重載交通作用下瀝青路面設(shè)計(jì)研究

姚亮

摘 要：目前，荷載已經(jīng)成為損害瀝青路面的主要機(jī)理因素。因此，本文首先對(duì)重載交通作用下的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，并探討了瀝青路面受到的具體影響，最后對(duì)交通作用下的瀝青路面設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行探討，包括水損害設(shè)計(jì)、層間設(shè)計(jì)、厚度設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：重載交通;瀝青路面;路面設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）16-0099-02

Abstract： At present， load has become the main mechanism factor of asphalt pavement damage. Therefore， this paper first analyzed the asphalt pavement structure under the action of heavy traffic， and discussed the specific impact of the asphalt pavement， and finally discussed the design content of the asphalt pavement under the action of traffic， including water damage design， interlayer design， thickness design， for reference.

Keywords： heavy traffic;asphalt pavement;pavement design

1 研究背景

一般來(lái)講，在鋪設(shè)公路瀝青路面的過(guò)程中，最重要的兩項(xiàng)參數(shù)為穩(wěn)定性與平整度，部分使用性能較高的路面還需要具備相應(yīng)的抗滑能力與耐磨能力。在行車(chē)過(guò)程中，受到揚(yáng)塵、噪聲等因素的影響，公路路面可能會(huì)受到一定程度的污染。在大部分情況下，瀝青路面使用的瀝青屬于具有較強(qiáng)粘聚力的混合材料，其作用在于黏結(jié)基層與礦質(zhì)顆粒，促使整體結(jié)構(gòu)的凝固性能得到提升。瀝青混合料的運(yùn)用能使路面結(jié)構(gòu)的柔性與強(qiáng)度得到提升，從而從抗滑性、耐磨性、耐壓性及防滲性等方面優(yōu)化公路路面的使用性能。對(duì)于處在使用年限內(nèi)的瀝青公路來(lái)講，其路面承受的車(chē)輛交通荷載較大，對(duì)平整度、抵抗車(chē)輪磨損能力有著較高的要求;同時(shí)，還要保障行車(chē)安全性與舒適度。這對(duì)瀝青公路設(shè)計(jì)人員的專(zhuān)業(yè)能力提出了較高要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)多方面影響因素進(jìn)行細(xì)致的分析。

2 重載交通作用下瀝青路面受到的影響

在我國(guó)，公路瀝青路面的設(shè)計(jì)大多以單軸軸載為100 kN標(biāo)準(zhǔn)為主，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包含了設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累積標(biāo)準(zhǔn)軸次。如果單軸軸載超過(guò)130 kN，或者雙軸軸載超過(guò)220 kN，那么就可以對(duì)公路路面受載情況定義為重載。所謂的重載交通，就是基于單位時(shí)間內(nèi)的路面行車(chē)輪壓、軸次、行車(chē)荷載及車(chē)流量等參數(shù)對(duì)其與路面的承載拉應(yīng)力間的較大實(shí)際范圍差進(jìn)行計(jì)算。

2.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力

瀝青路面的設(shè)計(jì)依據(jù)主要為路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)大量計(jì)算與分析來(lái)確定路面結(jié)構(gòu)形式，從而使輪載作用與自然環(huán)境下的路面結(jié)構(gòu)具有較高質(zhì)量，為交通運(yùn)輸提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。從力學(xué)視角來(lái)看，在路面結(jié)構(gòu)分析中，路面載重不同，其各個(gè)結(jié)構(gòu)層受到的剪應(yīng)力也存在差異。通過(guò)計(jì)算可以得知，面層厚度、軸載、模量等因素對(duì)瀝青面層內(nèi)部的剪應(yīng)力具有較大的影響。路面剪應(yīng)力對(duì)路面產(chǎn)生作用的區(qū)域以面層為主，其大小與軸載成正比。其中，瀝青路面中部面層受到剪應(yīng)力的作用最大。對(duì)于瀝青路面而言，其表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力往往較大，但在行車(chē)超載情況下，應(yīng)力與路面彎沉現(xiàn)象將會(huì)加劇，此時(shí)瀝青路面會(huì)受到力學(xué)作用的較大影響，其應(yīng)力指標(biāo)變化也變得非常顯著，這無(wú)疑會(huì)使路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力強(qiáng)度得到提升，最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、沉降等，從而對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的毀壞。

2.2 瀝青路面疲勞

根據(jù)調(diào)查可知，重載交通作用下，瀝青路面面層結(jié)構(gòu)受到的疲勞開(kāi)裂損壞情況是非常常見(jiàn)的。一般來(lái)講，受到重載作用的影響，瀝青面層會(huì)因?yàn)榧魬?yīng)力或者表面荷載力而產(chǎn)生疲勞破壞。在大部分情況下，路面開(kāi)裂都是源自于表面，并逐漸向內(nèi)部發(fā)展。當(dāng)荷載車(chē)輛處于雙輪靜態(tài)時(shí)，量圓四周的剪應(yīng)力是非常大的;而車(chē)輛雙輪處于動(dòng)態(tài)時(shí)，雙輪外邊緣則會(huì)從縱向?qū)β访娌糠謪^(qū)域產(chǎn)生剪切應(yīng)力，從而使路面受疲勞破壞而形成縱向裂縫。輪載作用具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，在高剪應(yīng)力部位，其產(chǎn)生的作用最為突出，并且形成網(wǎng)狀路面裂縫的概率比較大。

2.3 路面車(chē)轍影響

在交通運(yùn)輸趨于重型化發(fā)展的背景下，瀝青路面的形變也趨于永久性，這對(duì)于路面設(shè)計(jì)者而言無(wú)疑是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。在重載作用下，瀝青路面的車(chē)轍是非常常見(jiàn)的一種破壞形式。由于路面荷載、交通量比標(biāo)準(zhǔn)要求超出許多，因此路面結(jié)構(gòu)層會(huì)產(chǎn)生較高的水平剪應(yīng)力。再者，在高溫條件下，瀝青混合料的抗剪能力也相對(duì)較低。此外，如果瀝青路面車(chē)轍深度達(dá)到一定水平，則還會(huì)引發(fā)一些繼發(fā)性的病害，如水損壞。水損主要是指滲入瀝青路面的自由水分在溫度變化及車(chē)載負(fù)荷的作用下，逐步侵入瀝青與集料的界面上，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面剝離以及集料之間的黏結(jié)力喪失而發(fā)生路面破壞的過(guò)程。在水分透過(guò)面層后，瀝青路面的半剛性基層也會(huì)長(zhǎng)時(shí)間滯留，此時(shí)在重載交通作用下，因?yàn)閯?dòng)水壓力的產(chǎn)生，會(huì)沖刷路面基層細(xì)料，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)遭受破壞。由此可見(jiàn)，在重載作用下路面車(chē)轍造成的影響也是非常大的。

2.4 路面材料性能影響

瀝青路面結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮在很大程度上取決于其材料性能，具體涉及礦質(zhì)、添加劑、瀝青以及粗細(xì)集料等。一般來(lái)講，在重載交通作用下，設(shè)計(jì)人員需要提高瀝青面層材料強(qiáng)度，如采用混合料，并提高材料模量。只有如此，才能確保瀝青面層在高溫高壓條件下能承受輪胎的荷載。

3 重載交通作用下瀝青路面設(shè)計(jì)研究

3.1 水損害設(shè)計(jì)

如果瀝青路面受到重載交通作用的長(zhǎng)期影響，那么路面就會(huì)出現(xiàn)比較顯著的開(kāi)裂現(xiàn)象，或者是留下較深的車(chē)轍。此時(shí)，若維護(hù)人員沒(méi)有及時(shí)處理這些問(wèn)題，那么受到水的作用，瀝青路面就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重坑槽。對(duì)此，在重載交通作用下，做好瀝青路面水損害防護(hù)具有重大意義。具體來(lái)講，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在基層選擇一些排水材料，如將碎石設(shè)置在基層，而在瀝青面層下層，則應(yīng)該選擇瀝青成分與含量較高的瀝青砂，并設(shè)置下封層，如此就能控制地下水上升問(wèn)題。在設(shè)計(jì)瀝青面層的連接層與下面層時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)層，其材料應(yīng)該選擇具有良好嵌擠作用及較大空隙率的瀝青碎石，從而有效排除水分，減少水損害對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

3.2 層間設(shè)計(jì)

在重載交通作用下，瀝青路面層間設(shè)計(jì)也十分重要。當(dāng)瀝青層與基層缺少黏結(jié)性時(shí)，瀝青層厚度與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不相符，就會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的車(chē)轍損害。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)處理好瀝青層與基層的黏結(jié)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照規(guī)范要求，選擇合理的施工方式與材料，如通過(guò)熱撒改性瀝青來(lái)強(qiáng)化層間的黏結(jié)性，提高路面質(zhì)量。此外，設(shè)計(jì)人員還可以選擇分級(jí)的方式來(lái)處理瀝青，將先進(jìn)的設(shè)備與方法運(yùn)用到瀝青檢驗(yàn)中，并根據(jù)瀝青的流動(dòng)性、溫度開(kāi)裂等指標(biāo)，優(yōu)化瀝青流變力學(xué)的指標(biāo)分析。再比如，在瀝青路面壓實(shí)作業(yè)中，利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)對(duì)其進(jìn)行模擬，從而為瀝青路面整體性能達(dá)到力學(xué)指標(biāo)提供支持。

3.3 厚度設(shè)計(jì)

由于當(dāng)前瀝青路面受到重載交通作用的影響較大，其結(jié)構(gòu)大多是基于彈性層狀體系理論基礎(chǔ)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其中設(shè)計(jì)年限內(nèi)的換算當(dāng)量為重要的交通量指標(biāo)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循合理性原則，充分考慮路面損傷與疲勞情況來(lái)設(shè)計(jì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層的厚度。在工程實(shí)踐中，考慮到重載交通作用的多方面因素，瀝青路面基層往往并不是主要的受破壞部位，瀝青層受到破壞的情況比較多。根據(jù)相關(guān)計(jì)算與分析，在瀝青層與地層狀態(tài)處于完全連續(xù)時(shí)，如果增加瀝青層厚度，那么就會(huì)增加層底的拉應(yīng)力，然而增加的量相對(duì)較小。在瀝青層厚度不超過(guò)18 cm的情況下，瀝青層厚度與車(chē)轍損壞程度成正比;而在瀝青層厚度超過(guò)18 cm的情況下，那么二者關(guān)系則相反，即成反比[1]。當(dāng)瀝青層與基層間處于滑動(dòng)截面狀態(tài)時(shí)，那么瀝青層底部的剪應(yīng)力則與瀝青層厚度呈反比。也就是說(shuō)，層間條件往往會(huì)決定瀝青層厚度與車(chē)轍損壞程度間的關(guān)系。因此，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)此予以關(guān)注，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高瀝青路面的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸規(guī)模不斷擴(kuò)大，行車(chē)車(chē)輛荷載持續(xù)增長(zhǎng)，在交通組成中，不管是軸載、軸次還是輪壓水平都不斷提高，且呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。在此背景下，荷載已經(jīng)成為損害瀝青路面的主要機(jī)理因素。為了提高重載交通作用下的瀝青路面質(zhì)量與使用水平，工作人員可加強(qiáng)水損害設(shè)計(jì)、層間設(shè)計(jì)、厚度設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張亮.重載交通瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013（2）：44-47.