祁臨高速公路路面大修時機理論探究

趙 功

（山西省祁臨高速公路有限責任公司，山西 晉中 030900）

近年來，我國公路建設突飛猛進，高速公路里程大幅增長，截止2013年年底超過10萬km，覆蓋全國的高速公路網(wǎng)已基本形成。隨著公路網(wǎng)的逐步完善，越來越多的高速公路開始進入養(yǎng)護維修階段，養(yǎng)護任務日趨繁重，養(yǎng)護資金需求在逐年增加，同時由于交通量迅速增長以及重載、超載現(xiàn)象嚴重，導致許多公路早期破壞嚴重，未到維修周期就不得不進行大中修，根據(jù)經(jīng)驗，絕大多數(shù)公路一般在通車后7、8年進行大中修養(yǎng)護。而大中修養(yǎng)護主要針對路面面層進行處治。路面面層直接承受行車荷載和環(huán)境的作用，對其最基本的要求是耐久、平整和抗滑。耐久是指路面具有足夠長的使用壽命，要求整個路面結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和抗變形能力。隨著高速、大流量和渠化交通的聯(lián)合作用，削弱了瀝青路面的自愈效用，在車輛荷載疲勞作用下瀝青路面出現(xiàn)早期損壞。本文主要針對荷載疲勞作用對瀝青路面的影響進行研究，確定基于荷載疲勞作用的路面大修時機及方案。

1 瀝青路面疲勞損壞的影響因素

1.1 水的影響

1.1.1 積水條件下瀝青路面疲勞破壞特點

瀝青路面的積水主要來自于外界降雨，當降雨量較大時，路面表面的積水來不及排出即滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，在車輛荷載作用下，混合料內(nèi)部產(chǎn)生高孔隙水壓力，容易造成瀝青路面破壞。在水和疲勞荷載共同作用下，瀝青路面的疲勞破壞具有如下特點：

a）在無水狀態(tài)下瀝青路面疲勞破壞表現(xiàn)為劈裂形式，而在有水狀態(tài)下疲勞破壞則表現(xiàn)為剪切和劈裂聯(lián)合作用的形式。

b）水對瀝青路面的疲勞壽命有顯著影響，在有水狀態(tài)下，由于瀝青混合料內(nèi)部存在較大的孔隙水壓力，瀝青混合料容易松散剝落，因此瀝青路的疲勞壽命較無水狀態(tài)明顯降低。

1.1.2 祁臨高速的水文條件

祁臨高速途經(jīng)地區(qū)地下水補給途徑主要靠大氣降水及山區(qū)側(cè)向補給，地下水徑流條件較差，排泄主要靠垂直蒸發(fā)。除個別路段外，絕大部分地區(qū)潛水埋深較深，不會對路基以及構(gòu)造物造成不利影響。因此，祁臨高速公路接觸到的水主要來自大氣降水，對沿線地區(qū)年平均降雨量進行調(diào)查結(jié)果如表1。

表1 沿線地區(qū)年平均降水量 mm

由表1數(shù)據(jù)可知，祁臨高速全線年平均降雨量在500 mm左右，在我國屬于中等水平。由于路面設置了較為完善的排水設施，降落在路表的雨水會迅速排出到路面范圍以外，只有少部分雨水滲入到路面結(jié)構(gòu)中。加之祁臨高速沿線水文地質(zhì)條件良好，因此水對路面疲勞壽面的影響很小。

1.2 溫度的影響

瀝青路面對溫度十分敏感，瀝青混合料的強度、勁度以及溫縮性能等都隨著溫度的變化而變化。溫度影響瀝青路面材料的同時，對路面結(jié)構(gòu)的影響也較大。進入路面結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定熱流，使路面結(jié)構(gòu)層隨著溫度的升高或降低而趨于膨脹或收縮。由于層狀路面結(jié)構(gòu)層之間的相互約束，這種變形不能自由發(fā)生，產(chǎn)生溫度應力。當溫度應力超過路面結(jié)構(gòu)層材料的極限抗拉強度時，瀝青路面產(chǎn)生開裂。

對祁臨高速途經(jīng)地區(qū)的極端低溫和極端高溫進行調(diào)查，如表2所示。

表2 祁臨高速途經(jīng)地區(qū)極端氣溫 ℃

由表2數(shù)據(jù)可知，祁臨高速途經(jīng)地區(qū)最低氣溫均在-20℃左右，最冷的地區(qū)達到了-28℃。在這種溫度條件下，瀝青路面路表最大溫度應力能達到0.8 MPa左右，路面底層最大溫度應力能達到0.2 MPa左右。加之車輛荷載的疲勞作用，路面結(jié)構(gòu)很快發(fā)生破壞，疲勞壽命顯著降低；祁臨高速途經(jīng)地區(qū)最高氣溫在40℃左右，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度能達到60℃以上，研究發(fā)現(xiàn)，當路表溫度從35℃升高到65℃時，表面層瀝青混合料的勁度模量從700 MPa下降為不足100 MPa，中面層溫度從28℃升高到55℃，中面層勁度模量從900 MPa下降到不足200 MPa，都是呈5～7倍下降。在車輛荷載作用下路面極易產(chǎn)生車轍，并且隨荷載作用次數(shù)的增加，其車轍深度不斷變大。由此可見，溫度條件對祁臨高速路面疲勞壽命影響顯著，需重點考慮。

2 路面使用年限與彎沉衰減關(guān)系研究

路面彎沉能反應路面各結(jié)構(gòu)層和土基的整體強度和剛度。路面竣工后，在車輛荷載反復作用下，路面各結(jié)構(gòu)層和土基的回彈模量逐漸衰減，路面的彎沉也呈現(xiàn)衰減的變化趨勢。其中路表彎沉的衰減表現(xiàn)為3個過程：

a）瀝青路面竣工后1～2年內(nèi)，由于車輛荷載的重復碾壓，逐漸壓實，加上半剛性基層材料隨著齡期強度增長，從而導致路表彎沉逐漸減小，直到達到最小值。

b）路面竣工2～4年后，由于半剛性基層強度增長逐漸緩慢并達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，同時在車輛荷載重復作用以及水、溫度等外界環(huán)境因素變化，路面結(jié)構(gòu)整體剛度下降，使得路表彎沉急劇增大。

c）路面竣工4年后，在各種外界因素以及車輛疲勞荷載反復作用下，路面結(jié)構(gòu)局部強度不足的問題充分暴露，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部積蓄的高密度能量通過結(jié)構(gòu)缺陷的擴展而逐步轉(zhuǎn)移，重新實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的能量平衡，路面結(jié)構(gòu)剛度達到一種較低的穩(wěn)定水平，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展也得到抑制，路表彎沉也達到一種穩(wěn)定狀態(tài)。

通過灰色數(shù)學理論和祁臨高速現(xiàn)有資料，建立彎沉預測模型如式（1）。

利用上式對祁臨高速彎沉進行預測，預測結(jié)果如表3。

表3 祁臨高速彎沉預測值 0.01 mm

3 半剛性材料疲勞壽命研究

斷裂力學認為，當材料在遠低于屈服強度的循環(huán)應力作用下，通常不會發(fā)生機械破壞。但是，如果在試件中存在裂紋、夾雜物或突然的幾何形狀變化，則局部應力可能超過屈服強度，從而會發(fā)生裂紋的萌生和擴展。外加循環(huán)應力每循環(huán)一次，裂紋都將小量擴展，這稱之為疲勞裂紋擴展。

無機結(jié)合料穩(wěn)定類粒料是不均勻的各向異性的材料，材料中存在細微的空隙，這是造成半剛性基層初始裂紋的裂源。根據(jù)斷裂力學的理論可知，在車輛荷載的反復作用下，半剛性材料結(jié)構(gòu)中的細微空隙會逐漸變大，直至發(fā)展成細微裂縫，長此以往，裂縫不斷擴展，造成半剛性材料破壞，也就是達到了疲勞壽命。

通過對大量試驗數(shù)據(jù)的回歸，水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命方程如式（2）。

通過公式（2）計算得出，在標準軸載作用下水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命為3.12×107次。

當交通等級為重交通，增長率為5%時，通過交通量反算可知，祈臨高速公路其基年軸載作用次數(shù)應在6 094～13 698次之間，由此可算得通行10年所承受的標準軸載作用次數(shù)在6.99×106～1.57×107之間，由公式（2）可知，疲勞壽命在23%～50%之間。

4 瀝青路面疲勞程度計算

瀝青路面在車輛荷載作用下，面層底部承受拉應力。隨著荷載作用次數(shù)的增加，瀝青路面在拉應力反復作用下，面層底部開始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載作用次數(shù)增多，疲勞損傷不斷積累，并逐漸擴展至表層，瀝青路面發(fā)生破壞。為了研究瀝青路面在不同交通荷載作用下的疲勞程度，需建立交通荷載與瀝青路面疲勞壽命之間的關(guān)系。

瀝青混凝土疲勞壽命方程如式（3）：

式中：Nf為瀝青混凝土疲勞壽命；K、n為回歸系數(shù)，K=515.6，n=4.87；σf為瀝青混合料極限彎拉強度；σmax為瀝青混合料最大彎拉應力。

服役期道路瀝青路面疲勞程度按式（4）計算：

式中：q為服役期道路路面疲勞程度；Ns為已承受的累計標準軸載作用次數(shù)；Nf為瀝青路面疲勞壽命。

通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)計算得到祁臨高速公路路面最大彎拉應力為σmax為0.222 MPa，瀝青混合料的極限抗拉強度為1.94 MPa。計算可知祁臨高速的極限疲勞壽命為：

當交通等級為重交通，增長率為5%時，通過交通量反算可知其基年軸載作用次數(shù)應在6 094～13 698次之間，由此可算得通行10年所承受的標準軸載作用次數(shù)在6.99×106～1.57×107之間，由式（3）可知，疲勞壽命在34%～77%之間。

以上計算可作為祁臨高速公路瀝青路面大中修時機確定的部分理論依據(jù)，為決策提供一定參考價值。實踐中還要結(jié)合實際檢測數(shù)據(jù)，科學決策確定大中修時機。