毛建影 溫 濤

(東營市公路勘察設(shè)計院 / 山東中咨公路咨詢設(shè)計有限公司, 山東 東營 257091)

超載對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

毛建影 溫 濤

(東營市公路勘察設(shè)計院 / 山東中咨公路咨詢設(shè)計有限公司, 山東 東營 257091)

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

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

1. 超載運輸現(xiàn)象的概述

改革開放以來，我國公路交通事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，到2014年底全國公路總里程達到466.4萬公里，其中高速公路達到11.2萬公里。公路建設(shè)帶動了沿線經(jīng)濟的發(fā)展，同時也使交通運輸結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。國民經(jīng)濟的高速發(fā)展也帶來公路運輸中“重載、大流量和渠化交通”的特點。

近年來，廠家生產(chǎn)的設(shè)備向著大型化、重型化的方向發(fā)展，因公路運輸較為快捷、安全與方便，可以做到門到門的運輸，這些設(shè)備運輸多以公路運輸為主。汽車制造企業(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輸車輛，使公路上通行的大、重型車輛不斷增加。公路卻因建設(shè)時間長、投資大、分布廣、使用年限長和歷史等多種原因，難以與運輸車輛大型、重型化的發(fā)展同步發(fā)展。公路的現(xiàn)有技術(shù)狀況不能滿足大型或重型貨物運輸?shù)男枰?/p>

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

2. 超載對瀝青路面使用功能的影響

2.1 超載對瀝青路面損傷形式

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

瀝青混凝土路面在行車荷載和自然因素的共同反復(fù)作用下會逐漸出現(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；也有各種類型的變形，如沉陷、車轍、推移和擁起等；表層有時可能還有各種露骨、松散、剝落、坑槽和泛油等。

2.2 超載對瀝青路面使用壽命的影響

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

我國路面設(shè)計規(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)合公路上實測不同軸載汽車的彎沉對比，疲勞試驗以及直槽測試驗證，提出了不同軸載車輛對路面的損壞程度不同。對瀝青路面結(jié)構(gòu)：

當(dāng)車輛軸載增加時，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)汽車超載時，其軸重對路面結(jié)構(gòu)的損壞更為嚴重，其累計標(biāo)準(zhǔn)軸次顯著增加。為了分析超載對路面使用壽命的影響，選取了高速公路、一級公路、二級公路、三級公路4種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)，相應(yīng)給出對應(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）計算各種車型空載、滿載、超載30%、超載60%、超載100%時的換算系數(shù);再分別計算4種公路等級不同車型的準(zhǔn)軸次和累計準(zhǔn)軸次，累計準(zhǔn)軸次按式（2-2）計算：

然后假定路面結(jié)構(gòu)按滿載時的累計標(biāo)準(zhǔn)軸次進行設(shè)計，反算不同超載率時路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3. 超載與瀝青路面設(shè)計

3.1 超載對設(shè)計指標(biāo)的影響

（1）設(shè)計彎沉

為控制路基路面結(jié)構(gòu)的總變形，防止沉降、車轍等整體強度不足的損壞，采用彎沉設(shè)計指標(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測路表彎沉值sl小于或等于設(shè)計彎沉值dl作為確定瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。即

（2）結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)力

依據(jù)設(shè)計彎沉值進行路面厚度計算時，為防止瀝青混凝土或半剛性基層、底基層的疲勞開裂，應(yīng)對面層及半剛性基層、底基層的拉應(yīng)力進行驗算，以此最終確定路面的設(shè)計厚度。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算點的拉應(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度(MPa)；Ks--抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對瀝青混凝土面層：

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

進行層底拉應(yīng)力驗算時需要進行當(dāng)量軸次的換算，換算后同樣可以得知超載對折算后標(biāo)準(zhǔn)軸數(shù)量影響很大，拉應(yīng)力隨著車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。對于強度較弱的路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)作用軸載很大時，重車作用一次就可能導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的破壞，路面整體強度迅速降低。

對瀝青路面，根據(jù)重載交通可能出現(xiàn)的最大軸載，以極限強度為標(biāo)準(zhǔn)，驗算半剛性材料基層、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)層材料的抗拉強度(劈裂強度)，即：。當(dāng)在超載車輛的最大軸載作用下，則拉應(yīng)力超過該層材料的極限強度，引起整體性結(jié)構(gòu)層開裂，使路面承載能力迅速降低，造成一次性破壞。

3.2 超載對路面結(jié)構(gòu)厚度的影響

沉值為路面整體剛度的設(shè)計指標(biāo)，計算路面結(jié)構(gòu)厚度。設(shè)計彎沉值是根據(jù)設(shè)計年限內(nèi)一個車道上預(yù)測通過的累計當(dāng)量軸次、公路等級、面層和基層類型而確定的。因此，在設(shè)計路面厚度時，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)計中，交通量的預(yù)測值往往與實際道路通車后的實測交通量有較大誤差。另外，超載運輸車輛的增加使通車第一年的實際當(dāng)量作用次數(shù)N又大于預(yù)測的數(shù)值，實際軸載大幅度提高。如果要保證超載車輛不加速路面的疲勞破壞，則需要從設(shè)計上增加結(jié)構(gòu)厚度，使超載車輛產(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，重型載貨車和超載車輛數(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，對路面產(chǎn)生不同程度的早期破壞。本文研究了超載對路面使用功能的影響及對路面材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

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

[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