淺析運煤公路瀝青路面的設計

潘立志

(中國煤炭科工集團武漢設計研究院，湖北武漢 430064)

煤炭一直是支持我國經濟發展的支柱性能源，近年來其產量增加很快，如新近崛起的內蒙古煤炭區。但由于鐵路運輸能力有限，大部分的煤炭仍需要通過普通公路，包括高速公路運輸。行走在京藏高速內蒙古段的車輛，很容易發現這里的路況較其它地方差。究其原因，就是因為這條公路負擔了很多運輸煤炭的大型貨運車輛的通行，從而給公路瀝青路面造成嚴重的損壞。

我國公路瀝青路面設計規范以單軸100 kN為標準軸載，即BZZ－100，單軸軸載小于或等于130 kN 或雙軸軸載小于或等于220 kN 的車輛軸載均可換算為標準軸載，以設計年限內的累計標準軸次進行路面結構設計。這里的重載交通是指單軸軸載大于130 kN 或雙軸軸載大于220 kN 的軸載。經調查，一些礦區的運煤公路，后軸從限定的100 kN 增加到180 kN 以上，輪胎充氣壓力從額定0.7 MPa 增加到0.9 MPa 以上，規范規定的軸載換算公式已不再適用。

通過對早期損壞現象的綜合研究，筆者發現運煤車輛對瀝青路面造成的損壞主要集中于疲勞開裂和車轍損壞，其主要原因是瀝青面層的抗剪能力不足所致。文章主要從這兩方面系統地總結了運煤車輛對瀝青路面的影響，并探討了在瀝青路面設計中應采取的措施。

1 瀝青路面受運煤車輛的影響

1.1 運煤交通參數分析

我國現行公路瀝青路面設計規范中給出的軸載換算公式如式(1)所示。在彎沉等效時，式中n=4.35，鹽酸半剛性基層層底拉應力時n=8.0。但這僅適用于單軸軸載小于或等于130 kN，雙軸軸載小于或等于220 kN 的交通條件。在重載情況下，隨著軸載的增加，瀝青路面表現出明顯的非線性，n 的取值將遠大于規范規定的數值。

式中:P為軸重;N為軸載左右次數;n為系數。

文獻［1］通過分析不同路面結構下軸載換算系數與軸載的關系發現，軸載換算系數主要與軸載有關，因而忽略了不同路面結構對軸載換算系數所造成的誤差。利用回歸分析得到了基于彎沉、彎拉以及車轍等效的軸載換算公式中n 的取值范圍。考慮超載，彎沉等效時n=5.0～5.8，線性分析結果n=5.0，非線性分析結果n=5.5;彎拉等效時，一般半剛性基層路面n≈8.0，考慮超載時n≈9.0;車轍等效時，n=4.0～4.5。此結果與國內外其它對軸載換算關系的研究成果基本一致。

由此可知，n 的取值遠大于規范規定的數值，這將使得在較短的時間內便達到路徑設計的累計標準軸次，對路面的使用壽命造成極大影響。文獻［2］對典型瀝青路面結構，計算了在超載情況下達到路面設計累計標準軸次的使用壽命，得到如下結論:超載100%時，高速公路的路面結構只能使用1.40年，一級公路的路面結構只能使用1.47年，二級公路的路面結構只能使用1.20年，三級公路的路面結構只能使用0.70年。因此，必須采取相應的措施，延長重載作用條件下瀝青路面的使用壽命。

1.2 重載作用對路面疲勞特性的影響

疲勞開裂是重載作用下，瀝青路面最常見的破壞形式之一。通過對我國重載瀝青面層疲勞裂縫調查分析發現，瀝青面層縱向裂縫并不是由面層底部開始的，而是從面層表面向下發展。由此說明，重載作用下瀝青面層疲勞破壞并不一定是由層底彎拉應力引起，而是由于表面荷載應力造成的，特別是剪應力。理論分析表明，雙輪靜態時，當量圓四周均會出現較大的剪切應力;車輛行進時，雙輪邊緣以外某一縱向區域內形成高剪切應力的疲勞作用，因而產生縱向裂縫。關于網狀裂縫，由于輪載作用時并不完全帶有方向性，很大程度上都是隨機的，高剪應力區為雙輪作用區域，并非作用線，因此網裂自然形成。

瀝青性能，礦料級配，瀝青混合料的性質以及道路的結構形式對疲勞耐久性都有一定的影響。

1.3 重載作用對車轍特性的影響

隨著礦區煤炭產量的日益增長和運輸向重型化發展，尤其是高等級公路渠化交通的運行，瀝青路面永久變形已成為突出的問題，車轍成為重載交通作用下瀝青路面主要的破壞形式之一。車轍的形成機理主要分為兩種:壓密變形和剪切變形。前者通常出現在交通初始階段，由于路面各結構層密實度的進一步增加所形成;后者主要是由于瀝青混合料上層過大的剪應力而產生塑性流動所引起的，后者是引起車轍損壞的主要原因。

重載作用下，瀝青路面設計驗算車轍深度對防止路面使用初期造成車轍損壞是十分必要的。當前，車轍深度的預估模型很多，在國際上最為有名的當推shell 方法，工程實踐中可根據實際情況選用。Shell 方法是利用彈性層狀體系理論計算路面內的應力分布，并根據路面材料永久變形同應力之間的關系，來求得瀝青層的永久變形，其預估結果相對準確。

1.4 路面結構的剪應力分析

面層是剪應力作用的主要集中區域，且剪應力隨著軸載的增加而增大。垂直荷載和水平荷載的綜合作用是路面結構受力的最不利狀態，分析時將單輪荷載看作是作用水平力和垂直力的一個圓形區域。胎壓為0.7 MPa，荷載圓半徑為10.75 cm，水平荷載系數，即水平荷載與垂直荷載的比值分別取0.1、0.3、0.5，取平行于水平荷載作用方向的直徑上荷載圓邊緣點下的直線上的點為計算位置，計算從路面表面到一定深度范圍內剪應力的變化情況如圖1 所示。

圖1 剪應力隨深度變化

由圖1可知，瀝青面層的最大剪應力產生在瀝青面層中部，但與路表輪載邊緣處相比差別不大。可取路表輪載邊緣處的剪應力作為控制坐標，計算在豎向即水平荷載綜合作用下的剪應力，使其小于瀝青混合料的容許剪應力。具體可參考城市道路設計規范。瀝青混合料的抗剪強度建議采用三軸試驗方法來確定，以模擬路面結構中瀝青混合料的設計受力狀態。

2 重載作用下瀝青路面設計探討

重載作用下瀝青路面設計，首先是合理的材料設計，其次是合理的結構設計。但當前，普遍存在將路面結構設計和材料設計割裂開來的現象，缺乏結構、材料一體化的設計思想。

2.1 材料設計

根據前面的分析，瀝青路面在重載作用下，在車輛輪載附近產生較大的剪應力，這是造成瀝青面層疲勞開裂和車轍損壞的主要原因。而瀝青混合料的設計和性能分析時，并未考慮混合料的抗剪強度。因此，有必要對瀝青混合料的設計方法進行分析，并提出相應的解決方法。

現行的瀝青混合料設計方法是馬歇爾法，是一種基于經驗的設計方法，根據穩定度、流值、密度及孔隙率等指標提出適當的配合比。但它不能恰當地評估瀝青混合料的抗剪強度，不能反映路面材料的實際受力狀態，所以不適應重載交通路面的要求。因此有關專家建議采用三軸試驗方法按抗剪強度進行瀝青混合料設計。

2.2 結構設計探討

我國的高等級公路大部分為半剛性基層瀝青路面結構，而這種結構在重載車輛的作用下，早期損壞現象十分嚴重。全厚式路面對重載車輛的適應性較強，尤其適合于目前運煤公路上超載較多的情況。全厚式路面在英、美等國家已經取得了成功，其使用壽命可達到50年之久。因此，針對我國重載車輛較嚴重的現狀，引入這種路面結構有其合理性和必要性。

全厚式路面的設計理念代表了國外高等級公路路面結構選擇和設計的新趨勢，具有一定的合理性。因為它的總厚度比常規基層的瀝青路面結構更薄，同時可以減少疲勞裂縫產生的可能性，并使路面可能發生的破壞限制在路面結構的上部。這樣，當路面表層的破壞程度達到一定臨界水平時，只需更換表面層，不需要改變路面標高。這是一種最經濟的路面維修方式。

全厚式路面結構設計的核心是按功能合理設置路面結構層，要求路面結構的面層具有抗車轍、不透水和抗磨耗的能力，中間層要具有良好的耐久性，基層要具有抗疲勞和耐久的能力。但國內尚未修筑過此類路面，作為重載交通條件下的路面結構類型，尚需做進一步的研究。

3 結束語

隨著煤炭需求的增加，各等級公路所負荷的煤炭運輸車輛也日益增多，作為最常見的一種路面結構形式，瀝青路面受重載作用的影響日益引起人們的重視。本文對重載交通條件下，瀝青路面的破壞機理進行了總結和分析，并對路面材料設計、結構設計提出了一些建議，望對同行們的探討和實際工作有所啟發和裨益。

［1］劉朝暉，秦仁杰，李宇峙.汽車超載對瀝青路面結構的影響分析［J］.長沙交通學院學報，1999(2)

［2］黃景成.重載路面軸載換算方法研究［M］.北京:人民交通出版社，2006

［3］王選倉，譚權.重載瀝青路面研究［J］.西安公路交通大學學報，1998(4)