超載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

毛建影 溫 濤

(東營(yíng)市公路勘察設(shè)計(jì)院 / 山東中咨公路咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)有限公司, 山東 東營(yíng) 257091)

超載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

毛建影 溫 濤

(東營(yíng)市公路勘察設(shè)計(jì)院 / 山東中咨公路咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)有限公司, 山東 東營(yíng) 257091)

本文針對(duì)超載對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成的損傷，依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，從超載與現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)方法的相關(guān)點(diǎn)入手，通過(guò)分析超載交通路面的破壞現(xiàn)象，研究了超載對(duì)路面使用功能的影響及對(duì)路面材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響破壞現(xiàn)象 路面使用功能

1. 超載運(yùn)輸現(xiàn)象的概述

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)公路交通事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，到2014年底全國(guó)公路總里程達(dá)到466.4萬(wàn)公里，其中高速公路達(dá)到11.2萬(wàn)公里。公路建設(shè)帶動(dòng)了沿線經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)也使交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展也帶來(lái)公路運(yùn)輸中“重載、大流量和渠化交通”的特點(diǎn)。

近年來(lái)，廠家生產(chǎn)的設(shè)備向著大型化、重型化的方向發(fā)展，因公路運(yùn)輸較為快捷、安全與方便，可以做到門(mén)到門(mén)的運(yùn)輸，這些設(shè)備運(yùn)輸多以公路運(yùn)輸為主。汽車(chē)制造企業(yè)，為了適應(yīng)這種發(fā)展的需要，片面發(fā)展大型或重型貨物運(yùn)輸車(chē)輛，使公路上通行的大、重型車(chē)輛不斷增加。公路卻因建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、投資大、分布廣、使用年限長(zhǎng)和歷史等多種原因，難以與運(yùn)輸車(chē)輛大型、重型化的發(fā)展同步發(fā)展。公路的現(xiàn)有技術(shù)狀況不能滿(mǎn)足大型或重型貨物運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

在我國(guó)，超載現(xiàn)象十分普遍。據(jù)資料顯示，某省對(duì)其主要交通干線上的車(chē)輛調(diào)查結(jié)果表明，軸重100kN車(chē)輛超載率達(dá)76%，不但超載現(xiàn)象十分普遍，而且超載車(chē)的比例以及超載量呈逐漸惡化的趨勢(shì)。

2. 超載對(duì)瀝青路面使用功能的影響

2.1 超載對(duì)瀝青路面損傷形式

行車(chē)荷載在路面損壞的一個(gè)很重要的因素，我們研究超載車(chē)輛對(duì)道路性能的影響，需了解行車(chē)荷載對(duì)道路的主要損壞形式，從此可以針對(duì)這些病害對(duì)超限情況嚴(yán)重的路段的設(shè)計(jì)、管理、養(yǎng)護(hù)、維修、重建提出有針對(duì)性的決策。

瀝青混凝土路面在行車(chē)荷載和自然因素的共同反復(fù)作用下會(huì)逐漸出現(xiàn)損壞，使其使用性能逐步惡化。由于荷載、環(huán)境、材料組成、結(jié)構(gòu)層組合、施工和養(yǎng)護(hù)等條件的不同，損壞的形態(tài)有多種。有各種裂縫，如橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀裂縫和網(wǎng)狀裂縫(龜裂)等；也有各種類(lèi)型的變形，如沉陷、車(chē)轍、推移和擁起等；表層有時(shí)可能還有各種露骨、松散、剝落、坑槽和泛油等。

2.2 超載對(duì)瀝青路面使用壽命的影響

我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ014--97)中以路表彎沉作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，以整體性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)驗(yàn)算指標(biāo)，并分別以彎沉等效原則和層底拉應(yīng)力等效原則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載的換算。

我國(guó)路面設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)等效疲勞損壞原理，采用彈性理論分析荷載應(yīng)力與軸載的關(guān)系，結(jié)合公路上實(shí)測(cè)不同軸載汽車(chē)的彎沉對(duì)比，疲勞試驗(yàn)以及直槽測(cè)試驗(yàn)證，提出了不同軸載車(chē)輛對(duì)路面的損壞程度不同。對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)：

當(dāng)車(chē)輛軸載增加時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)不是按比例增加，而是按4.35次方增加。因此，當(dāng)汽車(chē)超載時(shí)，其軸重對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損壞更為嚴(yán)重，其累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次顯著增加。為了分析超載對(duì)路面使用壽命的影響，選取了高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路4種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)，相應(yīng)給出對(duì)應(yīng)的一組路面結(jié)構(gòu)使用初期的交通量(考慮20%的空載率)，先由式（2-1）計(jì)算各種車(chē)型空載、滿(mǎn)載、超載30%、超載60%、超載100%時(shí)的換算系數(shù);再分別計(jì)算4種公路等級(jí)不同車(chē)型的準(zhǔn)軸次和累計(jì)準(zhǔn)軸次，累計(jì)準(zhǔn)軸次按式（2-2）計(jì)算：

然后假定路面結(jié)構(gòu)按滿(mǎn)載時(shí)的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次進(jìn)行設(shè)計(jì)，反算不同超載率時(shí)路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3. 超載與瀝青路面設(shè)計(jì)

3.1 超載對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響

（1）設(shè)計(jì)彎沉

為控制路基路面結(jié)構(gòu)的總變形，防止沉降、車(chē)轍等整體強(qiáng)度不足的損壞，采用彎沉設(shè)計(jì)指標(biāo)—路基路面結(jié)構(gòu)表面在雙圓均布荷載作用下輪隙中心處的實(shí)測(cè)路表彎沉值sl小于或等于設(shè)計(jì)彎沉值dl作為確定瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。即

（2）結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)力

依據(jù)設(shè)計(jì)彎沉值進(jìn)行路面厚度計(jì)算時(shí)，為防止瀝青混凝土或半剛性基層、底基層的疲勞開(kāi)裂，應(yīng)對(duì)面層及半剛性基層、底基層的拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，以此最終確定路面的設(shè)計(jì)厚度。采用拉應(yīng)力指標(biāo)—瀝青混凝土面層或半剛性材料層底面計(jì)算點(diǎn)的拉應(yīng)力。應(yīng)小于或等于該層材料的容許拉應(yīng)力，即：

其中：

σsp--瀝青混凝土或半剛性材料的劈裂強(qiáng)度(MPa)；Ks--抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對(duì)瀝青混凝土面層：

式中：aA--瀝青混合料級(jí)配的系數(shù)，細(xì)、中粒瀝青混凝土為1.0，粗粒式瀝青混凝土為1.1。

進(jìn)行層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)需要進(jìn)行當(dāng)量軸次的換算，換算后同樣可以得知超載對(duì)折算后標(biāo)準(zhǔn)軸數(shù)量影響很大，拉應(yīng)力隨著車(chē)輛軸載的增大而加大。超載情況下，路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力隨軸重增加幾乎呈直線增長(zhǎng)。對(duì)于強(qiáng)度較弱的路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)作用軸載很大時(shí)，重車(chē)作用一次就可能導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的破壞，路面整體強(qiáng)度迅速降低。

對(duì)瀝青路面，根據(jù)重載交通可能出現(xiàn)的最大軸載，以極限強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)算半剛性材料基層、底基層層底的拉應(yīng)力，半剛性材料基層、底基層層底的拉應(yīng)力1σ應(yīng)小于該結(jié)構(gòu)層材料的抗拉強(qiáng)度(劈裂強(qiáng)度)，即：。當(dāng)在超載車(chē)輛的最大軸載作用下，則拉應(yīng)力超過(guò)該層材料的極限強(qiáng)度，引起整體性結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂，使路面承載能力迅速降低，造成一次性破壞。

3.2 超載對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度的影響

沉值為路面整體剛度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)厚度。設(shè)計(jì)彎沉值是根據(jù)設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道上預(yù)測(cè)通過(guò)的累計(jì)當(dāng)量軸次、公路等級(jí)、面層和基層類(lèi)型而確定的。因此，在設(shè)計(jì)路面厚度時(shí)，交通軸載起決定性作用。目前的規(guī)范中，采用雙輪組單軸軸載100kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載。但是，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，交通量的預(yù)測(cè)值往往與實(shí)際道路通車(chē)后的實(shí)測(cè)交通量有較大誤差。另外，超載運(yùn)輸車(chē)輛的增加使通車(chē)第一年的實(shí)際當(dāng)量作用次數(shù)N又大于預(yù)測(cè)的數(shù)值，實(shí)際軸載大幅度提高。如果要保證超載車(chē)輛不加速路面的疲勞破壞，則需要從設(shè)計(jì)上增加結(jié)構(gòu)厚度，使超載車(chē)輛產(chǎn)生的層底彎拉應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)軸載產(chǎn)生的層底彎拉應(yīng)力相等。

4. 結(jié)論

交通流量大幅度增長(zhǎng)，重型載貨車(chē)和超載車(chē)輛數(shù)量急劇上升，軸載質(zhì)量顯著增大，超載程度增加，超載現(xiàn)象十分普遍，對(duì)路面產(chǎn)生不同程度的早期破壞。本文研究了超載對(duì)路面使用功能的影響及對(duì)路面材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

[1]孫立軍，張宏超，劉黎萍，胡小弟 瀝青路面初期損壞特點(diǎn)和機(jī)理分析(重交通瀝青路面設(shè)計(jì)方法之一)[J] 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)2002年416～421頁(yè)。

[2]沙慶林 高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M] 人民交通出版社2001年。

[3]黃曉明 瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交通量確定方法研究[M] 人民交通出版社1997年。

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1007-6344（2015）11-0140-01