長大縱坡瀝青路面典型病害調查及其成因探析

吳美平，葉晶晶

（南京市江北新區建設和交通工程質量檢測中心，江蘇 南京 211500）

0 引 言

山區公路往往由于地形地貌的限制，不能像平原微丘區的公路那樣擁有比較平順的線形，而經常形成連續的上下坡路段。車輛在這些長大縱坡路段上行駛時，不僅擁有不同于普通公路時的行駛狀態，還因為行駛狀態的不同導致路面承受不同的受力方式，其結果便是長大縱坡路段的路面病害十分嚴重，這已經成為一個亟待解決的問題［1-2］。本文依托西南地區某二級公路改建工程，對長大縱坡路段的瀝青路面病害進行了現場調查，并分析了產生這些病害的原因，對長大縱坡路段瀝青路面的病害防治有一定的指導意義。

1 病害調查

選取兩段（即 A 段、B 段）路線，選取每段1 000 m 進行調查，每段的病害分布如圖1～2 所示。

圖1 A 路段病害分布圖

圖2 B 路段病害分布圖

由圖1～2 可知，對于A路段而言，車轍、修補和龜裂是該路段的主要病害，分別占病害比例的 27 %、41 % 和 22 %；對于 B 路段而言，車轍、龜裂和坑槽是該路段的主要病害，分別占病害比例的 44 %、36 % 和 19 %。對于其他病害，本文分析認為，路面首先在荷載作用下產生了裂縫，隨著裂縫的發展，條形裂縫發展為龜裂，進一步在荷載和環境共同作用下松散形成坑槽。據了解，A 段的坑槽經過養護，坑槽數量已經不是很多。因此，根據此次調查結果，可以得知對于長大縱坡而言，車轍病害和坑槽病害是主要病害類型。

2 病害成因分析

2.1 重 載

重載，尤其是超載，會對路面造成很大損害［3］。該公路上重載交通占了很大一部分。重載車輛會在路面結構內引起很大的剪應力，而較大的剪應力不但會降低路面結構層間黏結能力、引起剪切型裂縫，而且會使路面在抗剪強度不足的情況下出現嚴重的車轍［4］。本文使用 Bisar3.0 程序計算了該路面結構在超載情況下的剪應力變化。計算所采用的路面結構和材料參數如表1 所示，計算結果如圖3 所示。

表1 力學計算參數表

從圖3 可以看出，在 6 cm 面層范圍內，剪應力隨著深度增加呈變大的趨勢，超載對面層內的剪應力有很大影響。當超載 20 % 時，最大剪應力增加了 20.3 %；當超載 100 % 時，最大剪應力增加了 100.5 %，幾乎是線性增加。在較大的剪應力下，路面材料會因為抗剪強度不足而出現嚴重車轍和其他病害。

圖3 超載對面層剪應力影響圖

2.2 低 速

車輛在長大縱坡上爬坡時會降低車速以提高牽引力，而低速行車對路面的損害非常大。根據“時溫等效”原則，降低車速相當于提高荷載作用于路面時的溫度，而高溫會造成瀝青材料的流動性增加，在相同的荷載作用下增加面層材料的變形，形成較深的車轍［5-6］。本文也調查了車速和車轍深度隨坡度的變化，分別如圖4、圖5 所示。

圖4 車速隨坡度變化表

圖5 車轍深度隨坡度變化表

由圖4 可知，隨著坡度的增加，車輛的實際行車速度是降低的。當坡度為 3 % 時，車速為 30 km/h；當坡度為 8.75 % 時，車速已經降到了 15 km/h。如此低的車速會對路面造成非常大的損害。由圖5 可知，車轍深度隨著坡度的增加而快速增加。坡度為 3.5 % 時，車轍深度為 18 mm；而當坡度為 8.75 % 時，車轍深度則達到了 50 mm，這時的面層已經完全損壞了。因此，較低的車速是造成長大縱坡車轍病害的重要原因。

2.3 層間黏結力不足

本文的力學分析已經指出，重載車輛會在路面結構層內產生很大的剪應力。當層間黏結力不足時，路面不同層位就會在剪力下產生層間滑移。層間滑移一旦發生，就會破壞路面結構受力的整體性，更容易誘發病害的產生和發展［7］。本文使用 Bisar3.0 程序計算了層間滑移對面層內剪應力的影響，計算所采用的材料參數如表1 所示，計算結果如圖6 所示。

圖6 層間粘結情況對面層剪應力影響圖

由圖6 計算結果可知，雖然從 20 % 滑移到100 % 滑移對面層的剪應力影響不大，可是層間滑移一旦產生，就會對面層內的剪應力產生很大影響。當層間僅僅20%發生滑移時，面層的最大剪應力就從 0.168 3 MPa 猛增到 0.451 3 MPa，增幅達 168.2 %。這說明了對于長大縱坡路段，更要重視對層間黏結的處治。

2.4 水平荷載的增加

車輛在普通路段行駛時，水平荷載主要來源于輪胎與路面之間的滾動摩擦力，這一力通常情況下是很小的。但是當車輛在長大縱坡上行駛時，水平荷載的來源除了滾動摩擦力外，還有車輛自身重力產生的水平分力和因頻繁制動而產生的制動力，制動力往往是長大縱坡上水平荷載的主要來源，這在下坡路段尤為明顯［8］。本文使用 Bisar3.0 程序計算了水平荷載對路面結構內剪應力的影響，計算結果如圖7 所示，圖中 f 為輪胎與地面的附著系數。

圖7 水平荷載對面層剪應力影響圖

從圖7 可以看出兩點，①隨著水平荷載的增加，面層內最大剪應力的增幅越來越大。當水平荷載為 0 時，面層內最大剪應力為 0.168 3 MPa；當附著系數為 0.4 時，面層內最大剪應力達到了 0.325 MPa，增幅達 93.1 %。②隨著水平荷載的增加，面層內的最大剪應力位置逐漸從層底向層表移動。當附著系數為 0.3 時，面層的最大剪應力位置已經完全位于面層的表面了。這樣的變化趨勢一方面使得面層更易因為受剪而產生車轍；另一方面加重了輪胎與路表的磨耗，磨損了面層的厚度，進而更易誘發病害。

2.5 瀝青混合料抗剪強度不足

本文的力學分析證明，某些路面工況的改變會導致瀝青路面結構層剪應力的增加。在面層材料抗剪強度不足的情況下，路面就會因剪切出現病害，瀝青混合料抗剪強度的不足是造成路面各種病害的主要內在因素。本文首先計算了該路面結構所允許的最小瀝青層抗剪強度。根據同濟大學孫立軍［9］的研究成果，瀝青路面瀝青層綜合抗剪強度允許值計算公式如式（1）所示。

式中：［τ］0為瀝青層綜合抗剪強度允許值，MPa；N 為設計年限內累計交通軸次，次；T 為所在地區年平均氣溫，℃；RD0為允許車轍深度，mm；V 為設計車速，km/h；ψ 為結構系數。

式中：h1為瀝青層厚度，cm；h2為基層厚度，cm；E2為基層模量，MPa。

取允許車轍深度為 20 mm，設計車速為 40 km/h，計算可得［τ］0為 0.745 MPa。

本文鉆取了調查路段的面層材料芯樣，并使用單軸貫入試驗［10］評價了面層材料的抗剪強度，結果如表2 所示。

表2 壹號公路面層材料抗剪強度表

表2 中，路肩材料的抗剪強度可以近似看做面層材料的初始抗剪強度。由表2 結果可知，車轍區材料的抗剪強度在承受荷載作用后都有所下降。其初始強度 0.590 MPa 不滿足瀝青層綜合抗剪強度最小值 0.745 MPa 的要求。在荷載作用下，由于瀝青混合料的抗剪強度過小而產生車轍也就不奇怪了。

3 結 論

本文依托西南地區某二級公路改建工程，對長大縱坡路段瀝青路面的病害進行了現場調查，并結合車速調查、交通量調查和力學分析，對病害產生的原因進行了分析，結論如下。

1）調查發現，車轍和坑槽是長大縱坡路段瀝青路面最主要的病害類型；

2）重載、低速、層間黏結力不足、水平力的增加和瀝青混合料抗剪強度不足是造成長大縱坡路段瀝青路面病害的主要原因。