長(zhǎng)大縱坡瀝青路面典型病害調(diào)查及其成因探析

吳美平，葉晶晶

（南京市江北新區(qū)建設(shè)和交通工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 南京 211500）

0 引 言

山區(qū)公路往往由于地形地貌的限制，不能像平原微丘區(qū)的公路那樣擁有比較平順的線形，而經(jīng)常形成連續(xù)的上下坡路段。車輛在這些長(zhǎng)大縱坡路段上行駛時(shí)，不僅擁有不同于普通公路時(shí)的行駛狀態(tài)，還因?yàn)樾旭偁顟B(tài)的不同導(dǎo)致路面承受不同的受力方式，其結(jié)果便是長(zhǎng)大縱坡路段的路面病害十分嚴(yán)重，這已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問題［1-2］。本文依托西南地區(qū)某二級(jí)公路改建工程，對(duì)長(zhǎng)大縱坡路段的瀝青路面病害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并分析了產(chǎn)生這些病害的原因，對(duì)長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面的病害防治有一定的指導(dǎo)意義。

1 病害調(diào)查

選取兩段（即 A 段、B 段）路線，選取每段1 000 m 進(jìn)行調(diào)查，每段的病害分布如圖1～2 所示。

圖1 A 路段病害分布圖

圖2 B 路段病害分布圖

由圖1～2 可知，對(duì)于A路段而言，車轍、修補(bǔ)和龜裂是該路段的主要病害，分別占病害比例的 27 %、41 % 和 22 %；對(duì)于 B 路段而言，車轍、龜裂和坑槽是該路段的主要病害，分別占病害比例的 44 %、36 % 和 19 %。對(duì)于其他病害，本文分析認(rèn)為，路面首先在荷載作用下產(chǎn)生了裂縫，隨著裂縫的發(fā)展，條形裂縫發(fā)展為龜裂，進(jìn)一步在荷載和環(huán)境共同作用下松散形成坑槽。據(jù)了解，A 段的坑槽經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)，坑槽數(shù)量已經(jīng)不是很多。因此，根據(jù)此次調(diào)查結(jié)果，可以得知對(duì)于長(zhǎng)大縱坡而言，車轍病害和坑槽病害是主要病害類型。

2 病害成因分析

2.1 重 載

重載，尤其是超載，會(huì)對(duì)路面造成很大損害［3］。該公路上重載交通占了很大一部分。重載車輛會(huì)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)引起很大的剪應(yīng)力，而較大的剪應(yīng)力不但會(huì)降低路面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)能力、引起剪切型裂縫，而且會(huì)使路面在抗剪強(qiáng)度不足的情況下出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍［4］。本文使用 Bisar3.0 程序計(jì)算了該路面結(jié)構(gòu)在超載情況下的剪應(yīng)力變化。計(jì)算所采用的路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)如表1 所示，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

表1 力學(xué)計(jì)算參數(shù)表

從圖3 可以看出，在 6 cm 面層范圍內(nèi)，剪應(yīng)力隨著深度增加呈變大的趨勢(shì)，超載對(duì)面層內(nèi)的剪應(yīng)力有很大影響。當(dāng)超載 20 % 時(shí)，最大剪應(yīng)力增加了 20.3 %；當(dāng)超載 100 % 時(shí)，最大剪應(yīng)力增加了 100.5 %，幾乎是線性增加。在較大的剪應(yīng)力下，路面材料會(huì)因?yàn)榭辜魪?qiáng)度不足而出現(xiàn)嚴(yán)重車轍和其他病害。

圖3 超載對(duì)面層剪應(yīng)力影響圖

2.2 低 速

車輛在長(zhǎng)大縱坡上爬坡時(shí)會(huì)降低車速以提高牽引力，而低速行車對(duì)路面的損害非常大。根據(jù)“時(shí)溫等效”原則，降低車速相當(dāng)于提高荷載作用于路面時(shí)的溫度，而高溫會(huì)造成瀝青材料的流動(dòng)性增加，在相同的荷載作用下增加面層材料的變形，形成較深的車轍［5-6］。本文也調(diào)查了車速和車轍深度隨坡度的變化，分別如圖4、圖5 所示。

圖4 車速隨坡度變化表

圖5 車轍深度隨坡度變化表

由圖4 可知，隨著坡度的增加，車輛的實(shí)際行車速度是降低的。當(dāng)坡度為 3 % 時(shí)，車速為 30 km/h；當(dāng)坡度為 8.75 % 時(shí)，車速已經(jīng)降到了 15 km/h。如此低的車速會(huì)對(duì)路面造成非常大的損害。由圖5 可知，車轍深度隨著坡度的增加而快速增加。坡度為 3.5 % 時(shí)，車轍深度為 18 mm；而當(dāng)坡度為 8.75 % 時(shí)，車轍深度則達(dá)到了 50 mm，這時(shí)的面層已經(jīng)完全損壞了。因此，較低的車速是造成長(zhǎng)大縱坡車轍病害的重要原因。

2.3 層間黏結(jié)力不足

本文的力學(xué)分析已經(jīng)指出，重載車輛會(huì)在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力。當(dāng)層間黏結(jié)力不足時(shí)，路面不同層位就會(huì)在剪力下產(chǎn)生層間滑移。層間滑移一旦發(fā)生，就會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)受力的整體性，更容易誘發(fā)病害的產(chǎn)生和發(fā)展［7］。本文使用 Bisar3.0 程序計(jì)算了層間滑移對(duì)面層內(nèi)剪應(yīng)力的影響，計(jì)算所采用的材料參數(shù)如表1 所示，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 層間粘結(jié)情況對(duì)面層剪應(yīng)力影響圖

由圖6 計(jì)算結(jié)果可知，雖然從 20 % 滑移到100 % 滑移對(duì)面層的剪應(yīng)力影響不大，可是層間滑移一旦產(chǎn)生，就會(huì)對(duì)面層內(nèi)的剪應(yīng)力產(chǎn)生很大影響。當(dāng)層間僅僅20%發(fā)生滑移時(shí)，面層的最大剪應(yīng)力就從 0.168 3 MPa 猛增到 0.451 3 MPa，增幅達(dá) 168.2 %。這說(shuō)明了對(duì)于長(zhǎng)大縱坡路段，更要重視對(duì)層間黏結(jié)的處治。

2.4 水平荷載的增加

車輛在普通路段行駛時(shí)，水平荷載主要來(lái)源于輪胎與路面之間的滾動(dòng)摩擦力，這一力通常情況下是很小的。但是當(dāng)車輛在長(zhǎng)大縱坡上行駛時(shí)，水平荷載的來(lái)源除了滾動(dòng)摩擦力外，還有車輛自身重力產(chǎn)生的水平分力和因頻繁制動(dòng)而產(chǎn)生的制動(dòng)力，制動(dòng)力往往是長(zhǎng)大縱坡上水平荷載的主要來(lái)源，這在下坡路段尤為明顯［8］。本文使用 Bisar3.0 程序計(jì)算了水平荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，圖中 f 為輪胎與地面的附著系數(shù)。

圖7 水平荷載對(duì)面層剪應(yīng)力影響圖

從圖7 可以看出兩點(diǎn)，①隨著水平荷載的增加，面層內(nèi)最大剪應(yīng)力的增幅越來(lái)越大。當(dāng)水平荷載為 0 時(shí)，面層內(nèi)最大剪應(yīng)力為 0.168 3 MPa；當(dāng)附著系數(shù)為 0.4 時(shí)，面層內(nèi)最大剪應(yīng)力達(dá)到了 0.325 MPa，增幅達(dá) 93.1 %。②隨著水平荷載的增加，面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力位置逐漸從層底向?qū)颖硪苿?dòng)。當(dāng)附著系數(shù)為 0.3 時(shí)，面層的最大剪應(yīng)力位置已經(jīng)完全位于面層的表面了。這樣的變化趨勢(shì)一方面使得面層更易因?yàn)槭芗舳a(chǎn)生車轍；另一方面加重了輪胎與路表的磨耗，磨損了面層的厚度，進(jìn)而更易誘發(fā)病害。

2.5 瀝青混合料抗剪強(qiáng)度不足

本文的力學(xué)分析證明，某些路面工況的改變會(huì)導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力的增加。在面層材料抗剪強(qiáng)度不足的情況下，路面就會(huì)因剪切出現(xiàn)病害，瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的不足是造成路面各種病害的主要內(nèi)在因素。本文首先計(jì)算了該路面結(jié)構(gòu)所允許的最小瀝青層抗剪強(qiáng)度。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)孫立軍［9］的研究成果，瀝青路面瀝青層綜合抗剪強(qiáng)度允許值計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：［τ］0為瀝青層綜合抗剪強(qiáng)度允許值，MPa；N 為設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通軸次，次；T 為所在地區(qū)年平均氣溫，℃；RD0為允許車轍深度，mm；V 為設(shè)計(jì)車速，km/h；ψ 為結(jié)構(gòu)系數(shù)。

式中：h1為瀝青層厚度，cm；h2為基層厚度，cm；E2為基層模量，MPa。

取允許車轍深度為 20 mm，設(shè)計(jì)車速為 40 km/h，計(jì)算可得［τ］0為 0.745 MPa。

本文鉆取了調(diào)查路段的面層材料芯樣，并使用單軸貫入試驗(yàn)［10］評(píng)價(jià)了面層材料的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果如表2 所示。

表2 壹號(hào)公路面層材料抗剪強(qiáng)度表

表2 中，路肩材料的抗剪強(qiáng)度可以近似看做面層材料的初始抗剪強(qiáng)度。由表2 結(jié)果可知，車轍區(qū)材料的抗剪強(qiáng)度在承受荷載作用后都有所下降。其初始強(qiáng)度 0.590 MPa 不滿足瀝青層綜合抗剪強(qiáng)度最小值 0.745 MPa 的要求。在荷載作用下，由于瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度過(guò)小而產(chǎn)生車轍也就不奇怪了。

3 結(jié) 論

本文依托西南地區(qū)某二級(jí)公路改建工程，對(duì)長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面的病害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并結(jié)合車速調(diào)查、交通量調(diào)查和力學(xué)分析，對(duì)病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，結(jié)論如下。

1）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，車轍和坑槽是長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面最主要的病害類型；

2）重載、低速、層間黏結(jié)力不足、水平力的增加和瀝青混合料抗剪強(qiáng)度不足是造成長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面病害的主要原因。