淺談重載交通對瀝青路面早期破壞的力學分析

朱神吉

摘 要：本文從力學分析入手，主要從負載方面針對性地討論重載車輛對路面的影響，以闡明當下重載交通路面簡單參照國標設計的不足之處。

關鍵詞：重載交通；瀝青路面；破壞；力學分析

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A

1.研究概況

我國現行標準公路瀝青路面設計是100kN為基準雙輪組軸載，各種大小的軸載車輛通過軸載換算公式進行換算。在道路上超過標準軸載以及單輪組重載的車輛越來越多，本文著重討論了重載交通的情況，選取幾組超限軸載數據進行計算。

2.瀝青路面輪載作用分析

2.1輪載作用計算圖式

根據文獻，若以標準軸載BZZ-100為基準，其計算的圖式如圖1所示。先假定軸載與輪壓和接地面積都呈正向關聯關系，圓心距確定為一定值31.95cm，在重載的情況下，此時計算采用這種更符合實際情況的重載圖式，如圖2所示。

2.2輪載對輪壓以及輪胎接地面積的影響

在此根據某份比利時接地面積與軸重的經驗報告，推導出以下關系式，以作為計算重載作用下路面結構應力的參數：

A為輪胎接地面積，單位為cm2 ；

P為每一個輪胎的荷載，單位為N；

±70為保證率達到95%時的離差范圍值，單位為cm2。

根據公式，再假定輪載P對接觸面的作用力是均勻的，圓半徑值為δ，以此可以計算得出接地壓力 P：P/ πδ2。

3.路面各結構層在重載情況下的力學計算分析

3.1路表彎沉

針對不同的軸載參數，應分別進行計算，得到的路表彎沉值不同，經計算該值與軸載關系如圖3所示。整個圖像幾乎呈一條直線，彎沉值￡與軸載 P存在著明顯的正向關聯性， 彎沉值增長時，軸載 P也會增長，在200kN的情況下， 此時彎沉值是標準軸載100kN時作用下的彎沉值的 2.008倍；而在240kN的情況下，此時彎沉值是標準軸載作用下的彎沉值的2.53倍。在重載作用下時，其彎沉值遠遠超過了標準設計彎道值的標準（標準設計彎沉值是指按標準軸載作用的情況下的計算所得的路表彎沉值），在宏觀上則表現為坑槽、網裂等早期損壞現象。

3.2 各層拉壓應力

遠大于標準軸載的車輛以及單輪組車輛對于路面破壞明顯。這些車輛會碾壓面層導致底部產生過大的拉應力，而對上部產生壓應力。下部拉應力超過標準設計值，造成面層凹陷開裂破壞。而原本在基層、墊層的拉、壓應力隨著深度的增加而減小，并未超過其限值。由于面層的破壞開裂，雨水的滲入，使得基礎、墊層拉、壓應力限值降低，無法承受車輛的荷載造成公路結構性的破壞。

針對不同軸載作用下計算出路面各結構層的壓應力值，再加上半剛性基層會有應力擴散，所以傳到底基層和土頂層的壓應力較小，隨著軸載的增大，其增大的幅度會越來越小，而面層的壓應力會大得多，壓密變形由此產生。在這種重載交通的情況下，瀝青面層產生壓密變形的現象也就不足為奇了。

3.3剪應力

選取距路表不同的縱向深度的點，作為剪應力的各個計算點，計算出各點在不同重載的作用下剪應力的值，該值與軸載的關系如圖4所示。根據圖4分析可知，在不同軸載的情況下，剪應力值與縱向深度在一定范圍內都呈正向關聯性，但當到達某一峰值后剪應力會開始逐漸減小，隨著軸載的增大，峰值位置的深度會加深。例如，當在 軸載100kN的情況下，此時剪應力的峰值會在深 7cm處達到，而當在軸載250kN的情況下，剪應力達到峰值的位置相應地增大到了9cm（在標準軸載時，縱向4cm～9cm范圍內平均的剪應力值為 0.21MPa，而在2.5倍標準軸載作用的情況下，平均剪應力值這時候就提高到了 0.26MPa）。此時上面層底部和中面層內所產生應力達到最大值。在重車載的作用情況下，只要瀝青混凝土的抗剪強度小于其所受的剪應力時，瀝青混凝土就容易產生剪切變形的情況，巨大的負載通過車輪，往下向兩側推移，輪跡帶下陷變形，兩側的瀝青混凝土發生推擠而向上鼓起，最終導致轍槽等病害的產生。

結語

對于重載車輛較多路段的瀝青路面的設計，簡單參照國標不可取，有必要進行針對性的設計，具體問題具體分析，通過合理的結構設計以滿足重載交通對瀝青公路的結構整體剛度、瀝青層或抗疲勞開裂以及抗變形等多個性能方面的要求，才能有效地應對重載車輛對瀝青公路的早期破壞情況。

參考文獻

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