楊義輝 唐曉松 張 寧

(重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶 402247)

0 引言

瀝青路面是城鎮(zhèn)道路最主要的路面類型，由于直接承受行車荷載以及溫度、濕度變化，凍融，雨水沖刷，從而引起不同形式的損壞，而水毀是最主要的病害[1]之一。水毀易誘發(fā)路面網(wǎng)裂、擁包、坑槽，路基翻漿、沉陷等病害，嚴(yán)重影響道路通行能力和行車安全。因此，本文研究瀝青路面水毀的形成機(jī)理，并分析水毀路面修復(fù)的措施與辦法。

1 水毀影響因素

1.1 動(dòng)荷載作用

當(dāng)車輪通過(guò)路面時(shí)，對(duì)路面施加的作用為半正弦波荷載[2]，路面承受荷載的時(shí)間極短，作用具有瞬時(shí)性。此作用造成行車對(duì)路面面層的高頻反復(fù)沖切。半正弦波荷載公式如下：

式中：

p——均布荷載；

pmax——輪胎接地壓強(qiáng)；

T——荷載作用時(shí)間；

t——分析時(shí)刻；

R——標(biāo)準(zhǔn)軸載下當(dāng)量圓半徑，一般取106mm；

V——車輛行駛速度。

1.2 孔隙水壓力

行車在積水工況下，輪胎與路面之間產(chǎn)生擠壓，存在于路面表面的水膜由相對(duì)靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生動(dòng)水壓力[3]，動(dòng)水壓力包括路表面沖刷水壓力和孔隙水壓力。瀝青路面在豎直方向上的任意截面Sy，如圖1所示，則有：

圖1 瀝青路面在豎直方向的任意截面Sy

式中：

p——瀝青路面作用荷載；

p0——無(wú)水孔隙內(nèi)氣體壓強(qiáng)；

uw——瀝青混合料的孔隙水壓力；

σ'——瀝青混合料固體承載的有效應(yīng)力；

A(y)——Sy截面上，荷載作用下，截面總面積；

Aa(y)——Sy截面上，荷載作用下，無(wú)水孔隙所占的截面面積；

Aw(y)——Sy截面上，荷載作用下，孔隙水所占的截面面積；

As(y)——Sy截面上，荷載作用下，瀝青-集料骨架所占的截面面積。

在荷載范圍內(nèi)對(duì)dy積分，得到?jīng)_切荷載作用下飽和瀝青路面的孔隙水壓力[4]為：

1.3 滑移裂紋

基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，車輛在剎車、轉(zhuǎn)彎或加速過(guò)程中所產(chǎn)生的沖切、碾壓作用下[5]，瀝青混合料所受最大主應(yīng)力為σ1和最大剪應(yīng)力為τmax，其方程[6]如下：

式中：σx、σy、τx、τy——分別為剎車時(shí)路表面單元體在x、y方向所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。

車輛在剎車時(shí)，路面受到的水平力τy最大；當(dāng)τymax＞τ時(shí)，瀝青面層將產(chǎn)生拉裂破壞，形成沖切荷載作用下的水平向滑移裂紋[7]。

2 數(shù)值分析

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)采用雙輪組單軸軸重100kN軸載[8]，交通荷載劃分為輕、中、重、特重、極重交通五個(gè)等級(jí)。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，行車數(shù)量增多，設(shè)計(jì)時(shí)的交通荷載等級(jí)難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的交通出行需求，超載已經(jīng)成為一種普遍的現(xiàn)象。為研究重載作用對(duì)路面所產(chǎn)生的孔隙水壓力的影響，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)測(cè)輪胎平均接地壓力和混合料參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9-10]，參數(shù)如表1所示。數(shù)值分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

表1 重載作用及路面材料參數(shù)表

圖2 軸載100kN路面孔隙水壓力

圖3 軸載150kN路面孔隙水壓力

由圖2可知，在軸載相同的情況下，孔隙水壓力隨輪胎平均接地壓力的增大而增大；由圖3可知，隨著軸載從100kN增加至150kN，孔隙水壓力與輪胎平均接地壓力的線性關(guān)系圖斜率由1.4099增加至1.4619，表明孔隙水壓力隨軸載增大而增大?；屏鸭y形成后，由于路面沖刷水壓力以及存在于滑移裂紋中的孔隙水壓力的增大，將加劇動(dòng)水壓力對(duì)滑移裂紋的作用，使得瀝青路面面層結(jié)合薄弱處所受彎拉應(yīng)力不能完全有效地傳遞到基層，導(dǎo)致滑移裂紋在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展。

行車過(guò)程中發(fā)生的剎車、轉(zhuǎn)彎或加速等高頻沖切作用下，動(dòng)水壓力FD耦合汽車重力G，汽車對(duì)道路表面的滑動(dòng)摩擦力F，基層材料的溫度應(yīng)力等一系列作用，使得滑移裂紋上方的面層受到剪切，進(jìn)而形成豎向裂紋。滑移裂紋與豎向裂紋使瀝青與集料之間發(fā)生位移，瀝青膜從集料表面剝離，瀝青混合料粘結(jié)力部分喪失，整體性被破壞。如此反復(fù)作用，從而形成水毀，路面開裂、形成擁包、坑槽積水，水毀形成機(jī)理如圖4所示。

圖4 面層水毀形成機(jī)理圖解

3 水毀修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于面層水毀問(wèn)題，一方面可以科學(xué)實(shí)施裂紋修復(fù)技術(shù)，優(yōu)化防排水系統(tǒng)，還可以加強(qiáng)層間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高交通組織管理水平。

3.1 裂紋修復(fù)

針對(duì)瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修，國(guó)內(nèi)外普遍采用新材料、新工藝對(duì)裂紋進(jìn)行封縫處理。當(dāng)裂紋＜10mm時(shí)，可直接貼封縫帶，施工工藝流程為：交通導(dǎo)行設(shè)施布置→路面裂紋縫邊清理→裁取封縫帶→噴槍加熱封縫帶→封縫帶緊沿裂紋粘貼→泛油貼合→初凝冷卻→封縫帶表面布灑細(xì)砂→完全冷卻→開放交通。當(dāng)裂紋為10～20mm時(shí)，用細(xì)砂填實(shí)后再貼封縫帶；當(dāng)裂紋＞20mm時(shí)，可灌縫至表層后再貼封縫帶。

3.2 防排水系統(tǒng)優(yōu)化

排出引起路面孔隙堵塞的雜物，如行車沖切作用下輪胎與路面之間磨耗所產(chǎn)生的橡膠、剝落的瀝青；雨水沖刷帶來(lái)的塵土、落葉；行車人丟棄的食物、用品等，通過(guò)高壓水噴射打碎異物，抽吸過(guò)濾等技術(shù)，可有效降低路面內(nèi)部積水，從而降低孔隙水壓力。從混合料組成設(shè)計(jì)出發(fā)，可設(shè)置雙層排水路面，即頂層設(shè)置較薄的細(xì)粒多孔材料，底層設(shè)置較粗的骨架多孔材料，使混合料形成連通的排水孔隙，從而達(dá)到降低路面水毀的目的。

3.3 加強(qiáng)層間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瀝青面層結(jié)合薄弱處的剪切破壞是粘結(jié)力喪失的主要原因，減少行車沖切荷載作用下滑移裂紋的形成是修復(fù)路面水毀的根本。因此，需要加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)程度，提高摩擦力。依據(jù)粘附理論，可采用摻入抗剝離劑的方法來(lái)增加瀝青與集料之間的粘附性，改善摩擦系數(shù)；為緩解裂縫四周應(yīng)力集中的問(wèn)題，可采用熱熔橡膠瀝青碎石封層技術(shù)；采用高柔性抗疲勞瀝青混凝土材料，緩解開裂和破壞。

3.4 交通組織與管理

根據(jù)軸載與路面孔隙水壓力之間的關(guān)系，在修復(fù)水毀路面時(shí)，加強(qiáng)交通組織管理十分必要。如積水條件下的限重管理，避免重載車輛進(jìn)入積水區(qū)域。積水路段的交通管控，誘導(dǎo)分流與疏散，交通管理部門采取車輛型號(hào)禁行、車輛號(hào)牌限行、交通量高峰時(shí)段臨時(shí)繞行等措施。合理布設(shè)交通安全設(shè)施，減少行車過(guò)程中急行剎車、小半徑轉(zhuǎn)彎對(duì)積水路面的沖切作用，降低路面水毀發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了引起瀝青路面水毀的影響因素，研究行車沖切作用下，路面滑移裂紋形成的原因和瀝青面層水毀形成機(jī)理。結(jié)論如下：

（1）通過(guò)數(shù)值分析，得出不同軸載條件下孔隙水壓力發(fā)展趨勢(shì)，為研究水毀機(jī)理提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

（2）動(dòng)水壓力中的孔隙水壓力增大，導(dǎo)致面層結(jié)合薄弱處所形成的潛在滑移不斷發(fā)展，耦合一系列其他力共同作用，從而引起面層水毀。

（3）對(duì)于面層水毀問(wèn)題，一方面可以科學(xué)實(shí)施裂紋修復(fù)技術(shù)，優(yōu)化防排水系統(tǒng)，還可以加強(qiáng)層間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高交通組織管理水平。