

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摘要：不同等級(jí)的瀝青路面有著不同的極限荷載，而極限荷載的差別直接關(guān)系到瀝青路面的使用年限，為了不斷提高瀝青路面的極限荷載和使用年限我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)瀝青路面極限荷載和使用年限探索與研究。本文基于此論述了瀝青路面極限荷載和使用年限的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)瀝青路面極限荷載和使用年限的極限狀態(tài)進(jìn)行了分析和證明。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；極限荷載；使用年限

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的日益密切，我國(guó)的公路運(yùn)輸事業(yè)獲得了巨大的進(jìn)步，公路運(yùn)輸人員為了降低運(yùn)輸成本和提高經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越多地采用大噸位的重型汽車(chē)來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸。然而我國(guó)目前的公路網(wǎng)中大多數(shù)公路都是低等級(jí)的公路，很多重型汽車(chē)在高級(jí)公路上不會(huì)超限，但是一旦行駛在低級(jí)公路上，很快就會(huì)對(duì)公路造成嚴(yán)重的損害，大大降低公路的使用年限。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，重型汽車(chē)的運(yùn)輸是不可避免的，而且會(huì)越來(lái)越多，因此科學(xué)地對(duì)瀝青路面極限荷載和使用年限進(jìn)行探索和確定具有十分重要的意義。

一、瀝青路面極限荷載和使用年限的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1、我國(guó)瀝青路面的特點(diǎn)

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較差，因此高速公路的建設(shè)起步較晚，施工技術(shù)水平也與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距，再加上復(fù)雜多樣的氣候條件和地質(zhì)條件，使得我國(guó)的各級(jí)道路受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)。由于我國(guó)過(guò)去技術(shù)水平比較落后，大多數(shù)的瀝青不得不依賴(lài)進(jìn)口，因而我國(guó)過(guò)去所修建的大量公路沒(méi)有很厚的瀝青層，因此我國(guó)公路的路面結(jié)構(gòu)主要由半剛性材料底基層、瀝青面層和基層構(gòu)成，其中被用來(lái)承重的是半剛性材料底基層，被用作功能層的是瀝青層。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和實(shí)踐證明，半剛性材料底基層具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和路用性能，因此它提供瀝青路面所需要的全面承載能力。在我國(guó)的已經(jīng)修建完成的三級(jí)公路，尤其是高速公路中，絕大部分都采用了半剛性材料底基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)。

2、具體評(píng)價(jià)指標(biāo)

做好瀝青路面的設(shè)計(jì)首先要對(duì)彎沉、應(yīng)變、疲勞、車(chē)轍和低溫開(kāi)裂等幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的控制，同時(shí)要注意考慮到交通條件和溫度變化對(duì)路面的影響，并注意節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，爭(zhēng)取以最小的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用達(dá)到最高的綜合效益[1]。表一列舉出了部分典型瀝青路面的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)指標(biāo)。一般情況下，如果路基受到了過(guò)大的應(yīng)力沖擊，那么就會(huì)發(fā)生永久變形，嚴(yán)重的還會(huì)引起路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開(kāi)裂的現(xiàn)象。因此通常情況下，采用面層或者基層底面的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變來(lái)作為瀝青路面極限荷載和使用年限的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此來(lái)對(duì)瀝青路面的整體性結(jié)構(gòu)層和混合料面層的開(kāi)裂情況。彎沉指標(biāo)則反映了瀝青路面各層抵抗豎向變形的能力，因此它著重體現(xiàn)了路基路面結(jié)構(gòu)的剛性，可以用于防止瀝青路面的沉陷和變形。另外，剪切指標(biāo)則主要反映了瀝青路面混合料的熱穩(wěn)性，在坡度較大或坡度較長(zhǎng)的瀝青路面上，車(chē)輛荷載往往會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，因此會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生較大損壞，而通過(guò)剪切指標(biāo)的檢驗(yàn)就可以對(duì)瀝青路面極限荷載和使用年限進(jìn)行判斷和研究。

二、瀝青路面極限荷載和使用年限的極限狀態(tài)

一般情況而言，瀝青混合料的斷裂應(yīng)變是比較大的，這一點(diǎn)我們可以通過(guò)舉例的方式來(lái)加以證明，在現(xiàn)行的瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)高級(jí)瀝青公路的瀝青混合料進(jìn)行符合實(shí)驗(yàn)規(guī)程的彎曲檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在在-10℃的溫度條件下進(jìn)行，瀝青路面的極限破壞應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表二所示。對(duì)于剛性基層的瀝青路面來(lái)說(shuō)，如果半剛性結(jié)構(gòu)層并沒(méi)有到安全損壞的地步，那么瀝青層底部的拉應(yīng)變會(huì)比較小，因而無(wú)法不能有效控制極限荷載。

1、瀝青層極限使用狀態(tài)

由于我國(guó)的瀝青研究起步較晚，因此與發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面的研究成果相比存在較大的差距，國(guó)外對(duì)瀝青混合料特性的研究已經(jīng)有六十年的歷史，在瀝青路面的各種指標(biāo)的研究中得出了較好的成績(jī)，諸如梯形梁試件二點(diǎn)法和棱柱體梁試件三點(diǎn)法等疲勞試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用到瀝青混合料的彎曲疲勞試驗(yàn)研究中[2]。因?yàn)楦鲊?guó)采用的試驗(yàn)方法不同，再加上試驗(yàn)的儀器和設(shè)備有所差別，并且瀝青混合料的具體性質(zhì)差異也比較大，因此很難得到一個(gè)比較統(tǒng)一的疲勞關(guān)系式，但是各國(guó)所采用的試驗(yàn)方法大多是針對(duì)瀝青面層地步的拉應(yīng)力試驗(yàn)研究，其中最典型的試驗(yàn)就是小梁重復(fù)彎曲試驗(yàn)，因此在這一點(diǎn)上各國(guó)是沒(méi)有爭(zhēng)議的。

2、土基的極限使用狀態(tài)

一般情況下，如果瀝青路面受到的荷載過(guò)大，那么就會(huì)發(fā)生永久變形而變得不平整，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)開(kāi)裂，嚴(yán)重影響了行車(chē)的舒適與安全。為了解決這個(gè)難題，各國(guó)都采用限制路基頂面縱向壓應(yīng)變的方法來(lái)防止和避免瀝青路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)永久變形的現(xiàn)象，為此建立了路基頂面縱向壓應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)荷載作用次數(shù)的關(guān)系式，通過(guò)對(duì)此關(guān)系式的整理分析與實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，采用路基頂面壓應(yīng)力可以使關(guān)系式不隨路基模量而發(fā)生太大的變化。因此AI法、Shell法、澳大利亞法和比利時(shí)法等均采用了路基頂面縱向壓應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)荷載作用次數(shù)的關(guān)系式，并取得了良好的成效。

3、瀝青路面較強(qiáng)極限荷載和較長(zhǎng)使用年限的要求

永久性路面的概念于二十世紀(jì)九十年代在歐洲被提出來(lái)，之后世界各國(guó)的相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者便對(duì)其展開(kāi)了廣泛而深入的研究[3]。其中一個(gè)英國(guó)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，如果瀝青路面存在一個(gè)厚度的極限，那么經(jīng)過(guò)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)與施工，超過(guò)厚度極限數(shù)值的瀝青路面結(jié)構(gòu)就不會(huì)因?yàn)槠诙a(chǎn)生永久性的變形和開(kāi)裂。而且瀝青的混合料存在著一個(gè)彎拉應(yīng)變的臨界點(diǎn)，如果路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)變的程度沒(méi)有達(dá)到此臨界點(diǎn)，那么瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值與其可承受的極限荷載次數(shù)呈現(xiàn)一條水平的漸進(jìn)關(guān)系線，這樣就證明了瀝青路面結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生疲勞損害。經(jīng)過(guò)具體的試驗(yàn)研究以后，最后得出的結(jié)果表明瀝青混合料應(yīng)變低于100時(shí)可以獲得較長(zhǎng)的使用年限。AI協(xié)會(huì)對(duì)瀝青混合料的疲勞極限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變值在70以下時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。美國(guó)的一些路段正常使用了40年左右而沒(méi)有出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)性損壞，通過(guò)對(duì)這些路段的研究，最后的結(jié)果表明這些路段的瀝青層底拉應(yīng)變值在100以下，土基頂面壓應(yīng)變值在200左右。因此上述研究結(jié)論表明，想要使瀝青路面獲得較強(qiáng)極限荷載和較長(zhǎng)使用年限，建議將瀝青混合料的彎拉臨界點(diǎn)數(shù)值控制在100左右，土基頂面的壓應(yīng)變值在200以下。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)確論證的基礎(chǔ)上對(duì)瀝青路面極限荷載和使用年限的評(píng)價(jià)指標(biāo)和極限狀態(tài)進(jìn)行了分析和研究，并得出了一定的結(jié)論，這對(duì)于進(jìn)一步加強(qiáng)瀝青路面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究，不斷提高我國(guó)瀝青路面的極限荷載和使用年限具有重大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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[3]帥青燕，何亞伯.高速公路瀝青路面全壽命經(jīng)濟(jì)分析[J].工程管理學(xué)報(bào)，2011，06：649-652.