行車沖切道路瀝青面層水毀形成機理及修復關鍵技術

楊義輝 唐曉松 張 寧

(重慶公共運輸職業學院，重慶 402247)

0 引言

瀝青路面是城鎮道路最主要的路面類型，由于直接承受行車荷載以及溫度、濕度變化，凍融，雨水沖刷，從而引起不同形式的損壞，而水毀是最主要的病害[1]之一。水毀易誘發路面網裂、擁包、坑槽，路基翻漿、沉陷等病害，嚴重影響道路通行能力和行車安全。因此，本文研究瀝青路面水毀的形成機理，并分析水毀路面修復的措施與辦法。

1 水毀影響因素

1.1 動荷載作用

當車輪通過路面時，對路面施加的作用為半正弦波荷載[2]，路面承受荷載的時間極短，作用具有瞬時性。此作用造成行車對路面面層的高頻反復沖切。半正弦波荷載公式如下：

式中：

p——均布荷載；

pmax——輪胎接地壓強；

T——荷載作用時間；

t——分析時刻；

R——標準軸載下當量圓半徑，一般取106mm；

V——車輛行駛速度。

1.2 孔隙水壓力

行車在積水工況下，輪胎與路面之間產生擠壓，存在于路面表面的水膜由相對靜止變為運動，從而產生動水壓力[3]，動水壓力包括路表面沖刷水壓力和孔隙水壓力。瀝青路面在豎直方向上的任意截面Sy，如圖1所示，則有：

圖1 瀝青路面在豎直方向的任意截面Sy

式中：

p——瀝青路面作用荷載；

p0——無水孔隙內氣體壓強；

uw——瀝青混合料的孔隙水壓力；

σ'——瀝青混合料固體承載的有效應力；

A(y)——Sy截面上，荷載作用下，截面總面積；

Aa(y)——Sy截面上，荷載作用下，無水孔隙所占的截面面積；

Aw(y)——Sy截面上，荷載作用下，孔隙水所占的截面面積；

As(y)——Sy截面上，荷載作用下，瀝青-集料骨架所占的截面面積。

在荷載范圍內對dy積分，得到沖切荷載作用下飽和瀝青路面的孔隙水壓力[4]為：

1.3 滑移裂紋

基于Mohr-Coulomb準則，車輛在剎車、轉彎或加速過程中所產生的沖切、碾壓作用下[5]，瀝青混合料所受最大主應力為σ1和最大剪應力為τmax，其方程[6]如下：

式中：σx、σy、τx、τy——分別為剎車時路表面單元體在x、y方向所受的正應力和剪應力。

車輛在剎車時，路面受到的水平力τy最大；當τymax＞τ時，瀝青面層將產生拉裂破壞，形成沖切荷載作用下的水平向滑移裂紋[7]。

2 數值分析

我國瀝青路面設計采用雙輪組單軸軸重100kN軸載[8]，交通荷載劃分為輕、中、重、特重、極重交通五個等級。然而，隨著經濟社會的高速發展，行車數量增多，設計時的交通荷載等級難以滿足人們日益增長的交通出行需求，超載已經成為一種普遍的現象。為研究重載作用對路面所產生的孔隙水壓力的影響，借鑒相關文獻實測輪胎平均接地壓力和混合料參數進行數值計算[9-10]，參數如表1所示。數值分析結果如圖2、圖3所示。

表1 重載作用及路面材料參數表

圖2 軸載100kN路面孔隙水壓力

圖3 軸載150kN路面孔隙水壓力

由圖2可知，在軸載相同的情況下，孔隙水壓力隨輪胎平均接地壓力的增大而增大；由圖3可知，隨著軸載從100kN增加至150kN，孔隙水壓力與輪胎平均接地壓力的線性關系圖斜率由1.4099增加至1.4619，表明孔隙水壓力隨軸載增大而增大。滑移裂紋形成后，由于路面沖刷水壓力以及存在于滑移裂紋中的孔隙水壓力的增大，將加劇動水壓力對滑移裂紋的作用，使得瀝青路面面層結合薄弱處所受彎拉應力不能完全有效地傳遞到基層，導致滑移裂紋在應力作用下不斷擴展。

行車過程中發生的剎車、轉彎或加速等高頻沖切作用下，動水壓力FD耦合汽車重力G，汽車對道路表面的滑動摩擦力F，基層材料的溫度應力等一系列作用，使得滑移裂紋上方的面層受到剪切，進而形成豎向裂紋。滑移裂紋與豎向裂紋使瀝青與集料之間發生位移，瀝青膜從集料表面剝離，瀝青混合料粘結力部分喪失，整體性被破壞。如此反復作用，從而形成水毀，路面開裂、形成擁包、坑槽積水，水毀形成機理如圖4所示。

圖4 面層水毀形成機理圖解

3 水毀修復關鍵技術

對于面層水毀問題，一方面可以科學實施裂紋修復技術，優化防排水系統，還可以加強層間結構設計和提高交通組織管理水平。

3.1 裂紋修復

針對瀝青路面養護維修，國內外普遍采用新材料、新工藝對裂紋進行封縫處理。當裂紋＜10mm時，可直接貼封縫帶，施工工藝流程為：交通導行設施布置→路面裂紋縫邊清理→裁取封縫帶→噴槍加熱封縫帶→封縫帶緊沿裂紋粘貼→泛油貼合→初凝冷卻→封縫帶表面布灑細砂→完全冷卻→開放交通。當裂紋為10～20mm時，用細砂填實后再貼封縫帶；當裂紋＞20mm時，可灌縫至表層后再貼封縫帶。

3.2 防排水系統優化

排出引起路面孔隙堵塞的雜物，如行車沖切作用下輪胎與路面之間磨耗所產生的橡膠、剝落的瀝青；雨水沖刷帶來的塵土、落葉；行車人丟棄的食物、用品等，通過高壓水噴射打碎異物，抽吸過濾等技術，可有效降低路面內部積水，從而降低孔隙水壓力。從混合料組成設計出發，可設置雙層排水路面，即頂層設置較薄的細粒多孔材料，底層設置較粗的骨架多孔材料，使混合料形成連通的排水孔隙，從而達到降低路面水毀的目的。

3.3 加強層間結構設計

瀝青面層結合薄弱處的剪切破壞是粘結力喪失的主要原因，減少行車沖切荷載作用下滑移裂紋的形成是修復路面水毀的根本。因此，需要加強瀝青路面結構層之間的粘結程度，提高摩擦力。依據粘附理論，可采用摻入抗剝離劑的方法來增加瀝青與集料之間的粘附性，改善摩擦系數；為緩解裂縫四周應力集中的問題，可采用熱熔橡膠瀝青碎石封層技術；采用高柔性抗疲勞瀝青混凝土材料，緩解開裂和破壞。

3.4 交通組織與管理

根據軸載與路面孔隙水壓力之間的關系，在修復水毀路面時，加強交通組織管理十分必要。如積水條件下的限重管理，避免重載車輛進入積水區域。積水路段的交通管控，誘導分流與疏散，交通管理部門采取車輛型號禁行、車輛號牌限行、交通量高峰時段臨時繞行等措施。合理布設交通安全設施，減少行車過程中急行剎車、小半徑轉彎對積水路面的沖切作用，降低路面水毀發生的風險。

4 結束語

本文分析了引起瀝青路面水毀的影響因素，研究行車沖切作用下，路面滑移裂紋形成的原因和瀝青面層水毀形成機理。結論如下：

（1）通過數值分析，得出不同軸載條件下孔隙水壓力發展趨勢，為研究水毀機理提供數據和理論支撐。

（2）動水壓力中的孔隙水壓力增大，導致面層結合薄弱處所形成的潛在滑移不斷發展，耦合一系列其他力共同作用，從而引起面層水毀。

（3）對于面層水毀問題，一方面可以科學實施裂紋修復技術，優化防排水系統，還可以加強層間結構設計和提高交通組織管理水平。