趙 功

（山西省祁臨高速公路有限責(zé)任公司，山西 晉中 030900）

近年來，我國公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，高速公路里程大幅增長，截止2013年年底超過10萬km，覆蓋全國的高速公路網(wǎng)已基本形成。隨著公路網(wǎng)的逐步完善，越來越多的高速公路開始進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修階段，養(yǎng)護(hù)任務(wù)日趨繁重，養(yǎng)護(hù)資金需求在逐年增加，同時由于交通量迅速增長以及重載、超載現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致許多公路早期破壞嚴(yán)重，未到維修周期就不得不進(jìn)行大中修，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，絕大多數(shù)公路一般在通車后7、8年進(jìn)行大中修養(yǎng)護(hù)。而大中修養(yǎng)護(hù)主要針對路面面層進(jìn)行處治。路面面層直接承受行車荷載和環(huán)境的作用，對其最基本的要求是耐久、平整和抗滑。耐久是指路面具有足夠長的使用壽命，要求整個路面結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和抗變形能力。隨著高速、大流量和渠化交通的聯(lián)合作用，削弱了瀝青路面的自愈效用，在車輛荷載疲勞作用下瀝青路面出現(xiàn)早期損壞。本文主要針對荷載疲勞作用對瀝青路面的影響進(jìn)行研究，確定基于荷載疲勞作用的路面大修時機(jī)及方案。

1 瀝青路面疲勞損壞的影響因素

1.1 水的影響

1.1.1 積水條件下瀝青路面疲勞破壞特點(diǎn)

瀝青路面的積水主要來自于外界降雨，當(dāng)降雨量較大時，路面表面的積水來不及排出即滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，在車輛荷載作用下，混合料內(nèi)部產(chǎn)生高孔隙水壓力，容易造成瀝青路面破壞。在水和疲勞荷載共同作用下，瀝青路面的疲勞破壞具有如下特點(diǎn)：

a）在無水狀態(tài)下瀝青路面疲勞破壞表現(xiàn)為劈裂形式，而在有水狀態(tài)下疲勞破壞則表現(xiàn)為剪切和劈裂聯(lián)合作用的形式。

b）水對瀝青路面的疲勞壽命有顯著影響，在有水狀態(tài)下，由于瀝青混合料內(nèi)部存在較大的孔隙水壓力，瀝青混合料容易松散剝落，因此瀝青路的疲勞壽命較無水狀態(tài)明顯降低。

1.1.2 祁臨高速的水文條件

祁臨高速途經(jīng)地區(qū)地下水補(bǔ)給途徑主要靠大氣降水及山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給，地下水徑流條件較差，排泄主要靠垂直蒸發(fā)。除個別路段外，絕大部分地區(qū)潛水埋深較深，不會對路基以及構(gòu)造物造成不利影響。因此，祁臨高速公路接觸到的水主要來自大氣降水，對沿線地區(qū)年平均降雨量進(jìn)行調(diào)查結(jié)果如表1。

表1 沿線地區(qū)年平均降水量 mm

由表1數(shù)據(jù)可知，祁臨高速全線年平均降雨量在500 mm左右，在我國屬于中等水平。由于路面設(shè)置了較為完善的排水設(shè)施，降落在路表的雨水會迅速排出到路面范圍以外，只有少部分雨水滲入到路面結(jié)構(gòu)中。加之祁臨高速沿線水文地質(zhì)條件良好，因此水對路面疲勞壽面的影響很小。

1.2 溫度的影響

瀝青路面對溫度十分敏感，瀝青混合料的強(qiáng)度、勁度以及溫縮性能等都隨著溫度的變化而變化。溫度影響瀝青路面材料的同時，對路面結(jié)構(gòu)的影響也較大。進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定熱流，使路面結(jié)構(gòu)層隨著溫度的升高或降低而趨于膨脹或收縮。由于層狀路面結(jié)構(gòu)層之間的相互約束，這種變形不能自由發(fā)生，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過路面結(jié)構(gòu)層材料的極限抗拉強(qiáng)度時，瀝青路面產(chǎn)生開裂。

對祁臨高速途經(jīng)地區(qū)的極端低溫和極端高溫進(jìn)行調(diào)查，如表2所示。

表2 祁臨高速途經(jīng)地區(qū)極端氣溫 ℃

由表2數(shù)據(jù)可知，祁臨高速途經(jīng)地區(qū)最低氣溫均在-20℃左右，最冷的地區(qū)達(dá)到了-28℃。在這種溫度條件下，瀝青路面路表最大溫度應(yīng)力能達(dá)到0.8 MPa左右，路面底層最大溫度應(yīng)力能達(dá)到0.2 MPa左右。加之車輛荷載的疲勞作用，路面結(jié)構(gòu)很快發(fā)生破壞，疲勞壽命顯著降低；祁臨高速途經(jīng)地區(qū)最高氣溫在40℃左右，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度能達(dá)到60℃以上，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路表溫度從35℃升高到65℃時，表面層瀝青混合料的勁度模量從700 MPa下降為不足100 MPa，中面層溫度從28℃升高到55℃，中面層勁度模量從900 MPa下降到不足200 MPa，都是呈5～7倍下降。在車輛荷載作用下路面極易產(chǎn)生車轍，并且隨荷載作用次數(shù)的增加，其車轍深度不斷變大。由此可見，溫度條件對祁臨高速路面疲勞壽命影響顯著，需重點(diǎn)考慮。

2 路面使用年限與彎沉衰減關(guān)系研究

路面彎沉能反應(yīng)路面各結(jié)構(gòu)層和土基的整體強(qiáng)度和剛度。路面竣工后，在車輛荷載反復(fù)作用下，路面各結(jié)構(gòu)層和土基的回彈模量逐漸衰減，路面的彎沉也呈現(xiàn)衰減的變化趨勢。其中路表彎沉的衰減表現(xiàn)為3個過程：

a）瀝青路面竣工后1～2年內(nèi)，由于車輛荷載的重復(fù)碾壓，逐漸壓實(shí)，加上半剛性基層材料隨著齡期強(qiáng)度增長，從而導(dǎo)致路表彎沉逐漸減小，直到達(dá)到最小值。

b）路面竣工2～4年后，由于半剛性基層強(qiáng)度增長逐漸緩慢并達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，同時在車輛荷載重復(fù)作用以及水、溫度等外界環(huán)境因素變化，路面結(jié)構(gòu)整體剛度下降，使得路表彎沉急劇增大。

c）路面竣工4年后，在各種外界因素以及車輛疲勞荷載反復(fù)作用下，路面結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度不足的問題充分暴露，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部積蓄的高密度能量通過結(jié)構(gòu)缺陷的擴(kuò)展而逐步轉(zhuǎn)移，重新實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的能量平衡，路面結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到一種較低的穩(wěn)定水平，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展也得到抑制，路表彎沉也達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)。

通過灰色數(shù)學(xué)理論和祁臨高速現(xiàn)有資料，建立彎沉預(yù)測模型如式（1）。

利用上式對祁臨高速彎沉進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表3。

表3 祁臨高速彎沉預(yù)測值 0.01 mm

3 半剛性材料疲勞壽命研究

斷裂力學(xué)認(rèn)為，當(dāng)材料在遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，通常不會發(fā)生機(jī)械破壞。但是，如果在試件中存在裂紋、夾雜物或突然的幾何形狀變化，則局部應(yīng)力可能超過屈服強(qiáng)度，從而會發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展。外加循環(huán)應(yīng)力每循環(huán)一次，裂紋都將小量擴(kuò)展，這稱之為疲勞裂紋擴(kuò)展。

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類粒料是不均勻的各向異性的材料，材料中存在細(xì)微的空隙，這是造成半剛性基層初始裂紋的裂源。根據(jù)斷裂力學(xué)的理論可知，在車輛荷載的反復(fù)作用下，半剛性材料結(jié)構(gòu)中的細(xì)微空隙會逐漸變大，直至發(fā)展成細(xì)微裂縫，長此以往，裂縫不斷擴(kuò)展，造成半剛性材料破壞，也就是達(dá)到了疲勞壽命。

通過對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸，水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命方程如式（2）。

通過公式（2）計(jì)算得出，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命為3.12×107次。

當(dāng)交通等級為重交通，增長率為5%時，通過交通量反算可知，祈臨高速公路其基年軸載作用次數(shù)應(yīng)在6 094～13 698次之間，由此可算得通行10年所承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)在6.99×106～1.57×107之間，由公式（2）可知，疲勞壽命在23%～50%之間。

4 瀝青路面疲勞程度計(jì)算

瀝青路面在車輛荷載作用下，面層底部承受拉應(yīng)力。隨著荷載作用次數(shù)的增加，瀝青路面在拉應(yīng)力反復(fù)作用下，面層底部開始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載作用次數(shù)增多，疲勞損傷不斷積累，并逐漸擴(kuò)展至表層，瀝青路面發(fā)生破壞。為了研究瀝青路面在不同交通荷載作用下的疲勞程度，需建立交通荷載與瀝青路面疲勞壽命之間的關(guān)系。

瀝青混凝土疲勞壽命方程如式（3）：

式中：Nf為瀝青混凝土疲勞壽命；K、n為回歸系數(shù)，K=515.6，n=4.87；σf為瀝青混合料極限彎拉強(qiáng)度；σmax為瀝青混合料最大彎拉應(yīng)力。

服役期道路瀝青路面疲勞程度按式（4）計(jì)算：

式中：q為服役期道路路面疲勞程度；Ns為已承受的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)；Nf為瀝青路面疲勞壽命。

通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)計(jì)算得到祁臨高速公路路面最大彎拉應(yīng)力為σmax為0.222 MPa，瀝青混合料的極限抗拉強(qiáng)度為1.94 MPa。計(jì)算可知祁臨高速的極限疲勞壽命為：

當(dāng)交通等級為重交通，增長率為5%時，通過交通量反算可知其基年軸載作用次數(shù)應(yīng)在6 094～13 698次之間，由此可算得通行10年所承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)在6.99×106～1.57×107之間，由式（3）可知，疲勞壽命在34%～77%之間。

以上計(jì)算可作為祁臨高速公路瀝青路面大中修時機(jī)確定的部分理論依據(jù)，為決策提供一定參考價值。實(shí)踐中還要結(jié)合實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，科學(xué)決策確定大中修時機(jī)。