重载交通对沥青路面早期破坏的力学分析

戚伯言 田冬军

摘要：针对济青高速公路新罩路面的早期破坏，进行了超载车辆的轴重及其轮胎接地面积和压力的调查。本文基于重轴轴载的作用图式，分析了重载交通作用下该沥青路面各结构层的力学响应，指出了重载是造成济青高速公路出现早期破坏的主要原因。

关键词：沥青路面；重载；力学响应；早期破坏

1 引言

济青（济南—青岛）高速公路是贯穿山东的“工业走廊”，是连接山东东部沿海城市与内地的黄金通道。自建成以来，交通量迅猛增长，每昼夜车流量可达到10万次。但近年来行驶车辆的轴载特性发生了很大的变化：（1）超载现象突出，实际调查资料表明，有的路段超载车的比例超过了50%；（2）公路交通组成中重载车辆比例很高，此路某段的实测调查结果表明轴重10t以上的车辆占45.6%，后轴重超过10t的货车比例占了整个货车车流量的82%，去往山东东部沿海港口的大集装箱车占了货车比例的40%。上述调查数据表明，重载车的交通量在济青高速公路交通量中所占比例非常高，而且呈逐年增加的趋势[1]。

该公路于2005年全部完成罩面大修，但多处新修沥青路面在投入使用后不久，道路面层就出现了裂缝，这种裂缝的出现远小于路面设计的疲劳寿命（通常称之为早期裂缝），从一些现场钻芯取样试件可以看出，早期裂缝通常是从沥青混合料面层开始的。为了探寻路面早期开裂的成因并制定出控制早期开裂的设计准则，本文从力学角度对其分析，研究了面层、基层和底基层各自的应力状况以及面层各层的应力特点，并分析了其各层的应力状况对路面产生早期破坏的影响。

2 沥青路面轮载作用计算图式的分析

现行沥青路面设计规范[2，3]中所使用的计算荷载图式为双轮双圆、 圆中心距等于3倍接地半径 ，接地压力为0.7Mpa的标准荷载图式，如图1所示。其中 ，P为每一个轮胎的荷载， 代表轮压。

图1 标准图式

标准图式采用轴重提高，轮胎接地面积增加而假定轮压不变的分析方法来进行路面结构分析，这种方法显然与车辆通过使用高强轮胎和加大轮胎内压来保证其轴重的增加而不影响车辆正常行驶的实际情况是不相符的。以标准车型黄河JN150为例，当超载轴重达到200KN时按标准图式计算其接地参数，并与实际情况做比较，如表1所示。

表1 标准图式与实际情况接地因素比较表

方法 轮压p (Mpa) 半径（cm） 接地面积（cm2） 轮心距（cm）

黄河JN150 0.7 10.65 356.33 31.95

标准图式 0.7 15.08 714.38 45.24

实际 0.9 13.20 547.40 31.95

由上表可知，按現有标准图式计算结果与实际情况存在一定的误差，用其来进行路面结构设计不尽合理。由车辆构造原理可知，随着轴重的增加，接地半径和接地面积也随之增加，但轮胎间距即荷载圆中心距离是不可能随轴重的变化而改变的。为此，我们提出符合实际情况的重载作用图式，如图2所示，它反映了轮压和接地面积均随轴载的增加而增加，圆心距保持 不变的规律。

图2 重载图式

由于国内尚缺乏这方面的调查资料，在此借用比利时接地面积与轴重经验关系式，作为计算重载作用下路面结构应力的参数[4]。

对主要道路： （1）

式中： —轮胎接地面积，cm2；

—每一个轮胎的荷载，N；

—保证率达到95%的离差范围。

在此公式的基础上，再假定轮载 均匀分布在该接触面积的圆面积上，圆半径为 ，并求得接地压力 ，

（2）

计算结果如表2所示。

表2 轴重与轮压、轮胎接地面积的关系

轴重P（KN） 100 130 150 180 200 230 250

接地面积A（cm2） 356 412 452 512 552 612 652

半径 （cm）

10.650 11.452 11.995 12.766 13.255 13.957 14.406

轮压 （Mpa）

0.707 0.789 0.830 0.879 0.906 0.940 0.959

注：根据文献[1]，100KN的计算参数按我国规范的标准值取值。

3 计算参数的选取

我国现行公路沥青路面设计的标准轴载是100KN，规范提供的轴载换算公式对于轴载的大小均有一定的适用范围。在济青高速公路上行驶的轴载大于100KN的超限车辆数量较多，且轴载分布范围大，调查路段超限车辆的轴载分布情况如图3所示。考虑重载交通的作用，通过分析图3，计算时选取了出现频率较高的100KN、130KN、150KN、180KN、200KN、230KN、250KN等超限轴载。

图3 调查路段超限车辆单轴轴载分布

路面的各结构层的材料按照弹性材料考虑，取弹性模量和泊松比作为主要的参数[5]。济青高速公路试验段各层材料的具体特性及厚度参数如表3所示。

表3 路面各层材料特性及厚度表

结构层次

结构层厚（cm）

弹性模量E（Mpa） 泊松比

15

20

上面层（AC-13I沥青混凝土） 4 1800 1200 0.25

中面层（AC-20I沥青混凝土） 5 1400 1000 0.25

下面层（AC-20I沥青混凝土） 6 1400 1000 0.25

基层（水泥稳定碎石） 35 1500 0.30

底基层（石灰土） 20 700 0.35

土层 — 35

0.42

4 重载作用下路面各结构层的力学计算分析

根据文献[1]、[3]和[6]，采用SHELL解析法及Bisar程序进行计算和分析。

4.1 路表弯沉

针对不同的轴载参数进行计算，得到的路表弯沉值如表4所示。

表4 不同轴载作用下路表弯沉值

轴载（KN） 100 130 150 180 200 230 250

轮隙中心弯沉 (mm)

0.444 0.574 0.665 0.800 0.891 1.029 1.122

图4轮隙中心弯沉值与轴载的关系

图4表示轮隙中心弯沉值与轴载的关系，由图4可以看出弯沉值 与轴载 几乎成直线变化， 随轴载 的增长而增长，当超限100%时， 是标准轴载作用下的2.008倍；当超限150%时， 是标准轴载作用下的2.53 倍。由于重轴载作用下，其弯沉值远远大于设计弯沉值[7]（设计弯沉值是指按标准轴载作用下的计算所得的路表弯沉值），这容易造成路面出现坑槽、网裂等早期损坏现象。

4.2 层底弯拉应力

半刚性路面在行车荷载作用下产生弯沉，使路面的沥青层和半刚性材料层产生弯拉应力，此弯拉应力有时达到相当大的数值。在此应力反复作用下路面结构层易产生弯拉疲劳破坏。沥青路面设计中采用双轮对称轴线处的点作为计算点，在此分析各层双轮对称轴线处的

点在不同轴载作用下所承受的弯拉应力。

针对不同轴载作用，计算得到各层的弯拉应力值如表5所示。

表5 不同轴载作用下各层层底拉应力值

轴载（KN） 100 130 150 180 200 230 250

拉

应

力

值 上面层层底 -0.183 -0.239 -0.279 -0.340 -0.383 -0.450 -0.497

中面层层底 -0.080 -0.106 -0.125 -0.155 -0.176 -0.209 -0.232

下面层层底 -0.037 -0.050 -0.059 -0.074 -0.085 -0.102 -0.113

基层层底 0.101 0.129 0.149 0.177 0.197 0.225 0.244

底基层层底 0.082 0.105 0.121 0.145 0.161 0.184 0.199

图5各层层底拉应力值与轴载的关系

图5表示各层层底拉应力值与轴载的关系，由图5可以看出各层层底拉应力值随着重軸载的增大而增大，基本成直线增加，但随着轴载的增大直线的斜率越来越大。另外，路面的上面层层底、中面层层底以及下面层层底沿水平方向分布的拉应力值为负值，即为压应力，基层层底和底基层的拉应力值为正值，即为拉应力，这说明在荷载的反复作用下面层产生弯曲和压缩变形，而基层及基层以下则产生弯曲和拉伸变形。这样，在面层与基层接触面上会产生很强的剪切疲劳作用，容易造成路面的剪切破坏。

4.3 层顶压应力

针对不同轴载作用下计算路面各结构层的压应力值，如表6所示。

表6 不同轴载作用下各层层顶压应力值

轴载（KN） 100 130 150 180 200 230 250

单圆中心对应点压应力

（Mpa） 上面层层底 0.707 0.789 0.830 0.879 0.906 0.940 0.959

中面层层底 0.678 0.763 0.807 0.860 0.889 0.926 0.946

下面层层底 0.526 0.615 0.664 0.727 0.763 0.810 0.837

基层层底 0.346 0.419 0.464 0.525 0.561 0.611 0.642

底基层层底 0.030 0.039 0.044 0.053 0.059 0.067 0.073

土基顶层 0.008 0.010 0.012 0.013 0.015 0.017 0.019

图6 各层层顶压应力值与轴载的关系

图6表示各层层顶压应力与轴载的关系，由图6可以看出各层层顶压应力值随着重轴载的增大而增大。由于半刚性基层的应力扩散作用，压应力传到底基层和土顶层的较小，且随着轴载的增大其增大的幅度不是很大，而面层的压应力最大，所以容易产生压密变形。因此，在重载交通作用下，将加快沥青面层压密变形的产生。

4.4 剪应力

选取距路表纵向深度为2cm、4cm、7cm、9cm的点作为剪应力的计算点，在不同重重载的作用下各点剪应力计算值如表7所示。

表7 不同轴载作用下路面结构层剪应力值（Mpa）

纵向深度

（cm） 轴载（KN）

100 130 150 180 200 230 250

2 0.142 0.149 0.149 0.148 0.146 0.141 0.138

4 0.205 0.217 0.219 0.219 0.216 0.211 0.207

7 0.223 0.246 0.255 0.255 0.267 0.268 0.269

9 0.210 0.237 0.25 0.25 0.27 0.276 0.279

图7 路面各结构层剪应力值与轴载的关系

图7表示路面各结构层剪应力值与轴载的关系。分析可知：（1）在每级轴载作用下，剪应力值随着纵向深度的增加而增大，到达某一峰值后剪应力逐渐减小，峰值位置的深度随着轴载的增大而加深，在100KN轴载作用下剪应力在深7cm处达到峰值，而在250KN轴载下剪应力达到峰值的位置是9cm。（2）在100KN轴载作用下，纵向4～9cm范围内平均剪应力值为0.21Mpa,而在250KN作用下，此范围内的平均剪应力值为0.26Mpa。（3）上面层底部和中面层内产生的剪应力最大。

在重车载的作用下，只要沥青混凝土的抗剪强度小于所受的剪应力，沥青混凝土就容易产生剪切变形，由车轮下向两侧推移并将两侧的沥青混凝土推挤而向上鼓起，同时轮迹带产生下陷变形，最终导致辙槽等病害的产生。

5 结论

通过对路面结构的力学分析可以真实反映出在重载交通的作用下，路表弯沉及路面结构层应力（层底拉应力、层顶压应力、剪应力）均随着重载的增加而发生较大的变化。其弯沉值远远大于设计值；过大的层底拉应力和层顶压应力容易使路面产生较大的弯曲、压缩、拉伸变形；过大的剪应力作用下沥青混凝土会产生较大的剪切变形。这导致其结构层的内部性能发生破坏而出现裂缝、凹槽、车辙等宏观的破坏现象。通过分析可知，重载是造成济青高速公路新罩沥青路面出现早期破坏的主要原因。

参考文献：

[1] JTJ 014-97.公路沥青路面设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社,1997.

[2]邓学钧,陈荣生. 刚性路面设计[M]. 第二版.北京: 人民交通出版社,2005.

[3]刘颖.重载道路路面设计方法研究[D]. 西安：长安大学硕士学位论文，2000.

[4]李小虎,汪云峰. 重载交通作用下沥青路面力学响应分析[J].山西建筑，2005（5）：4-5.

[5] HUANGYH. Pavement analysis and design[M].2nded.NJPearson Prentice Hall, Upper Saddle River,2004.

[6]沙庆林.高速公路沥青路面旱期破坏现象及预防[M]. 北京：人民交通出版，2001.75- 98.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。