重載交通對瀝青路面早期破壞的力學(xué)分析

戚伯言 田冬軍

摘要：針對濟(jì)青高速公路新罩路面的早期破壞，進(jìn)行了超載車輛的軸重及其輪胎接地面積和壓力的調(diào)查。本文基于重軸軸載的作用圖式，分析了重載交通作用下該瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)，指出了重載是造成濟(jì)青高速公路出現(xiàn)早期破壞的主要原因。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；重載；力學(xué)響應(yīng)；早期破壞

1 引言

濟(jì)青（濟(jì)南—青島）高速公路是貫穿山東的“工業(yè)走廊”，是連接山東東部沿海城市與內(nèi)地的黃金通道。自建成以來，交通量迅猛增長，每晝夜車流量可達(dá)到10萬次。但近年來行駛車輛的軸載特性發(fā)生了很大的變化：（1）超載現(xiàn)象突出，實際調(diào)查資料表明，有的路段超載車的比例超過了50%；（2）公路交通組成中重載車輛比例很高，此路某段的實測調(diào)查結(jié)果表明軸重10t以上的車輛占45.6%，后軸重超過10t的貨車比例占了整個貨車車流量的82%，去往山東東部沿海港口的大集裝箱車占了貨車比例的40%。上述調(diào)查數(shù)據(jù)表明，重載車的交通量在濟(jì)青高速公路交通量中所占比例非常高，而且呈逐年增加的趨勢[1]。

該公路于2005年全部完成罩面大修，但多處新修瀝青路面在投入使用后不久，道路面層就出現(xiàn)了裂縫，這種裂縫的出現(xiàn)遠(yuǎn)小于路面設(shè)計的疲勞壽命（通常稱之為早期裂縫），從一些現(xiàn)場鉆芯取樣試件可以看出，早期裂縫通常是從瀝青混合料面層開始的。為了探尋路面早期開裂的成因并制定出控制早期開裂的設(shè)計準(zhǔn)則，本文從力學(xué)角度對其分析，研究了面層、基層和底基層各自的應(yīng)力狀況以及面層各層的應(yīng)力特點(diǎn)，并分析了其各層的應(yīng)力狀況對路面產(chǎn)生早期破壞的影響。

2 瀝青路面輪載作用計算圖式的分析

現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范[2，3]中所使用的計算荷載圖式為雙輪雙圓、 圓中心距等于3倍接地半徑 ，接地壓力為0.7Mpa的標(biāo)準(zhǔn)荷載圖式，如圖1所示。其中 ，P為每一個輪胎的荷載， 代表輪壓。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)圖式

標(biāo)準(zhǔn)圖式采用軸重提高，輪胎接地面積增加而假定輪壓不變的分析方法來進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析，這種方法顯然與車輛通過使用高強(qiáng)輪胎和加大輪胎內(nèi)壓來保證其軸重的增加而不影響車輛正常行駛的實際情況是不相符的。以標(biāo)準(zhǔn)車型黃河JN150為例，當(dāng)超載軸重達(dá)到200KN時按標(biāo)準(zhǔn)圖式計算其接地參數(shù)，并與實際情況做比較，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)圖式與實際情況接地因素比較表

方法 輪壓p (Mpa) 半徑（cm） 接地面積（cm2） 輪心距（cm）

黃河JN150 0.7 10.65 356.33 31.95

標(biāo)準(zhǔn)圖式 0.7 15.08 714.38 45.24

實際 0.9 13.20 547.40 31.95

由上表可知，按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)圖式計算結(jié)果與實際情況存在一定的誤差，用其來進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計不盡合理。由車輛構(gòu)造原理可知，隨著軸重的增加，接地半徑和接地面積也隨之增加，但輪胎間距即荷載圓中心距離是不可能隨軸重的變化而改變的。為此，我們提出符合實際情況的重載作用圖式，如圖2所示，它反映了輪壓和接地面積均隨軸載的增加而增加，圓心距保持 不變的規(guī)律。

圖2 重載圖式

由于國內(nèi)尚缺乏這方面的調(diào)查資料，在此借用比利時接地面積與軸重經(jīng)驗關(guān)系式，作為計算重載作用下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的參數(shù)[4]。

對主要道路： （1）

式中： —輪胎接地面積，cm2；

—每一個輪胎的荷載，N；

—保證率達(dá)到95%的離差范圍。

在此公式的基礎(chǔ)上，再假定輪載 均勻分布在該接觸面積的圓面積上，圓半徑為 ，并求得接地壓力 ，

（2）

計算結(jié)果如表2所示。

表2 軸重與輪壓、輪胎接地面積的關(guān)系

軸重P（KN） 100 130 150 180 200 230 250

接地面積A（cm2） 356 412 452 512 552 612 652

半徑 （cm）

10.650 11.452 11.995 12.766 13.255 13.957 14.406

輪壓 （Mpa）

0.707 0.789 0.830 0.879 0.906 0.940 0.959

注：根據(jù)文獻(xiàn)[1]，100KN的計算參數(shù)按我國規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值取值。

3 計算參數(shù)的選取

我國現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)軸載是100KN，規(guī)范提供的軸載換算公式對于軸載的大小均有一定的適用范圍。在濟(jì)青高速公路上行駛的軸載大于100KN的超限車輛數(shù)量較多，且軸載分布范圍大，調(diào)查路段超限車輛的軸載分布情況如圖3所示?？紤]重載交通的作用，通過分析圖3，計算時選取了出現(xiàn)頻率較高的100KN、130KN、150KN、180KN、200KN、230KN、250KN等超限軸載。

圖3 調(diào)查路段超限車輛單軸軸載分布

路面的各結(jié)構(gòu)層的材料按照彈性材料考慮，取彈性模量和泊松比作為主要的參數(shù)[5]。濟(jì)青高速公路試驗段各層材料的具體特性及厚度參數(shù)如表3所示。

表3 路面各層材料特性及厚度表

結(jié)構(gòu)層次

結(jié)構(gòu)層厚（cm）

彈性模量E（Mpa） 泊松比

15

20

上面層（AC-13I瀝青混凝土） 4 1800 1200 0.25

中面層（AC-20I瀝青混凝土） 5 1400 1000 0.25

下面層（AC-20I瀝青混凝土） 6 1400 1000 0.25

基層（水泥穩(wěn)定碎石） 35 1500 0.30

底基層（石灰土） 20 700 0.35

土層 — 35

0.42

4 重載作用下路面各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)計算分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]、[3]和[6]，采用SHELL解析法及Bisar程序進(jìn)行計算和分析。

4.1 路表彎沉

針對不同的軸載參數(shù)進(jìn)行計算，得到的路表彎沉值如表4所示。

表4 不同軸載作用下路表彎沉值

軸載（KN） 100 130 150 180 200 230 250

輪隙中心彎沉 (mm)

0.444 0.574 0.665 0.800 0.891 1.029 1.122

圖4輪隙中心彎沉值與軸載的關(guān)系

圖4表示輪隙中心彎沉值與軸載的關(guān)系，由圖4可以看出彎沉值 與軸載 幾乎成直線變化， 隨軸載 的增長而增長，當(dāng)超限100%時， 是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的2.008倍；當(dāng)超限150%時， 是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的2.53 倍。由于重軸載作用下，其彎沉值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計彎沉值[7]（設(shè)計彎沉值是指按標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的計算所得的路表彎沉值），這容易造成路面出現(xiàn)坑槽、網(wǎng)裂等早期損壞現(xiàn)象。

4.2 層底彎拉應(yīng)力

半剛性路面在行車荷載作用下產(chǎn)生彎沉，使路面的瀝青層和半剛性材料層產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，此彎拉應(yīng)力有時達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。在此應(yīng)力反復(fù)作用下路面結(jié)構(gòu)層易產(chǎn)生彎拉疲勞破壞。瀝青路面設(shè)計中采用雙輪對稱軸線處的點(diǎn)作為計算點(diǎn)，在此分析各層雙輪對稱軸線處的

點(diǎn)在不同軸載作用下所承受的彎拉應(yīng)力。

針對不同軸載作用，計算得到各層的彎拉應(yīng)力值如表5所示。

表5 不同軸載作用下各層層底拉應(yīng)力值

軸載（KN） 100 130 150 180 200 230 250

拉

應(yīng)

力

值 上面層層底 -0.183 -0.239 -0.279 -0.340 -0.383 -0.450 -0.497

中面層層底 -0.080 -0.106 -0.125 -0.155 -0.176 -0.209 -0.232

下面層層底 -0.037 -0.050 -0.059 -0.074 -0.085 -0.102 -0.113

基層層底 0.101 0.129 0.149 0.177 0.197 0.225 0.244

底基層層底 0.082 0.105 0.121 0.145 0.161 0.184 0.199

圖5各層層底拉應(yīng)力值與軸載的關(guān)系

圖5表示各層層底拉應(yīng)力值與軸載的關(guān)系，由圖5可以看出各層層底拉應(yīng)力值隨著重軸載的增大而增大，基本成直線增加，但隨著軸載的增大直線的斜率越來越大。另外，路面的上面層層底、中面層層底以及下面層層底沿水平方向分布的拉應(yīng)力值為負(fù)值，即為壓應(yīng)力，基層層底和底基層的拉應(yīng)力值為正值，即為拉應(yīng)力，這說明在荷載的反復(fù)作用下面層產(chǎn)生彎曲和壓縮變形，而基層及基層以下則產(chǎn)生彎曲和拉伸變形。這樣，在面層與基層接觸面上會產(chǎn)生很強(qiáng)的剪切疲勞作用，容易造成路面的剪切破壞。

4.3 層頂壓應(yīng)力

針對不同軸載作用下計算路面各結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)力值，如表6所示。

表6 不同軸載作用下各層層頂壓應(yīng)力值

軸載（KN） 100 130 150 180 200 230 250

單圓中心對應(yīng)點(diǎn)壓應(yīng)力

（Mpa） 上面層層底 0.707 0.789 0.830 0.879 0.906 0.940 0.959

中面層層底 0.678 0.763 0.807 0.860 0.889 0.926 0.946

下面層層底 0.526 0.615 0.664 0.727 0.763 0.810 0.837

基層層底 0.346 0.419 0.464 0.525 0.561 0.611 0.642

底基層層底 0.030 0.039 0.044 0.053 0.059 0.067 0.073

土基頂層 0.008 0.010 0.012 0.013 0.015 0.017 0.019

圖6 各層層頂壓應(yīng)力值與軸載的關(guān)系

圖6表示各層層頂壓應(yīng)力與軸載的關(guān)系，由圖6可以看出各層層頂壓應(yīng)力值隨著重軸載的增大而增大。由于半剛性基層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，壓應(yīng)力傳到底基層和土頂層的較小，且隨著軸載的增大其增大的幅度不是很大，而面層的壓應(yīng)力最大，所以容易產(chǎn)生壓密變形。因此，在重載交通作用下，將加快瀝青面層壓密變形的產(chǎn)生。

4.4 剪應(yīng)力

選取距路表縱向深度為2cm、4cm、7cm、9cm的點(diǎn)作為剪應(yīng)力的計算點(diǎn)，在不同重重載的作用下各點(diǎn)剪應(yīng)力計算值如表7所示。

表7 不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力值（Mpa）

縱向深度

（cm） 軸載（KN）

100 130 150 180 200 230 250

2 0.142 0.149 0.149 0.148 0.146 0.141 0.138

4 0.205 0.217 0.219 0.219 0.216 0.211 0.207

7 0.223 0.246 0.255 0.255 0.267 0.268 0.269

9 0.210 0.237 0.25 0.25 0.27 0.276 0.279

圖7 路面各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力值與軸載的關(guān)系

圖7表示路面各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力值與軸載的關(guān)系。分析可知：（1）在每級軸載作用下，剪應(yīng)力值隨著縱向深度的增加而增大，到達(dá)某一峰值后剪應(yīng)力逐漸減小，峰值位置的深度隨著軸載的增大而加深，在100KN軸載作用下剪應(yīng)力在深7cm處達(dá)到峰值，而在250KN軸載下剪應(yīng)力達(dá)到峰值的位置是9cm。（2）在100KN軸載作用下，縱向4～9cm范圍內(nèi)平均剪應(yīng)力值為0.21Mpa,而在250KN作用下，此范圍內(nèi)的平均剪應(yīng)力值為0.26Mpa。（3）上面層底部和中面層內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力最大。

在重車載的作用下，只要瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度小于所受的剪應(yīng)力，瀝青混凝土就容易產(chǎn)生剪切變形，由車輪下向兩側(cè)推移并將兩側(cè)的瀝青混凝土推擠而向上鼓起，同時輪跡帶產(chǎn)生下陷變形，最終導(dǎo)致轍槽等病害的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

通過對路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析可以真實反映出在重載交通的作用下，路表彎沉及路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力（層底拉應(yīng)力、層頂壓應(yīng)力、剪應(yīng)力）均隨著重載的增加而發(fā)生較大的變化。其彎沉值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計值；過大的層底拉應(yīng)力和層頂壓應(yīng)力容易使路面產(chǎn)生較大的彎曲、壓縮、拉伸變形；過大的剪應(yīng)力作用下瀝青混凝土?xí)a(chǎn)生較大的剪切變形。這導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)層的內(nèi)部性能發(fā)生破壞而出現(xiàn)裂縫、凹槽、車轍等宏觀的破壞現(xiàn)象。通過分析可知，重載是造成濟(jì)青高速公路新罩瀝青路面出現(xiàn)早期破壞的主要原因。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。