超載對新建水泥混凝土路面早期破壞的影響分析

胡 凱，劉金鑫，周 珂

(1.中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.防災減災湖北省重點實驗室（三峽大學），湖北 宜昌 443002；3.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

我國高速公路水泥混凝土路面的設計使用年限一般為30年，普通混凝土路面的使用年限為20年，但統計表明，由于車輛超載，多數公路在使用3～5年后即需大修[1]。這是因為在我國公路建設快速發展的同時，車輛超載運輸的情況也日益嚴重，致使新建水泥混凝土路面遭受嚴重損壞，減少了公路原本的使用壽命，不僅危及公路安全，還給國家造成了巨大的經濟損失。

福建龍巖某公路便是一條典型的因車輛嚴重超載而使混凝土路面被損壞的道路。該公路設計等級為二級，設計速度為40km/h，路線全長20.16km；路面設計采用普通水泥混凝土路面結構，層厚為24cm；以雙輪組單軸軸載100kN為標準軸載（BZZ-100）；交通量按中等交通等級（Ne=1.188×106次）進行計算，設計基準期為20年；水泥混凝土路面材料設計彎拉強度fr=5.0MPa，彎拉彈性模量為 3.1×104MPa。

1 路面損壞狀況調查

1.1 代表路面損壞情況統計

結合該道路實際情況，選取代表性路段展開路面損壞情況調查，調查板數總計為200塊。調查路段損壞統計如圖1所示。由統計可知，該路段路面出現的主要損壞類型為裂縫和接縫料損壞，其次為斷板、斷角及接縫碎裂。裂縫及斷板類病害達到了調查總板數的67%，調查路段路面損毀情況較嚴重。

圖1 調查路段損壞類型柱狀圖

1.2 路面狀況調查與分析

（1）路面結構層參數調查與分析。混凝土路面結構層及力學參數抽樣檢測結果表明，調查路段內各面層厚度和強度均符合設計要求，并滿足項目驗收規范要求，施工質量能保證設計需要，可初步排除因施工質量問題造成的路面損壞。

（2）板底脫空狀況檢測及分析。對代表路段進行脫空檢測統計可以發現，在該路段內未出現明顯的板底脫空現象。

（3）接縫傳荷能力檢測及分析。檢查水泥混凝土路面接縫發現，現場混凝土面板接縫平穩可靠，接縫平齊，接縫處未見明顯的板邊縫隙損毀，接縫狀況良好。

（4）路面排水調查與分析。該項目全線整體排水設施良好，路面排水溝槽和排水管道數量能夠滿足雨季排水需要，故可排除地表水滲入路面結構造成的路面破壞。

1.3 路段載重貨車通行情況調查與分析

該公路全線交工通車時間為2018年7月1日。通車以來，路面交通以拉運石灰石、重鈣、煤矸石等大密度礦物為主，車輛多為四軸后八輪自卸重型貨車。調查區間路段設有超載檢查站，根據治超檢查站過磅數據資料，僅2018年8月至2019年7月間，載重超過50t以上的車輛就有12104輛，重型貨車嚴重超載最大車重達132t，超載車輛總數超1.5萬輛，對道路安全和正常使用造成很大威脅。

分析該路段超載車輛通行規律發現，超載車輛數量存在明顯增長趨勢。另外，經實地調查證實，超載車輛為逃避打擊，常利用中午和夜間時段結伴通行，而且部分車輛會利用加裝、改裝的方式以提高運輸量，這樣集中通行和改裝更加重了超載對路面的損害。

2 超載車輛統計與軸載作用

2.1 代表路段交通量和軸載稱量調查

對代表路段進行交通量調查分析，調查主要內容包括交通量數據、車流量數據、超載量統計等。按照相關車型分類標準，并結合監控資料分析交通量情況，可獲得代表路段單日交通量調查結果。結果顯示，該路段交通量相對不大，主要以重型貨車為主（五類車），中小型客車貨車較少（二、三類車），道路交通情況一般，但大型貨車超載情況特別嚴重，車輛載重遠超國家規定的貨運車輛載重標準及有關規定，使道路提前進入了超負荷運輸的狀態。車流量調查數據如表1所示。

表1 代表路段調查統計日平均交通量 單位：輛

軸重大小關系到路面結構的設計承載力與結構強度，文章通過查詢工業和信息化部汽車公告查詢系統的公開數據，統計通行該路段的各類車型的軸型和載荷分布情況，采用以軸型為基礎的軸載當量換算系數法，進行軸載作用次數的計算。

2.2 超載車輛軸載作用次數計算

按我國現行《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）中采用16次方對軸載進行換算，并以BZZ-100為設計標準軸[2]。其計算公式如下；

按檢查站提供的超載車輛詳細通行記錄和載重情況信息，對2018年8月至2019年7月間共15115輛、達70種車型的超載車輛，進行詳細軸載作用次數計算。得到調查期間內超載車輛累計標準軸載作用次數為1.39×1015次，已遠超設計軸載次數（Ne=1.188×106）。考慮實際路段情況，車道分配系數取值1.0，方向分配系數取值0.5，得到累計軸載作用次數為6.93×1014次。由此可見，超載對路面的破壞程度是十分大的。

2.3 累計軸載次數對比

在超載車輛的作用下，軸載作用次數異常大，其主要原因是該路段通行的二軸類超載貨車。該路段二軸貨車通行數量雖不多，但超載情況極其嚴重，遠超其他軸型車輛載重。其各軸軸重，尤其是后軸分擔軸重更大，采用規范中16次方計算時，其結果已遠超設計值，即使排除其他影響，該路段實際作用軸載次數依然偏大，無法滿足設計使用要求。

為此，考慮了在現有交通情況下車輛不超載（即按公路管理規定的車輛滿載不超載狀態）情況下的軸載作用次數，結果為1.27×106次，也超過設計累計軸載作用次數。這充分說明，該公路路面雖然未達到設計使用年限，但實際作用在其上的軸載作用次數已超過其設計使用壽命期所能承受的軸載作用次數；按現有交通狀況，即使大型貨車沒有超載，按照滿載狀態，該道路也無法滿足使用要求，道路破壞受重型貨運車輛影響非常大，路面損壞屬于正常的疲勞破壞。

2.4 超載車輛軸載次數換算討論

采用《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）推薦的標準軸載計算公式得到的結果偏大，分析水泥混凝土路面破壞的原因不具有代表性，因此還需借鑒有關文獻和方法對超載車輛的軸載次數進行換算。

嚴軍等[3]針對國內車輛嚴重超載情況導致混凝土路面提前破壞的現狀，提出了水泥混凝土路面在超載作用下的設計方法，直觀地分析了四軸類車輛的軸載效應。對一輛總重量為796kN的四軸類貨車，換算得到的標準軸載當量次數為2.38×105次，結果顯然偏大。對于文章研究路段，統計得到超過該載重的四軸車輛就有2952輛，因此，考慮超載車輛采用不同方法進行軸載當量換算的結果依然偏大。針對道路現有交通狀況，進行軸載次數換算，該道路依然無法滿足其設計基準期規定的累計標準軸載次數要求，超載車輛對路面的實際破壞作用更嚴重。

3 超載對路面作用效應的計算與分析

從道路情況調查與超載車輛軸載作用結果可以看出，道路破壞受車輛超載和交通狀況影響較大，與施工工藝和質量無太大聯系。為此，需進一步考慮超載對水泥混凝土路面的作用效應并進行分析。

3.1 計算與分析思路

根據該公路路面的結構參數，采用彈性地基雙層板模型[4]進行計算分析，按《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）求出板在重復荷載（100kN）作用下的荷載疲勞應力σpr、溫度疲勞應力σtr，以及板在不同軸型車輛單次最重荷載（一次性作用，＞100kN）作用下的最大荷載應力σp,max，與最大溫度應力σt,max。最后，將這些計算結果代入公式（2）與（3）中進行路面破壞的設計狀態驗證。

公式（2）與（3）分別代表兩種極限破壞狀態，即板在重復荷載作用下產生疲勞斷裂與板在單次最重荷載作用下產生突然斷裂。若兩種狀態的計算值均大于路面材料設計彎拉強度fr（5MPa），則證明該路段在超載車輛作用下，路面設計厚度無法滿足使用要求。

3.2 計算結果分析

（1）疲勞破壞驗算結果。可靠系數γr取1.06，計算得到σpr為 10.90MPa，σtr為 0.518MPa，代入公式得到結果為12.105MPa，已超過水泥混凝土彎拉強度標準值5MPa。

（2）單次最重荷載破壞驗算結果。在該路段中，超載車輛軸型較多，不同車輛的單次最重軸載懸殊較大，需進行不同軸型的單次最重荷載破壞驗算。計算結果如表2所示。

表2 板在不同軸型車輛作用下的計算結果

由表2可得，在二軸、三軸及四軸型超載車輛作用下，板在單次最重軸載作用下的破壞荷載都超過了水泥混凝土彎拉強度標準值（5MPa）。

由兩種驗算結果可知，該路段在超載車輛作用下，路面的面層厚度24cm顯然無法滿足超重道路交通情況下的使用，進一步證明超載車輛對新建水泥混凝土路面的破壞效應是十分顯著的。

4 結論

研究表明，大型貨車超載運輸是導致該道路路面結構破壞的直接原因。該路段原本設計交通等級過低，且車輛嚴重超載，必然導致初期路面設計無法滿足正常使用要求而被提前破壞。因此，針對該道路使用狀況，后期需提高道路設計等級，以滿足重載交通狀況使用條件，并加強對新建水泥混凝土路面的管理和控制，緩解前期超載對混凝土道路路面的壓力，延長道路使用年限。