基于重載交通的瀝青路面受力特性及病害防治措施研究

黃 江

（山西省公路局，山西 太原 030006）

2016年底，我國高速公路通車里程已達130000 km。隨著經濟的不斷發展，交通量不斷上升，重載車輛運輸成為了交通量的主要組成部分。

重載交通加快了路面的損壞，嚴重縮短了路面設計的使用壽命和服務性能，甚至引發道路交通安全事故。在車輛重載作用下無論瀝青混凝土路面還是水泥混凝土路面均有路面早期損壞較為嚴重的現象。針對運煤重載瀝青路面，研究重載交通對路面早期破壞的形式及原因，提出相應的措施，對延長路面壽命，維護道路安全，降低路面養護成本非常重要。

1 重載路面軸載分析

我國礦產資源豐富，重載交通較為普遍，運煤道路最大的特點為：車輛運輸具有顯著的方向性。返回煤炭產區的車輛多為空載，軸載重量輕，較分散；駛離煤炭產區的載重車輛滿載煤炭軸載重量大，行駛速度慢，出行集中[1]。重載現象越來越突出，路面的早期破壞也不斷加重。

圖1 山西某高速軸載譜分布

利用車輛軸載自動稱重系統對山西某高速進行24 h連續調查，獲得不同軸輪組的軸載分布。

由軸載譜分布圖1可知，單軸-單輪組軸載譜大于6 t的占20%左右，為單峰值分布；單軸-雙輪組軸載譜集中在10～18 t，比例達到30%左右，軸重超過10 t的達到37%左右，近5%的軸載達到20 t；雙軸-雙輪組軸載譜中有約53%的軸重超過18 t；三軸-雙輪組中約56%的軸重超過22 t。由此可見，山西以貨運運輸為主，且貨運車輛中以重型大貨車、特大貨車和拖掛車為主。

2 重載路面交通調查

調查山西省某車道的貨車流量情況，按照車型對路面的影響程度將各種車型進行一定的折算，重型貨車折算系數為4，大貨車為3，中貨車為1.5，小貨車為1。調查及分析結果如表1與圖2所示。

表1 貨車流量調查

圖2 各類型貨車所占比例圖

由圖2可知該條道路主要交通是重型貨車，占總交通量的88.9%，折算比例達到了94%；其次是大貨車，比例為4%，中、小型貨車占總交通量的2%。

3 重載條件下路面受力特性

調查山西省重載的路面結構主要有半剛性、混合式、復合式瀝青路面，以半剛性基層瀝青路面結構為例分析重載條件下路面結構的受力特性，路面結構參數如表2所示。

表2 瀝青路面各結構層參數

根據路基的彈性半空間體假設，建立有限元模型。采用軸載為100 kN、130 kN、190 kN三種工況對比分析，對應的應力分別為 0.7 MPa、1.0 MPa、1.3 MPa。計算半剛性基層瀝青路面結構在不同深度處的剪應力，如圖3所示。

圖3 隨軸載變化的剪應力變化對比圖

由圖3可知：

a）路面結構同一深度處，剪應力隨荷載的增加而增大。

b）不同荷載下，路面深度由0增加至60 cm過程中，剪應力均呈現先增加后減小，再增加再減小的趨勢。

c）剪應力在路面深度4 cm以上位置急劇增加，在約4 cm深處達到峰值，即在上面層中剪應力是不斷增加的，至上面層與中面層交界處達到最大。

在不同厚度條件下，計算路面基層底面拉應力及土基頂面壓應變隨荷載變化的關系，如圖4（第35頁）所示。

由圖4可知：

d）瀝青路面基層層底的拉應力隨著軸載的增加而增大，呈正比關系。

e）拉應力隨著瀝青面層厚度的增加而減小，而變化趨勢幾乎不隨瀝青層厚的變化而變化。

4 重載路面病害及防治措施

根據重載條件下路面的受力特性可知，重載對路面結構所受剪應力影響非常大，使瀝青路面產生塑性變形，累計后形成車轍[2]。特別地，在溫度的耦合作用下，重載車輛對層間的剪切應力進一步增大，軸載越大，側向剪切位移越大，車轍程度越大。路面在重載條件下，瀝青路面的主要病害是車轍、裂縫、松散及坑槽等。

4.1 高速公路病害調查

根據交通運輸部每年路況檢查資料顯示，山西省部分高速公路的病害情況如表3所示。

圖4 隨軸載變化的層底拉應力及拉應變對比圖

表3 山西省部分高速公路路面病害調查

資料顯示，山西省部分高速公路的主要病害為車轍和裂縫，而主要原因是山西省的煤礦資源豐富，道路交通組成主要是貨車所占比例極大，且主要為重型貨車，重型荷載作用使路面車轍的發展非常快。

4.2 車轍病害的預防及養護措施

根據路面病害的調查顯示，瀝青路面早期病害以車轍和裂縫較為嚴重，對瀝青路面常見的病害進行預防及預防性養護措施應從瀝青混合料設計階段，施工期的質量控制，運營期路面養護以及對超載車輛的管制方面入手，做到防治結合，最大限度地保證路面的使用性能。

4.2.1 優化瀝青混合料設計

考慮重載對道路的影響，在瀝青混合料設計階段盡可能對材料及結構進行優化：

a）選擇高黏性瀝青或改性瀝青，提高混合料抗車轍能力。

b）控制瀝青用量，減小油石比，將集料級配設計形成骨架密實結構。

c）提高結構層設計，控制混合料空隙率，各面層之間模量相近，保證基層穩定基礎上多采用“強基薄面”的結構設計。

4.2.2 嚴格把好施工質量關

施工質量是決定路面使用壽命長短的最重要因素，要保證施工質量應從以下幾方面進行嚴格管理：

a）保證基層鋪筑前路床的彎沉滿足規范要求。

b）嚴格控制各結構層原材料及混合料質量。

c）保證基層強度及水穩性。

d）嚴格控制瀝青混合料拌合、攤鋪機壓實溫度。

e）碾壓應連續、均勻，碾壓完成后進行壓實度及平整度現場試驗。

4.2.3 加強運營期間公路管理

新建或大修后的公路投入使用后，盡快按照設計軸載對運輸車輛進行管制，控制及治理載重汽車的重載現象。對已經產生損害的路面應及時采取措施進行治理，防止路面損害的進一步惡化。

4.2.4 采取預防性養護措施

研究表明，重載瀝青路面的主要問題是車轍，針對病害的不同嚴重程度，采取科學合理的養護措施。車轍損壞在運煤重載路面最為嚴重，對此可采用以下3種技術進行維修處理：

a）微表處理法 將瀝青、水泥等稀漿混合料攤鋪在瀝青路面車轍位置。該方法快速、維修工期短、成本低。

b）熱再生法 將車轍位置的瀝青加熱軟化后，將舊料與黏合劑及再生劑混合，按配合比拌合成新料，重新鋪設在車轍損壞位置，該方法適宜車轍深度小于10 mm。

c）銑刨重鋪法 適用于任何形式的車轍損壞。將需要維修的車轍病害路段進行規劃并標記，銑刨后進行重新攤鋪，從根本上解決了路面的車轍問題。

5 結論

本文基于山西省高速公路重載交通對瀝青路面的影響進行研究，得出以下結論：

a）通過調查分析重載路面的交通量及軸載譜，得出山西省交通組成以貨運運輸為主。

b）通過建立有限元計算荷載分別為100 kN、130 kN、190 kN條件下，路面結構剪應力變化及基層層底拉應力、土基頂面壓應變的變化，得出重載對路面結構的影響非常大，是路面產生車轍的主要原因。

c）調查山西省8條高速的路面性能，針對車轍主要病害，提出重載路面的預防及養護措施，應從瀝青混合料設計、施工、運營管理階段進行路面質量的控制及病害預防。