超載作用下瀝青路面使用性能的衰變

王恩營，薛忠軍，樂興堃

（北京市道路工程質量監督站，北京 100076）

0 引言

進行瀝青路面設計時，車道上各種車輛荷載的換算累計當量軸次是關鍵的設計計算指標，當有重載或超載時，其換算得到的當量軸載是標準軸載的幾何級倍數[1]。所以，超載對瀝青路面的破壞作用非常突出，由此造成路面早期損壞，路面使用性能衰減加快，影響了公路的服務能力，縮短了路面的使用壽命。

1 超載作用下瀝青路面的損壞機理

瀝青路面的設計使用壽命是指瀝青路面的疲勞壽命，與車道一定年限內的累計當量軸次相關。理想狀態下，在車輛荷載作用下的瀝青路面，接近使用壽命時才會出現各種嚴重病害，導致路面失去應有的使用性能。

超載車輛對路面的破壞作用主要體現在3個方面：路面彎沉值超限、應力大幅增加、累計當量軸次驟增，這些都會導致路面損壞的發生和發展[2]。

（1）當超載車輛的軸載較大時，路面彎沉值隨軸載的增加呈線性遞增，荷載產生的彎沉值大于設計彎沉值時，會對瀝青路面造成損傷。過大的路表變形必然造成過大的彎拉應力，使路面由內向外逐步發展疲勞開裂，出現路面裂縫、沉陷及坑槽等病害，導致瀝青路面過早被破壞。

（2）超重車輛荷載會引起路面結構內應力的大幅增加，使路面結構產生較大的彎拉變形、壓密變形及剪切變形，各種變形的綜合作用會加快路面的損壞過程，加劇破損程度，加快瀝青路面破壞。

（3）超載車輛會增加瀝青路面的疲勞破壞，導致路面使用壽命明顯縮短，瀝青路面提前破壞。

長期超載作用下的瀝青路面，其路面使用性能的衰減會以各種路面病害的形式表現出來，《公路技術狀況評定標準》（JTG H20—2007）用路面損壞狀況指數PCI表示路面病害的嚴重程度，PCI可以反映出超限荷載對路面的損壞程度。一般超載運輸越嚴重，路面破損程度越嚴重，路面損壞狀況指數越低[3]。

2 超載對瀝青路面使用性能的影響

路面損壞狀況的發生發展受自然條件、施工質量、養護條件、車輛荷載、路用材料等多種因素的影響。為了研究超載對瀝青路面損壞的影響程度，可選取荷載條件不同、其他影響因素相近的路段進行觀測。本文以北京市某區的7條干線公路為研究對象，通過路面損壞狀況指數PCI的變化情況，說明超載對路面損壞狀況的影響。

所選7條干線公路均為二級路，采用半剛性基層，處在同一區域，自然和養護管理條件基本相同，其中的一條為超載運輸多發路線、其余6條無明顯超載運輸現象。利用自動化檢測設備對這7條公路的行車道進行檢測，近3年的檢測及評價結果如表1所示。

表1 北京市某區干線公路路面損壞狀況指數PCI匯總及變化情況表

表1 （續）

路況檢測結果表明，7條干線公路中除S04外，其余6條路況均較好，路面損壞狀況指數為優等以上的有5條，S07也接近優等，且近三年來路況水平一直處于穩定狀態，路面病害主要為普通路面裂縫及修補，養護管理部門通過采取灌縫等養護措施就能較好地保持路面狀況。

相對于其他6條公路，在養護、自然等條件接近的情況下，S04路況水平明顯較低，特別是在2013年，路面損壞狀況指數大幅下降，路面出現大量的龜裂和松散，部分路段甚至出現坑槽，這是由于S04為超載運輸多發路線，超載車的數量大、超載率高，對路面造成嚴重損壞。

圖1、圖2為7條公路上、下行方向2012~2013年度PCI變化量。從圖中可見，與其他路線相比，S04損壞狀況指數PCI的衰減量在上行和下行方向中，都是7條路線中最大的，下行方向甚至達到了-14.18，遠高于其他公路。說明在同等養護條件下，S04的路況衰減較其他路線明顯快很多，且下行方向明顯快于上行方向。

圖1 7條公路上行方向2012—2013年度路面損壞狀況指數PCI變化量

圖2 7條公路下行方向2012—2013年度路面損壞狀況指數PCI變化量

從2012年與2013年S04下行方向路面損壞狀況對比圖（圖3）可以看出，S04全線30km中，有23km發生了不同程度的衰減。其中，K11+000～K23+000路面損壞嚴重，主要為次差等級路段，損壞狀況指數PCI最低已達47，按照《公路養護技術規范》（JTG H10—2009），如果路面強度也已不滿足要求，則該路段必須采取大修措施[4]，而該路段距上次大修僅過了3年多。由此可見，由于超載運輸嚴重，S04的路面大修年限大幅提前，使用壽命明顯縮短。

圖3 2012、2013年S04下行方向路面損壞狀況指數PCI對比圖

3 超載對瀝青路面使用壽命的影響分析

分析S04的路面損壞狀況衰減情況，顯示嚴重的超載運輸會導致瀝青路面病害不斷加劇，最終導致大修工程的提前，路面使用壽命的縮短。下面選取與S04情況接近的二級公路為例，通過計算超載條件下瀝青路面疲勞壽命，研究超載對瀝青路面使用壽命的影響。

3.1 計算方法

依據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2006）進行路面設計時，按照每車道、每日平均大型客車及中型以上的各種貨車交通量，作為設計交通等級。計算交通等級時，應將各種不同類型軸載的作用次數換算為一種標準軸載（雙輪組單軸載100kN）的作用次數，換算公式為[1，5]：

從式（1）可以看出，當車輛軸載增加時，標準軸載作用次數不是按比例增加的，而是按4.35次方增加。因此，當汽車超載時，累計標準軸次顯著增加，對路面結構的損壞更為嚴重。

選取五種車型為計算標準車型，計算車型軸重參數及二級公路相關指標參數如表2所示，超載時的交通量中考慮20%的空載率（滿載及超載為80%），先由式（1）計算各種車型空載、滿載、超載10%、超載20%、超載50%、超載80%、超載100%時的換算系數；再分別計算不同車型的標準軸次和累計標準軸次，有載車中考慮50%的超載車數量，即滿載車占50%[6-7]。

表2 計算車型軸重參數及二級公路相關指標參數表

3.2 換算系數

表3 各計算車型對應的換算系數表

3.3 累計當量軸次

累計當量軸次計算結果如表4所示。累計當量軸次計算公式為[1]：

表4 累計當量軸次計算結果

3.4 超載對瀝青路面使用壽命的影響

當滿載時，在設計壽命的12年中，二級路的累計當量軸次為5 455 000，而不同超載率對應的累計當量軸載均大于滿載時，說明當有超載車輛時，路面的實際使用壽命會隨著超載的嚴重程度而縮短。假定路面結構按滿載時的累計當量軸次進行設計，反算不同超載率時路面結構的實際使用壽命[6]，計算結果見表5。

表5 不同超載率對應的計算實際使用年限

通過表5和圖4可以看出，對于超載率為50%的二級公路，當超載量在10%內時，對路面的使用壽命影響不大；超載量大于10%時，實際使用壽命減少幅度明顯加大；當超載量為50%時，路面的實際使用壽命為4.4年；當超載量達到100%時，實際使用壽僅為1.4年。

圖4 不同超載率對應的路面實際使用年限變化圖

4 結論

（1）超載加劇了瀝青路面使用性能的衰減速度。在相同養護條件下，對比普通荷載和超限荷載作用下瀝青路面的損壞狀況，顯示超載對瀝青路面的使用性能影響較明顯，表現為超載多發路線路面損壞狀況指數衰減速度較非超載路線快，超載多發路線超載車集中的行車方向路面損壞狀況衰減快。計算表明，S04的路況衰減情況接近理論計算中超載率為50%，超載量為50%時，路面的實際使用壽命僅為3.66年，與實際已過大修時間相近。

（2）通過計算可知，超載運輸會導致瀝青路面性能迅速衰減，疲勞壽命大大縮短，當超載量達到100%時，路面的實際使用壽命僅有1.4年。

[1]JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].

[2] 張衛兵.超載作用下瀝青路面設計方法及合理結構研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[3]JTG H10—2009，公路技術狀況評定標準[S].

[4]JTG H10—2009，公路養護技術規范[S].

[5] 鄧學鈞.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，1999.

[6] 張敏江，石巖，王新波.車輛超載對瀝青路面結構的影響分析[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2008，24（1）：16-19.

[7] 張兵.車輛超載對瀝青路面使用性能的影響分析研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.