基于重載交通的瀝青路面受力特性及病害防治措施研究

黃 江

（山西省公路局，山西 太原 030006）

2016年底，我國(guó)高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)130000 km。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通量不斷上升，重載車輛運(yùn)輸成為了交通量的主要組成部分。

重載交通加快了路面的損壞，嚴(yán)重縮短了路面設(shè)計(jì)的使用壽命和服務(wù)性能，甚至引發(fā)道路交通安全事故。在車輛重載作用下無(wú)論瀝青混凝土路面還是水泥混凝土路面均有路面早期損壞較為嚴(yán)重的現(xiàn)象。針對(duì)運(yùn)煤重載瀝青路面，研究重載交通對(duì)路面早期破壞的形式及原因，提出相應(yīng)的措施，對(duì)延長(zhǎng)路面壽命，維護(hù)道路安全，降低路面養(yǎng)護(hù)成本非常重要。

1 重載路面軸載分析

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，重載交通較為普遍，運(yùn)煤道路最大的特點(diǎn)為：車輛運(yùn)輸具有顯著的方向性。返回煤炭產(chǎn)區(qū)的車輛多為空載，軸載重量輕，較分散；駛離煤炭產(chǎn)區(qū)的載重車輛滿載煤炭軸載重量大，行駛速度慢，出行集中[1]。重載現(xiàn)象越來(lái)越突出，路面的早期破壞也不斷加重。

圖1 山西某高速軸載譜分布

利用車輛軸載自動(dòng)稱重系統(tǒng)對(duì)山西某高速進(jìn)行24 h連續(xù)調(diào)查，獲得不同軸輪組的軸載分布。

由軸載譜分布圖1可知，單軸-單輪組軸載譜大于6 t的占20%左右，為單峰值分布；單軸-雙輪組軸載譜集中在10～18 t，比例達(dá)到30%左右，軸重超過(guò)10 t的達(dá)到37%左右，近5%的軸載達(dá)到20 t；雙軸-雙輪組軸載譜中有約53%的軸重超過(guò)18 t；三軸-雙輪組中約56%的軸重超過(guò)22 t。由此可見(jiàn)，山西以貨運(yùn)運(yùn)輸為主，且貨運(yùn)車輛中以重型大貨車、特大貨車和拖掛車為主。

2 重載路面交通調(diào)查

調(diào)查山西省某車道的貨車流量情況，按照車型對(duì)路面的影響程度將各種車型進(jìn)行一定的折算，重型貨車折算系數(shù)為4，大貨車為3，中貨車為1.5，小貨車為1。調(diào)查及分析結(jié)果如表1與圖2所示。

表1 貨車流量調(diào)查

圖2 各類型貨車所占比例圖

由圖2可知該條道路主要交通是重型貨車，占總交通量的88.9%，折算比例達(dá)到了94%；其次是大貨車，比例為4%，中、小型貨車占總交通量的2%。

3 重載條件下路面受力特性

調(diào)查山西省重載的路面結(jié)構(gòu)主要有半剛性、混合式、復(fù)合式瀝青路面，以半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為例分析重載條件下路面結(jié)構(gòu)的受力特性，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

根據(jù)路基的彈性半空間體假設(shè)，建立有限元模型。采用軸載為100 kN、130 kN、190 kN三種工況對(duì)比分析，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分別為 0.7 MPa、1.0 MPa、1.3 MPa。計(jì)算半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同深度處的剪應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 隨軸載變化的剪應(yīng)力變化對(duì)比圖

由圖3可知：

a）路面結(jié)構(gòu)同一深度處，剪應(yīng)力隨荷載的增加而增大。

b）不同荷載下，路面深度由0增加至60 cm過(guò)程中，剪應(yīng)力均呈現(xiàn)先增加后減小，再增加再減小的趨勢(shì)。

c）剪應(yīng)力在路面深度4 cm以上位置急劇增加，在約4 cm深處達(dá)到峰值，即在上面層中剪應(yīng)力是不斷增加的，至上面層與中面層交界處達(dá)到最大。

在不同厚度條件下，計(jì)算路面基層底面拉應(yīng)力及土基頂面壓應(yīng)變隨荷載變化的關(guān)系，如圖4（第35頁(yè)）所示。

由圖4可知：

d）瀝青路面基層層底的拉應(yīng)力隨著軸載的增加而增大，呈正比關(guān)系。

e）拉應(yīng)力隨著瀝青面層厚度的增加而減小，而變化趨勢(shì)幾乎不隨瀝青層厚的變化而變化。

4 重載路面病害及防治措施

根據(jù)重載條件下路面的受力特性可知，重載對(duì)路面結(jié)構(gòu)所受剪應(yīng)力影響非常大，使瀝青路面產(chǎn)生塑性變形，累計(jì)后形成車轍[2]。特別地，在溫度的耦合作用下，重載車輛對(duì)層間的剪切應(yīng)力進(jìn)一步增大，軸載越大，側(cè)向剪切位移越大，車轍程度越大。路面在重載條件下，瀝青路面的主要病害是車轍、裂縫、松散及坑槽等。

4.1 高速公路病害調(diào)查

根據(jù)交通運(yùn)輸部每年路況檢查資料顯示，山西省部分高速公路的病害情況如表3所示。

圖4 隨軸載變化的層底拉應(yīng)力及拉應(yīng)變對(duì)比圖

表3 山西省部分高速公路路面病害調(diào)查

資料顯示，山西省部分高速公路的主要病害為車轍和裂縫，而主要原因是山西省的煤礦資源豐富，道路交通組成主要是貨車所占比例極大，且主要為重型貨車，重型荷載作用使路面車轍的發(fā)展非常快。

4.2 車轍病害的預(yù)防及養(yǎng)護(hù)措施

根據(jù)路面病害的調(diào)查顯示，瀝青路面早期病害以車轍和裂縫較為嚴(yán)重，對(duì)瀝青路面常見(jiàn)的病害進(jìn)行預(yù)防及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施應(yīng)從瀝青混合料設(shè)計(jì)階段，施工期的質(zhì)量控制，運(yùn)營(yíng)期路面養(yǎng)護(hù)以及對(duì)超載車輛的管制方面入手，做到防治結(jié)合，最大限度地保證路面的使用性能。

4.2.1 優(yōu)化瀝青混合料設(shè)計(jì)

考慮重載對(duì)道路的影響，在瀝青混合料設(shè)計(jì)階段盡可能對(duì)材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：

a）選擇高黏性瀝青或改性瀝青，提高混合料抗車轍能力。

b）控制瀝青用量，減小油石比，將集料級(jí)配設(shè)計(jì)形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

c）提高結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)，控制混合料空隙率，各面層之間模量相近，保證基層穩(wěn)定基礎(chǔ)上多采用“強(qiáng)基薄面”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.2.2 嚴(yán)格把好施工質(zhì)量關(guān)

施工質(zhì)量是決定路面使用壽命長(zhǎng)短的最重要因素，要保證施工質(zhì)量應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行嚴(yán)格管理：

a）保證基層鋪筑前路床的彎沉滿足規(guī)范要求。

b）嚴(yán)格控制各結(jié)構(gòu)層原材料及混合料質(zhì)量。

c）保證基層強(qiáng)度及水穩(wěn)性。

d）嚴(yán)格控制瀝青混合料拌合、攤鋪機(jī)壓實(shí)溫度。

e）碾壓應(yīng)連續(xù)、均勻，碾壓完成后進(jìn)行壓實(shí)度及平整度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

4.2.3 加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)期間公路管理

新建或大修后的公路投入使用后，盡快按照設(shè)計(jì)軸載對(duì)運(yùn)輸車輛進(jìn)行管制，控制及治理載重汽車的重載現(xiàn)象。對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生損害的路面應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行治理，防止路面損害的進(jìn)一步惡化。

4.2.4 采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施

研究表明，重載瀝青路面的主要問(wèn)題是車轍，針對(duì)病害的不同嚴(yán)重程度，采取科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)措施。車轍損壞在運(yùn)煤重載路面最為嚴(yán)重，對(duì)此可采用以下3種技術(shù)進(jìn)行維修處理：

a）微表處理法 將瀝青、水泥等稀漿混合料攤鋪在瀝青路面車轍位置。該方法快速、維修工期短、成本低。

b）熱再生法 將車轍位置的瀝青加熱軟化后，將舊料與黏合劑及再生劑混合，按配合比拌合成新料，重新鋪設(shè)在車轍損壞位置，該方法適宜車轍深度小于10 mm。

c）銑刨重鋪法 適用于任何形式的車轍損壞。將需要維修的車轍病害路段進(jìn)行規(guī)劃并標(biāo)記，銑刨后進(jìn)行重新攤鋪，從根本上解決了路面的車轍問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文基于山西省高速公路重載交通對(duì)瀝青路面的影響進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

a）通過(guò)調(diào)查分析重載路面的交通量及軸載譜，得出山西省交通組成以貨運(yùn)運(yùn)輸為主。

b）通過(guò)建立有限元計(jì)算荷載分別為100 kN、130 kN、190 kN條件下，路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力變化及基層層底拉應(yīng)力、土基頂面壓應(yīng)變的變化，得出重載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響非常大，是路面產(chǎn)生車轍的主要原因。

c）調(diào)查山西省8條高速的路面性能，針對(duì)車轍主要病害，提出重載路面的預(yù)防及養(yǎng)護(hù)措施，應(yīng)從瀝青混合料設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理階段進(jìn)行路面質(zhì)量的控制及病害預(yù)防。