高速公路瀝青路面變形因素與預估

馮太坤，楊建波，倪志軍，湯見勇，余圣愛

（湖北交投建設集團有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

高速公路作為現代交通基礎設施的重要組成部分，承載著日益增長的交通負荷，因此對高速公路路面的安全性、耐久性和舒適性提出了更高的要求。然而，在不斷變化的氣象條件下，以及交通荷載、路面結構等因素的影響下，尤其是溫度快速變化時，高速公路瀝青路面易發生變形和損害，不僅會降低行車舒適性，還可能引發交通事故，對行車安全和路面壽命構成威脅。因此，深入研究高速公路瀝青路面變形因素及預估方法至關重要。

1 高速公路瀝青路面變形影響因素

1.1 氣象條件

氣象條件是高速公路瀝青路面變形的重要影響因素。

第一，溫度因素。瀝青路面是常見的高速公路路面類型，其特點是具有較高的溫度敏感性。溫度升高會導致瀝青路面材料軟化，從而增加路面變形風險。因此，了解瀝青路面材料的溫度敏感性是研究路面變形的重要起點。瀝青路面材料的溫度敏感性可以通過溫度對其物理性質的影響來表征。瀝青材料的黏度、模量和膨脹系數等參數都會隨著溫度的變化而變化，這些參數的變化會直接影響路面的變形特性，因此研究瀝青材料在不同溫度下的性質變化是理解路面變形機制的關鍵[1]。

例如，高溫天氣會使路面溫度升高，進而導致路面材料軟化和膨脹，軟化和膨脹的過程會導致路面發生熱裂紋和變形，尤其是在炎熱的夏季。相反，在夜間氣溫下降時，路面可能發生冷卻和收縮，也會引發不同類型的變形，如龜裂和坑洼。由此可知，氣溫變化不僅會影響路面的變形速率，還會影響其變形類型和程度。

第二，濕度因素。高濕度環境下，路面的溫度變化幅度相對較小，主要是由于水的熱容量較大，能夠吸收和釋放大量熱量，使路面在高溫條件下的變形較為緩慢。而在低濕度環境下，路面更容易在高溫下發生變形，主要是由于缺乏水分，增加路面的熱敏感性，材料更容易軟化。

第三，日照因素。陽光直射路面會使路面表面溫度升高，在夏季炎熱的天氣下，由于路面表面的溫度可能會顯著高于空氣溫度，因此會進一步增加路面的變形風險。因此，日照條件下的路面溫度變化可能比陰天或夜晚更為劇烈，從而引發更嚴重的路面變形問題。

1.2 交通荷載

交通荷載會對路面的豎向變形和車轍深度產生顯著影響。以0.2MPa 為步長，設定車輛荷載的應力在0.7～1.5MPa 之間，對交通荷載的具體影響進行試驗探究，得到相關數據（見圖1）。分析數據不難看出，隨著交通荷載的增加，路面承受的應力也相應增加，應力增加會導致路面的豎向變形加劇。豎向變形通常表現為路面下沉或凹陷，不僅會降低路面的平整度，還可能引發路面龜裂和坑洼，說明交通荷載增加對路面豎向變形有顯著影響[2]。

圖1 不同荷載應力下路面車轍深度和豎向變形變化

此外，交通荷載對車轍深度的影響也較為顯著。車轍是車輪作用在路面上留下的凹槽，其深度能夠反映路面的耐久性和平整度[3]。研究表明，增大荷載應力會顯著增加車轍深度，這是由于更大的荷載會對路面施加更大的壓力，導致路面材料的變形更為顯著。車轍深度的增加會影響車輛行駛舒適性、增加行車風險，特別是在高速公路上。

根據圖1 可知，車輛荷載應力從0.7MPa 增加到1.5MPa 后，路基下凹量和車轍深度分別增加118.8%和72.3%，表明車輛荷載應力對路面變形的影響非常顯著。因此，需要采取措施有效管控重載車輛，包括加強對重載車輛的超載檢測和處罰力度，以減少其對路面的損害。此外，定期的路面檢查和維護也是確保高速公路路面長期穩定性和安全性的關鍵舉措。合理的管理和維護，可以延長路面的使用壽命，減少維護成本，提高高速公路的可靠性和安全性。

1.3 路面結構

路面結構也會影響高速公路瀝青路面的變形情況，主要影響因素包括路面層厚度、材料類型和層間黏結性，這些因素相互關聯，共同決定路面的熱傳導和變形特性[4]。

第一，路面層厚度對路面的熱傳導和變形有直接影響。較厚的路面層具有更大的熱容量，能夠在一定程度上緩沖溫度變化。也就是說，在高溫天氣下，較厚的路面層可能需要更長的時間來升溫，從而減緩路面材料的軟化速度。在夜間溫度下降時，較厚的路面層也會保留更多熱量，延緩路面的冷卻過程。因此，確定路面層厚度時，需要綜合考慮當地的氣象條件，以平衡路面形變、提高其耐久性。

第二，材料類型對路面變形特性有重要影響。不同類型的路面材料具有不同的熱敏感性和變形特性。例如，某些聚合物改性瀝青材料具有較高的抗軟化性能，可以在高溫下保持較好的穩定性。選擇合適的路面材料可以降低溫度變化對路面的影響。此外，路面材料的強度和彈性模量也會影響路面的變形情況，因此在路面設計中需要充分考慮材料的性能特點。

第三，層間黏結性決定了不同路面層之間的結合程度，層間黏結性較弱可能導致不同層之間剝離或滑移，從而增加路面變形風險。因此，在路面施工過程中，必須確保路面層之間的黏結性良好，以維護路面的完整性和穩定性。

1.4 行車速度

行車速度對瀝青路面的豎向變形和車轍深度有重要影響，影響機制涉及路面材料的熱傳導、荷載分布及路面的振動響應。

第一，低速行駛時，隨著車速的增加，瀝青路面的豎向變形和車轍深度均有所減小，這是由于低速行駛時路面承受的動態荷載相對較小，路面材料有更多的時間恢復。此時，路面變形主要受到靜態荷載和溫度變化的影響，而較小的動態荷載對路面的影響相對較小。

第二，高速行駛時，隨著車輛速度增加，瀝青路面豎向變形和車轍深度減小的趨勢仍然存在，但減小幅度逐漸減小，這是由于高速行駛時，路面受到的動態荷載較大，車輪與路面的頻繁接觸使得路面材料無法完全恢復，從而導致一定程度的路面變形。然而，相對于低速行駛，高速行駛時路面的豎向變形和車轍深度相對較小，因為動態荷載會在一定程度上壓實路面。

研究表明，車輛行駛速度從40km/h 增加到120km/h 后，車轍深度和瀝青路面的凸起量、下凹量均有所減小（見圖2）。這表明，提高行車速度可以在一定程度上減小路面變形。然而，需要注意的是，速度提升對路面的影響并非線性，速度較低時變形減小明顯，但隨著速度的進一步提高，變形減小趨勢逐漸減緩。

圖2 不同行車速度下路面車轍深度和豎向變形變化

1.5 路面材料特性

路面材料的類型、質量和性能對路面的變形特性有重要影響。

第一，路面材料的類型對變形有顯著影響。瀝青混凝土是最常用的路面材料之一，其因優異的抗變形性能而備受青睞。瀝青混凝土具有較高的彈性模量，能夠在受到荷載作用時恢復原狀，減少豎向變形和車轍深度。與之相比，其他類型的路面材料，如水泥混凝土或瀝青膠結料，在抗變形方面可能較差，需要特別注意其應用條件和性能[5]。

第二，路面材料的質量和配合比也對路面變形起決定性作用，高質量的路面材料通常具有更均勻的密實度和較少的空隙，有助于提高路面的抗變形性能。此外，正確的材料配合比可以確保路面材料的力學性能符合設計要求，從而降低變形風險。路面材料的性能特性包括抗剪切性、軟化點、黏附性等，也直接影響路面的變形情況。例如，高抗剪切性的路面材料能夠更好地抵抗荷載引起的剪切應力，從而減少豎向變形。軟化點是一個關鍵指標，表示材料在高溫下開始軟化和流動的溫度，對高溫條件下的路面變形有重要影響。路面材料與基層之間的黏附性也決定了路面的穩定性，弱黏附性可能導致剝離和變形問題。

2 路面變形預估方法

2.1 數學模型

數學模型在路面變形預估中可起到關鍵作用，這些模型是基于路面材料性質、氣象條件和交通荷載等因素建立的，可模擬路面的變形情況。

第一，數學模型為理解路面變形機制提供了一種系統性的方法，通過數學模型，工程師可以將路面材料的性質、溫度變化、氣象條件以及交通荷載等因素融合在一個模型中，從而更全面地分析路面的變形過程。

第二，通過輸入不同參數和條件，模型能夠生成有關路面豎向變形、車轍深度、龜裂等方面的預測數據，這為工程師提供有價值的信息，有助于其在路面設計和規劃中作出準確的決策。

第三，數學模型還支持路面設計優化。工程師可以利用模型評估不同路面結構和材料的性能，以選擇最佳設計方案，確保路面在不同氣象和交通條件下都能展現出色的性能。

第四，數學模型對路面維護和修復策略的制訂也至關重要。通過模擬不同的維護方法和材料應用，工程師能夠預測不同策略的效果，以選擇最經濟有效的維護方案，延長路面的使用壽命。

2.2 監測技術

監測技術通過實時監測路面各種參數，可提供關于路面性能的準確反饋。

第一，監測技術能夠實時獲取路面的溫度、應力、應變等關鍵參數，這些參數能夠直接反映路面的狀態和受力情況，提供實時的路面性能信息。通過監測溫度，可以追蹤路面溫度的變化趨勢，幫助預測路面的軟化情況。同時，監測應力和應變可以幫助識別路面的結構問題，如裂縫和疲勞損傷。

第二，監測技術可以對路面進行長期、連續的監測，這種連續性監測有助于發現路面性能的變化趨勢。通過長期監測，可以及時檢測到潛在問題的跡象，便于及時采取措施加以修復，從而延長路面的壽命和性能。

第三，監測技術還有助于路面維護的精細化管理。通過實時數據，工程師可以根據路面的實際狀況制訂維護計劃，準確地確定維護時機和方式，有助于優化配置維護資源，降低維護成本，最大程度地保護路面。

2.3 經驗法則

經驗法則是基于長期的工程實踐、歷史數據和專業經驗總結而來的，雖然不像數學模型那樣精確，但在路面變形預估方面有很高的實用性和價值。

第一，經驗法通常使用一些簡單的參數和規則，如交通量、車輛類型、路面材料等來估計路面的變形情況，由于不需要復雜的數學計算或大量的數據輸入，因此在一些實際情況下非常實用。

第二，經驗法則可以作為快速決策工具，在一些情況下，需要迅速估算路面的性能，以采取相應的措施。這時，借助經驗可以快速進行初步評估，幫助工程師和維護人員作出決策，如確定維護時機或采取緊急修復措施。

需要注意的是，經驗法則也有其局限性，可能不夠準確或不適用于特殊情況，因此在高度復雜或特殊的工程項目中，需要結合其他方法，如數學模型或監測技術，以獲得更準確的路面變形預估。此外，需要不斷更新和修訂經驗法則，以反映工程實踐和技術進步，確保其準確性和適用性。

3 結語

在現代社會中，高速公路作為重要的交通干線，對經濟、社會和人民生活水平有重要影響，因此保證高速公路路面的安全性和耐久性至關重要。路面變形問題復雜、多樣，需要綜合考慮多種因素。未來應進一步拓展對新材料和新技術的應用，以更好地解決高速公路路面變形問題。此外，跨學科的合作也是解決這一問題的關鍵，工程、氣象、材料科學等各領域的專家需要共同努力，為高速公路的可持續發展作出貢獻。