重載交通對瀝青路面的影響分析

范曉燕 侯忠非

(中交瑞通路橋養護科技有限公司，陜西西安 710075)

近年來，隨著經濟建設的不斷發展，我國高速公路交通狀況也發生了較大變化，不僅交通量的增長較快，而且重載超載現象也比較普遍，受交通荷載的影響，我國不少高速公路瀝青路面在使用初期就出現了不同形式的早期病害，造成較大的經濟損失和不良社會影響。為充分認識重載交通的危害，本文從多方面分析研究了重載交通對路面的影響。

1 重載交通

在我國，重載交通主要包含有兩個方面含義，即超限運輸和超載運輸。

超限運輸是指在公路上行駛的運輸車輛，其裝載貨物的尺寸、車貨總質量或車輛軸載質量任一方面超過國家法律、法規所規定的限值而進行的公路運輸行為。超載運輸是指車輛所裝載的貨物超過車輛額定載貨質量。超載且超限的車輛對路面的使用壽命有很大的影響，有的甚至超過路面結構的極限承載力，使路面出現結構性破壞。

2 重載交通的主要危害

1)縮短道路使用壽命。重載交通對路面結構的破壞主要是指車輛軸載對路面的重復疲勞破壞作用。我國現行路面設計標準為單軸雙輪胎，標準軸載為100 kN，車輛的換算軸載是按照滿載時的車輛各級軸載進行標準當量軸次進行計算。如一輛單軸超限200%的貨車，換算成標準軸載的當量作用次數時是BZZ-100的119倍。重載交通使車輛的當量軸載作用次數急劇增加，從而使車道實際累計當量軸次提前達到路面的設計累計當量軸次，引起路面疲勞破壞，從而縮短了道路的使用壽命。2)危及行車安全。重載交通還容易引發道路交通事故，車輛超限超載一方面容易使車輛制動系統出現異常，在普通路段尤其是長大縱坡及急彎路段緊急制動時易引起交通事故;另一方面容易造成車軸斷裂、爆胎等故障，車輛在緊急停車帶上停靠維修會影響車輛正常運行，同時也存在很大的安全隱患。3)引起路面結構破壞的同時加速路面使用性能衰減。在重載交通作用下，按標準軸載條件下計算得到的路面結構整體強度及路面各層的抗疲勞開裂性能都無法滿足實際要求，從而造成路面結構提前破壞。路面結構破壞引起多種路面病害，致使路面破損、路面平整度等其他使用性能急劇衰減。

3 重載交通危害路面的技術分析

3.1 靜態軸載超限對路面影響分析

我們平常所指的軸載是車輛的靜態軸載，車輛軸載超限是破壞公路路面的主要原因。其對路面的破壞主要體現在結構性破壞和面層行駛質量下降兩個方面。我國高速公路是以雙輪組單軸載10 t為標準軸載進行設計的，因此，當車輛進行超限運輸時，其輪胎壓力驟增，輪胎與路面作用時間大大延長，超過路面承受能力，加速對路面的破壞。美國于1958年就軸載對路面破壞提出了著名的“四次方法則”，即:汽車對路面的破壞作用與汽車軸載的n次方成正比，在美國，n取4，我國推薦n取4.55，公式如下:

其中，P為任一軸載質量;P0為標準軸載，取10 t;EF為P對路面破壞作用次數換算成P0對路面重復作用次數的換算系數，也稱破壞系數。上式計算結果如表1所示。

表1 軸載質量對公路路面破壞系數(EF)表

由表1可見，當車輛的超限率達到50%時，其每通過路面一次相當于標準軸載車輛通過6.6次，而當車輛的超限率達到100%時，這個數字增大到了23.4。隨著車輛超限程度的增加，其對路面破壞程度急劇上升。

3.2 動態軸載超限對路面影響分析

動態軸載是指車輛在行駛過程中對路面施加的荷載。各國目前對汽車軸載質量的限值均為靜態軸載，然而，路面承受的卻是車輛產生的靜態軸載與動態軸載之和。

當車輛行駛在高速公路上，由于本身的振動，作用在路面上的軸載時大時小，其動態變動近似服從正態分布，變差系數與車速、路面平整度、車輛振動性能密切相關。當車輛超限時，其原有懸掛系統與減振裝置難以匹配，車輛振動的變差系數增大，其對路面產生的動態荷載急劇增加，對路面的沖擊力也就大大增強，加速了對路面的損壞。路面的損壞使其平整度變差，車輛產生的動態軸載進一步增加。如此形成惡性循環，使得路況越來越差。

4 交通荷載對路面使用性能的影響

4.1 對路面強度的影響

高速公路瀝青路面以路表面回彈彎沉、瀝青混凝土層底拉應力及半剛性材料層的層底拉應力為設計指標。路面結構層厚度的確定應滿足結構整體剛度與瀝青路面各結構層抗疲勞開裂的要求。

根據規范要求，對路面剛度要求為路表計算彎沉Ls應不大于設計彎沉Ld，即Ls≤Ld;

由上式可知設計Ne偏小，就會使Ld偏大，即標準偏低，計算得到的路面厚度偏小，路面強度不能達到設計年限內實際交通要求，勢必會造成路面早期破壞。

另一方面，在重軸載作用下，路面實際彎沉會大于設計彎沉，容易產生路面開裂及沉陷等病害。以深汕高速公路西段為例(按標準軸載作用下計算得到的設計彎沉為0.246 7 mm)，針對不同軸重計算的路表彎沉見表2。

表2 不同軸載作用下路表彎沉值

路表彎沉隨軸載變化趨勢圖見圖1。

圖1 路表彎沉隨軸載變化趨勢圖

4.2 對路面其他性能的影響

規范要求，為防止路面結構層疲勞開裂，設計采用彎拉指標控制瀝青面層和基層底面的彎拉應力σm，其應不大于結構層的容許彎拉應力σR，即σm≤σR，計算關系式如下:

其中，σSP為瀝青混合料抗彎拉強度;KS為瀝青面層的抗拉強度結構系數;Ag為瀝青混合料級配系數;Ac為公路等級系數。

由上式可知:Ne偏小會使計算的σR偏大，由于設計標準降低，計算的路面層底拉應力σm可能會大于結構層所能承受的拉應力σm，導致路面產生由下向上發展趨勢的疲勞開裂。

車輛超限對瀝青路面的破壞主要有以下幾種現象:1)結構性破壞產生的疲勞開裂，如網裂、龜裂及橫向裂縫等;2)車轍;3)剪切破壞產生的推移、壅包等，從而使路面結構提前破壞。病害的產生會明顯降低路面損壞評價結果，影響行車安全，同時勢必影響到路面平整度，從而導致路面綜合使用性能急劇下降。通過對多條高速公路分析，當其他條件相同時，交通軸載越大，安全使用性能衰減越快;交通軸載越小，則衰減越慢。

5 重載交通經濟分析

以廣東省為例，已建成的高速公路中，較早建成的幾條高速公路已提前進入大修期。比較典型的如深汕高速公路東段2005年開始大修，耗資20億元。比設計提前21年。可見由超限運輸車輛引發的養護費用的增加額是巨大的。

為定量分析重載交通引起的養護費用的增加，依據相關研究成果，通過對養護補償費用和車軸超限程度進行擬合分析，可得以下回歸模型:

其中，Y為補償費率，元/車;X為超載率。

通過上式，可得出不同超載程度下增加的養護費用平均值，見表3。

表3 不同超載程度下的養護費用補償費率

6 結語

通過以上分析可知:1)重載車輛會造成瀝青路面結構強度不足、層底應力大幅增加，從而使路面損壞過程加快，大大縮短路面使用壽命。2)超限運輸會加速路面使用性能衰變速率，影響行車安全。3)超限運輸會使公路養護費用大幅增加。因此，充分認識重載車輛對公路的嚴重破壞，在設計階段充分考慮超載因素的影響，運營階段加大超限超載措施力度，多方面減小重載交通對瀝青路面的破壞。

［1］深汕高速公路西段交通量及荷載對路面影響驗算分析報告［R］.2007.

［2］王振清.公路超限運輸概論［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］何兆益，許茂增.基于公路增量投資的重慶市干線公路超限車輛的補償費分析［J］.重慶交通學院學報，2002(4)：29-30.

［4］JTG H20-2007，公路技術狀況評定標準［S］.

［5］JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范［S］.