超載對瀝青路面結構設計的研究

毛建影 溫 濤

(東營市公路勘察設計院 / 山東中咨公路咨詢設計有限公司, 山東 東營 257091)

超載對瀝青路面結構設計的研究

毛建影 溫 濤

(東營市公路勘察設計院 / 山東中咨公路咨詢設計有限公司, 山東 東營 257091)

本文針對超載對路面結構造成的損傷，依據現行設計規范，從超載與現行路面設計方法的相關點入手，通過分析超載交通路面的破壞現象，研究了超載對路面使用功能的影響及對路面材料設計和結構設計的影響。

結構設計的影響破壞現象 路面使用功能

1. 超載運輸現象的概述

改革開放以來，我國公路交通事業得到了蓬勃發展，到2014年底全國公路總里程達到466.4萬公里，其中高速公路達到11.2萬公里。公路建設帶動了沿線經濟的發展，同時也使交通運輸結構發生了巨大的變化。國民經濟的高速發展也帶來公路運輸中“重載、大流量和渠化交通”的特點。

近年來，廠家生產的設備向著大型化、重型化的方向發展，因公路運輸較為快捷、安全與方便，可以做到門到門的運輸，這些設備運輸多以公路運輸為主。汽車制造企業，為了適應這種發展的需要，片面發展大型或重型貨物運輸車輛，使公路上通行的大、重型車輛不斷增加。公路卻因建設時間長、投資大、分布廣、使用年限長和歷史等多種原因，難以與運輸車輛大型、重型化的發展同步發展。公路的現有技術狀況不能滿足大型或重型貨物運輸的需要。

在我國，超載現象十分普遍。據資料顯示，某省對其主要交通干線上的車輛調查結果表明，軸重100kN車輛超載率達76%，不但超載現象十分普遍，而且超載車的比例以及超載量呈逐漸惡化的趨勢。

2. 超載對瀝青路面使用功能的影響

2.1 超載對瀝青路面損傷形式

行車荷載在路面損壞的一個很重要的因素，我們研究超載車輛對道路性能的影響，需了解行車荷載對道路的主要損壞形式，從此可以針對這些病害對超限情況嚴重的路段的設計、管理、養護、維修、重建提出有針對性的決策。

瀝青混凝土路面在行車荷載和自然因素的共同反復作用下會逐漸出現損壞，使其使用性能逐步惡化。由于荷載、環境、材料組成、結構層組合、施工和養護等條件的不同，損壞的形態有多種。有各種裂縫，如橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀裂縫和網狀裂縫(龜裂)等；也有各種類型的變形，如沉陷、車轍、推移和擁起等；表層有時可能還有各種露骨、松散、剝落、坑槽和泛油等。

2.2 超載對瀝青路面使用壽命的影響

我國《公路瀝青路面設計規范》（JTJ014--97)中以路表彎沉作為設計控制指標，以整體性結構層層底拉應力作為設計驗算指標，并分別以彎沉等效原則和層底拉應力等效原則進行標準軸載的換算。

我國路面設計規范根據等效疲勞損壞原理，采用彈性理論分析荷載應力與軸載的關系，結合公路上實測不同軸載汽車的彎沉對比，疲勞試驗以及直槽測試驗證，提出了不同軸載車輛對路面的損壞程度不同。對瀝青路面結構：

當車輛軸載增加時，標準軸載作用次數不是按比例增加，而是按4.35次方增加。因此，當汽車超載時，其軸重對路面結構的損壞更為嚴重，其累計標準軸次顯著增加。為了分析超載對路面使用壽命的影響，選取了高速公路、一級公路、二級公路、三級公路4種典型瀝青路面結構，相應給出對應的一組路面結構使用初期的交通量(考慮20%的空載率)，先由式（2-1）計算各種車型空載、滿載、超載30%、超載60%、超載100%時的換算系數;再分別計算4種公路等級不同車型的準軸次和累計準軸次，累計準軸次按式（2-2）計算：

然后假定路面結構按滿載時的累計標準軸次進行設計，反算不同超載率時路面結構的使用壽命。

3. 超載與瀝青路面設計

3.1 超載對設計指標的影響

（1）設計彎沉

為控制路基路面結構的總變形，防止沉降、車轍等整體強度不足的損壞，采用彎沉設計指標—路基路面結構表面在雙圓均布荷載作用下輪隙中心處的實測路表彎沉值sl小于或等于設計彎沉值dl作為確定瀝青路面結構厚度的設計標準。即

（2）結構層彎拉應力

依據設計彎沉值進行路面厚度計算時，為防止瀝青混凝土或半剛性基層、底基層的疲勞開裂，應對面層及半剛性基層、底基層的拉應力進行驗算，以此最終確定路面的設計厚度。采用拉應力指標—瀝青混凝土面層或半剛性材料層底面計算點的拉應力。應小于或等于該層材料的容許拉應力，即：

其中：

σsp--瀝青混凝土或半剛性材料的劈裂強度(MPa)；Ks--抗拉強度結構系數。

對瀝青混凝土面層：

式中：aA--瀝青混合料級配的系數，細、中粒瀝青混凝土為1.0，粗粒式瀝青混凝土為1.1。

進行層底拉應力驗算時需要進行當量軸次的換算，換算后同樣可以得知超載對折算后標準軸數量影響很大，拉應力隨著車輛軸載的增大而加大。超載情況下，路面結構層底拉應力隨軸重增加幾乎呈直線增長。對于強度較弱的路面結構，當作用軸載很大時，重車作用一次就可能導致路面結構的破壞，路面整體強度迅速降低。

對瀝青路面，根據重載交通可能出現的最大軸載，以極限強度為標準，驗算半剛性材料基層、底基層層底的拉應力，半剛性材料基層、底基層層底的拉應力1σ應小于該結構層材料的抗拉強度(劈裂強度)，即：。當在超載車輛的最大軸載作用下，則拉應力超過該層材料的極限強度，引起整體性結構層開裂，使路面承載能力迅速降低，造成一次性破壞。

3.2 超載對路面結構厚度的影響

沉值為路面整體剛度的設計指標，計算路面結構厚度。設計彎沉值是根據設計年限內一個車道上預測通過的累計當量軸次、公路等級、面層和基層類型而確定的。因此，在設計路面厚度時，交通軸載起決定性作用。目前的規范中，采用雙輪組單軸軸載100kN為標準軸載。但是，在路面結構設計中，交通量的預測值往往與實際道路通車后的實測交通量有較大誤差。另外，超載運輸車輛的增加使通車第一年的實際當量作用次數N又大于預測的數值，實際軸載大幅度提高。如果要保證超載車輛不加速路面的疲勞破壞，則需要從設計上增加結構厚度，使超載車輛產生的層底彎拉應力與標準軸載產生的層底彎拉應力相等。

4. 結論

交通流量大幅度增長，重型載貨車和超載車輛數量急劇上升，軸載質量顯著增大，超載程度增加，超載現象十分普遍，對路面產生不同程度的早期破壞。本文研究了超載對路面使用功能的影響及對路面材料設計和結構設計的影響。

[1]孫立軍，張宏超，劉黎萍，胡小弟 瀝青路面初期損壞特點和機理分析(重交通瀝青路面設計方法之一)[J] 同濟大學學報2002年416～421頁。

[2]沙慶林 高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防[M] 人民交通出版社2001年。

[3]黃曉明 瀝青路面結構設計交通量確定方法研究[M] 人民交通出版社1997年。

TU7

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1007-6344（2015）11-0140-01