山區(qū)公路縱坡段瀝青路面層間應(yīng)力分析

徐寶龍

(承德市公路工程管理處)

目前我國已建成的高速公路大部分為瀝青混凝土路面，采用半剛性基層。但這種路面結(jié)構(gòu)在垂直和水平荷載的綜合作用下，尤其是在高溫、重載的作用下，基層與面層間產(chǎn)生的剪應(yīng)力較大，當(dāng)層間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，很容易產(chǎn)生層間滑移破壞和車轍現(xiàn)象。對承德市已建成瀝青混凝土路面進(jìn)行了病害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)公路路面不同程度地出現(xiàn)了路面滑移和車轍等病害，個(gè)別路段甚至在竣工當(dāng)年就發(fā)生滑移而不得不挖掉重鋪，嚴(yán)重影響了瀝青混凝土路面的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量。

1 破壞原因分析

滑移和車轍是路面破壞的主要形式，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，上坡路段中的車轍現(xiàn)象更加嚴(yán)重，車轍深度相對較深，在鄰近坡底和坡頂處容易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。這主要是因?yàn)樵陂L大縱坡上，車速一般較低，荷載與路面的作用時(shí)間相對較長，使瀝青混合材料高溫流動(dòng)變形增大。從現(xiàn)場取樣可以看出，基層由于是半剛性材料所以不會(huì)產(chǎn)生永久變形，瀝青層的永久變形(尤其是中下面層)會(huì)比較明顯和嚴(yán)重。

瀝青面層內(nèi)車轍產(chǎn)生主要是由于瀝青混合材料在車輛荷載的反復(fù)作用下，荷載應(yīng)力大大超過了瀝青混合材料的穩(wěn)定度峰值，從而流動(dòng)變形不斷累積增加所致。有研究表明，基層類型是影響車轍的重要因素之一，基層類型的不同對車轍的影響是不同的。通常，基層模量越高，對瀝青層間的剪應(yīng)力影響越不利。

半剛性基層瀝青路面的層間剪應(yīng)力與層間界面條件也有很大關(guān)系。瀝青層下如果存在較多積水，基層與瀝青層間的接觸條件為光滑，剪應(yīng)力會(huì)增加，假如出現(xiàn)重載現(xiàn)象，剪應(yīng)力的大小會(huì)成倍增加，更易導(dǎo)致嚴(yán)重的路面破壞。在基層沒有排水能力、路面產(chǎn)生反射裂縫的情況下，水滲入路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，使得基層與瀝青層間的接觸條件改變，會(huì)使瀝青面層容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的永久變形。

此外，重載、超載的影響，路面結(jié)構(gòu)，基層與面層材料的級配，路線縱坡，施工工藝，以及環(huán)境(溫度)條件等也是產(chǎn)生滑移和車轍現(xiàn)象的主要原因。

2 破壞機(jī)理分析

2．1 行車特性分析

通過對山區(qū)公路的長大縱坡路段行車特性進(jìn)行的大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)：

(1)同樣的坡長時(shí)，就重型車輛在上坡時(shí)速度的平均減幅來看，坡度越大減速的幅度越大;下坡時(shí)，從平均增幅來看，在坡度為3% ～4%時(shí)加速幅度最明顯，而超過4%時(shí)加速幅度反而有所減小，可能是駕駛員的心理受到過大坡度的影響，適當(dāng)采取了制動(dòng)措施。

(2)重型車輛在縱坡上運(yùn)行時(shí)，有明顯的變速過程。隨著坡度的增大，上坡減速的幅度呈增大趨勢;而下坡時(shí)運(yùn)行速度則有明顯增加趨勢。

(3)同樣的坡度下，當(dāng)坡長達(dá)到一定值以后，在上坡時(shí)，從坡底至坡中，車輛的減速幅度往往要大于從坡中到坡頂;而當(dāng)下坡時(shí)，從坡頂?shù)狡轮械脑龇笥趶钠轮械狡碌椎脑龇＿@表明上坡或下坡時(shí)，重車一般能在較短的坡長達(dá)到相對穩(wěn)定的運(yùn)行車速，此后坡長對其運(yùn)行速度的影響將減小。

2．2 路面層間剪應(yīng)力分析

(1)分析方法及參數(shù)選取。

在計(jì)算層間剪應(yīng)力時(shí)，主要采用BISAR計(jì)算程序進(jìn)行應(yīng)力分析，該計(jì)算程序是專門為道路設(shè)計(jì)而編寫的程序，以多層彈性層狀體系為理論體系。BISAR計(jì)算程序功能較為完善。荷載方面不僅考慮了垂直荷載，也考慮了剎車制動(dòng)時(shí)的水平力，同時(shí)，它還可以計(jì)算機(jī)構(gòu)層中的任意一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變。

路面結(jié)構(gòu)根據(jù)公路瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際路面結(jié)構(gòu)，按表1所示的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過坡度和車輛載重的變化來考察縱坡坡度對最大層間剪應(yīng)力的影響程度。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

路面設(shè)計(jì)仍然采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，即雙輪組單軸載為100kN的標(biāo)準(zhǔn)軸載。同時(shí)，超載現(xiàn)象在我國比較普遍也相當(dāng)嚴(yán)重，有關(guān)調(diào)查顯示，我國的大型汽車、客車普遍超載50%以上，有些拉煤車更加嚴(yán)重，超載率達(dá)到1倍以上。考慮不同的層間結(jié)合狀態(tài)下的超載對于路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變影響，超載重量取為180kN，即超載80%。此外，研究的一方面內(nèi)容是考慮縱坡條件下荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響分析，故此處同時(shí)也要考慮在一定坡度條件下，即產(chǎn)生部分水平力條件下層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)受力的分析，坡度取為5%。(2)計(jì)算結(jié)果及分析。

表2 平坡狀態(tài)下最大層間剪應(yīng)力

表3 坡度為5%狀態(tài)下最大層間剪應(yīng)力

由表2和表3可以得出以下規(guī)律。

①縱坡條件下路基路面各層所受剪應(yīng)力比水平條件下要略小但很不明顯。

②超載使得任何狀態(tài)下的瀝青層內(nèi)任意處的剪應(yīng)力都大幅度增加，隨著界面條件由連續(xù)狀態(tài)變?yōu)榘脒B續(xù)狀態(tài)進(jìn)而為完全光滑狀態(tài)的惡化，剪應(yīng)力的值也隨之加大，更容易引起路面的破壞。

③層間接觸狀態(tài)由連續(xù)狀態(tài)變?yōu)榘脒B續(xù)狀態(tài)進(jìn)而變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)時(shí)，剪應(yīng)力的變化趨勢為路面結(jié)構(gòu)層的上層和底層的剪應(yīng)力有所增加，在上面層內(nèi)的剪應(yīng)力的增加，會(huì)使得路面在荷載的重復(fù)作用下的抗剪能力減弱，使得瀝青層產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。而在基層范圍內(nèi)，基層的剪應(yīng)力也有所增加，長期荷載作用下基層也會(huì)引起抗剪不足，進(jìn)而產(chǎn)生破壞。

3 防治措施

公路由于受到氣候、溫度、車流量及車載軸重等多因素的影響，很容易出現(xiàn)各種路面破壞問題，尤其是縱坡段公路其特殊的受力情況更容易產(chǎn)生路面破壞，如車轍、滑移現(xiàn)象等。通過實(shí)際病害調(diào)查，計(jì)算了層間接觸的不同狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，得到了瀝青混凝土路面抗層間滑移和車轍的幾點(diǎn)措施。

(1)進(jìn)行詳細(xì)交通量調(diào)查，確定日交通量，特別是軸載組成，充分估計(jì)交通量的增長率。車輛超載現(xiàn)象一定要引起相關(guān)部門的重視，采取措施盡量減少和避免超載現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)層間接觸狀態(tài)的改變對層間剪應(yīng)力影響顯著，要采取措施保證層間接觸狀態(tài)的連續(xù)性和完好性，盡量避免水分過多進(jìn)入到路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部且難以釋放出去，這樣會(huì)造成接觸狀態(tài)的改變，影響路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(3)基層類型的不同對車轍的影響是不同的。通常基層模量越高，對瀝青層間的剪應(yīng)力影響越不利。在半剛性基層的瀝青層剪應(yīng)力更大，產(chǎn)生剪切變形的可能性也就更大。所以，要合理選擇基層材料。

(4)應(yīng)考慮公路路段，尤其是長大縱坡路段沿線氣候特點(diǎn)，以其極端氣溫對應(yīng)的路面溫度為基礎(chǔ)，在瀝青混合料組成設(shè)計(jì)時(shí)，盡量提高其軟化點(diǎn)等與溫度相關(guān)的性能指標(biāo)。

4 結(jié)語

根據(jù)所調(diào)查路段的實(shí)際情況，定性地分析了公路路段尤其是長大縱坡路段瀝青混凝土產(chǎn)生層間滑移和車轍現(xiàn)象的原因;從長大縱坡段車輛行駛特性和不同縱坡條件下層間剪應(yīng)力變化兩個(gè)方面，分析長大縱坡段層間滑移的破壞機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上，提出一些有益于工程設(shè)計(jì)施工的建議。

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