山區公路縱坡段瀝青路面層間應力分析

徐寶龍

(承德市公路工程管理處)

目前我國已建成的高速公路大部分為瀝青混凝土路面，采用半剛性基層。但這種路面結構在垂直和水平荷載的綜合作用下，尤其是在高溫、重載的作用下，基層與面層間產生的剪應力較大，當層間的接觸狀態發生改變時，很容易產生層間滑移破壞和車轍現象。對承德市已建成瀝青混凝土路面進行了病害調查，發現公路路面不同程度地出現了路面滑移和車轍等病害，個別路段甚至在竣工當年就發生滑移而不得不挖掉重鋪，嚴重影響了瀝青混凝土路面的使用壽命和服務質量。

1 破壞原因分析

滑移和車轍是路面破壞的主要形式，通過調查研究發現，上坡路段中的車轍現象更加嚴重，車轍深度相對較深，在鄰近坡底和坡頂處容易產生滑移現象。這主要是因為在長大縱坡上，車速一般較低，荷載與路面的作用時間相對較長，使瀝青混合材料高溫流動變形增大。從現場取樣可以看出，基層由于是半剛性材料所以不會產生永久變形，瀝青層的永久變形(尤其是中下面層)會比較明顯和嚴重。

瀝青面層內車轍產生主要是由于瀝青混合材料在車輛荷載的反復作用下，荷載應力大大超過了瀝青混合材料的穩定度峰值，從而流動變形不斷累積增加所致。有研究表明，基層類型是影響車轍的重要因素之一，基層類型的不同對車轍的影響是不同的。通常，基層模量越高，對瀝青層間的剪應力影響越不利。

半剛性基層瀝青路面的層間剪應力與層間界面條件也有很大關系。瀝青層下如果存在較多積水，基層與瀝青層間的接觸條件為光滑，剪應力會增加，假如出現重載現象，剪應力的大小會成倍增加，更易導致嚴重的路面破壞。在基層沒有排水能力、路面產生反射裂縫的情況下，水滲入路面結構的內部，使得基層與瀝青層間的接觸條件改變，會使瀝青面層容易產生比較嚴重的永久變形。

此外，重載、超載的影響，路面結構，基層與面層材料的級配，路線縱坡，施工工藝，以及環境(溫度)條件等也是產生滑移和車轍現象的主要原因。

2 破壞機理分析

2．1 行車特性分析

通過對山區公路的長大縱坡路段行車特性進行的大量調查發現：

(1)同樣的坡長時，就重型車輛在上坡時速度的平均減幅來看，坡度越大減速的幅度越大;下坡時，從平均增幅來看，在坡度為3% ～4%時加速幅度最明顯，而超過4%時加速幅度反而有所減小，可能是駕駛員的心理受到過大坡度的影響，適當采取了制動措施。

(2)重型車輛在縱坡上運行時，有明顯的變速過程。隨著坡度的增大，上坡減速的幅度呈增大趨勢;而下坡時運行速度則有明顯增加趨勢。

(3)同樣的坡度下，當坡長達到一定值以后，在上坡時，從坡底至坡中，車輛的減速幅度往往要大于從坡中到坡頂;而當下坡時，從坡頂到坡中的增幅往往要大于從坡中到坡底的增幅。這表明上坡或下坡時，重車一般能在較短的坡長達到相對穩定的運行車速，此后坡長對其運行速度的影響將減小。

2．2 路面層間剪應力分析

(1)分析方法及參數選取。

在計算層間剪應力時，主要采用BISAR計算程序進行應力分析，該計算程序是專門為道路設計而編寫的程序，以多層彈性層狀體系為理論體系。BISAR計算程序功能較為完善。荷載方面不僅考慮了垂直荷載，也考慮了剎車制動時的水平力，同時，它還可以計算機構層中的任意一點的應力應變。

路面結構根據公路瀝青混凝土路面設計規范及當地的實際路面結構，按表1所示的路面結構進行研究，通過坡度和車輛載重的變化來考察縱坡坡度對最大層間剪應力的影響程度。

表1 路面結構參數

路面設計仍然采用標準軸載BZZ-100，即雙輪組單軸載為100kN的標準軸載。同時，超載現象在我國比較普遍也相當嚴重，有關調查顯示，我國的大型汽車、客車普遍超載50%以上，有些拉煤車更加嚴重，超載率達到1倍以上。考慮不同的層間結合狀態下的超載對于路面結構的應力應變影響，超載重量取為180kN，即超載80%。此外，研究的一方面內容是考慮縱坡條件下荷載對路面結構的影響分析，故此處同時也要考慮在一定坡度條件下，即產生部分水平力條件下層間接觸狀態對路面結構受力的分析，坡度取為5%。(2)計算結果及分析。

表2 平坡狀態下最大層間剪應力

表3 坡度為5%狀態下最大層間剪應力

由表2和表3可以得出以下規律。

①縱坡條件下路基路面各層所受剪應力比水平條件下要略小但很不明顯。

②超載使得任何狀態下的瀝青層內任意處的剪應力都大幅度增加，隨著界面條件由連續狀態變為半連續狀態進而為完全光滑狀態的惡化，剪應力的值也隨之加大，更容易引起路面的破壞。

③層間接觸狀態由連續狀態變為半連續狀態進而變為滑動狀態時，剪應力的變化趨勢為路面結構層的上層和底層的剪應力有所增加，在上面層內的剪應力的增加，會使得路面在荷載的重復作用下的抗剪能力減弱，使得瀝青層產生失穩破壞。而在基層范圍內，基層的剪應力也有所增加，長期荷載作用下基層也會引起抗剪不足，進而產生破壞。

3 防治措施

公路由于受到氣候、溫度、車流量及車載軸重等多因素的影響，很容易出現各種路面破壞問題，尤其是縱坡段公路其特殊的受力情況更容易產生路面破壞，如車轍、滑移現象等。通過實際病害調查，計算了層間接觸的不同狀態對路面結構應力的影響，得到了瀝青混凝土路面抗層間滑移和車轍的幾點措施。

(1)進行詳細交通量調查，確定日交通量，特別是軸載組成，充分估計交通量的增長率。車輛超載現象一定要引起相關部門的重視，采取措施盡量減少和避免超載現象的發生。

(2)層間接觸狀態的改變對層間剪應力影響顯著，要采取措施保證層間接觸狀態的連續性和完好性，盡量避免水分過多進入到路面結構層內部且難以釋放出去，這樣會造成接觸狀態的改變，影響路面結構穩定性。

(3)基層類型的不同對車轍的影響是不同的。通常基層模量越高，對瀝青層間的剪應力影響越不利。在半剛性基層的瀝青層剪應力更大，產生剪切變形的可能性也就更大。所以，要合理選擇基層材料。

(4)應考慮公路路段，尤其是長大縱坡路段沿線氣候特點，以其極端氣溫對應的路面溫度為基礎，在瀝青混合料組成設計時，盡量提高其軟化點等與溫度相關的性能指標。

4 結語

根據所調查路段的實際情況，定性地分析了公路路段尤其是長大縱坡路段瀝青混凝土產生層間滑移和車轍現象的原因;從長大縱坡段車輛行駛特性和不同縱坡條件下層間剪應力變化兩個方面，分析長大縱坡段層間滑移的破壞機理，并在此基礎上，提出一些有益于工程設計施工的建議。

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