祁临高速公路路面大修时机理论探究

赵 功

（山西省祁临高速公路有限责任公司，山西 晋中 030900）

近年来，我国公路建设突飞猛进，高速公路里程大幅增长，截止2013年年底超过10万km，覆盖全国的高速公路网已基本形成。随着公路网的逐步完善，越来越多的高速公路开始进入养护维修阶段，养护任务日趋繁重，养护资金需求在逐年增加，同时由于交通量迅速增长以及重载、超载现象严重，导致许多公路早期破坏严重，未到维修周期就不得不进行大中修，根据经验，绝大多数公路一般在通车后7、8年进行大中修养护。而大中修养护主要针对路面面层进行处治。路面面层直接承受行车荷载和环境的作用，对其最基本的要求是耐久、平整和抗滑。耐久是指路面具有足够长的使用寿命，要求整个路面结构具有足够的强度和抗变形能力。随着高速、大流量和渠化交通的联合作用，削弱了沥青路面的自愈效用，在车辆荷载疲劳作用下沥青路面出现早期损坏。本文主要针对荷载疲劳作用对沥青路面的影响进行研究，确定基于荷载疲劳作用的路面大修时机及方案。

1 沥青路面疲劳损坏的影响因素

1.1 水的影响

1.1.1 积水条件下沥青路面疲劳破坏特点

沥青路面的积水主要来自于外界降雨，当降雨量较大时，路面表面的积水来不及排出即渗入路面结构内，在车辆荷载作用下，混合料内部产生高孔隙水压力，容易造成沥青路面破坏。在水和疲劳荷载共同作用下，沥青路面的疲劳破坏具有如下特点：

a）在无水状态下沥青路面疲劳破坏表现为劈裂形式，而在有水状态下疲劳破坏则表现为剪切和劈裂联合作用的形式。

b）水对沥青路面的疲劳寿命有显著影响，在有水状态下，由于沥青混合料内部存在较大的孔隙水压力，沥青混合料容易松散剥落，因此沥青路的疲劳寿命较无水状态明显降低。

1.1.2 祁临高速的水文条件

祁临高速途经地区地下水补给途径主要靠大气降水及山区侧向补给，地下水径流条件较差，排泄主要靠垂直蒸发。除个别路段外，绝大部分地区潜水埋深较深，不会对路基以及构造物造成不利影响。因此，祁临高速公路接触到的水主要来自大气降水，对沿线地区年平均降雨量进行调查结果如表1。

表1 沿线地区年平均降水量 mm

由表1数据可知，祁临高速全线年平均降雨量在500 mm左右，在我国属于中等水平。由于路面设置了较为完善的排水设施，降落在路表的雨水会迅速排出到路面范围以外，只有少部分雨水渗入到路面结构中。加之祁临高速沿线水文地质条件良好，因此水对路面疲劳寿面的影响很小。

1.2 温度的影响

沥青路面对温度十分敏感，沥青混合料的强度、劲度以及温缩性能等都随着温度的变化而变化。温度影响沥青路面材料的同时，对路面结构的影响也较大。进入路面结构的不稳定热流，使路面结构层随着温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩。由于层状路面结构层之间的相互约束，这种变形不能自由发生，产生温度应力。当温度应力超过路面结构层材料的极限抗拉强度时，沥青路面产生开裂。

对祁临高速途经地区的极端低温和极端高温进行调查，如表2所示。

表2 祁临高速途经地区极端气温 ℃

由表2数据可知，祁临高速途经地区最低气温均在-20℃左右，最冷的地区达到了-28℃。在这种温度条件下，沥青路面路表最大温度应力能达到0.8 MPa左右，路面底层最大温度应力能达到0.2 MPa左右。加之车辆荷载的疲劳作用，路面结构很快发生破坏，疲劳寿命显著降低；祁临高速途经地区最高气温在40℃左右，路面结构层内的温度能达到60℃以上，研究发现，当路表温度从35℃升高到65℃时，表面层沥青混合料的劲度模量从700 MPa下降为不足100 MPa，中面层温度从28℃升高到55℃，中面层劲度模量从900 MPa下降到不足200 MPa，都是呈5～7倍下降。在车辆荷载作用下路面极易产生车辙，并且随荷载作用次数的增加，其车辙深度不断变大。由此可见，温度条件对祁临高速路面疲劳寿命影响显著，需重点考虑。

2 路面使用年限与弯沉衰减关系研究

路面弯沉能反应路面各结构层和土基的整体强度和刚度。路面竣工后，在车辆荷载反复作用下，路面各结构层和土基的回弹模量逐渐衰减，路面的弯沉也呈现衰减的变化趋势。其中路表弯沉的衰减表现为3个过程：

a）沥青路面竣工后1～2年内，由于车辆荷载的重复碾压，逐渐压实，加上半刚性基层材料随着龄期强度增长，从而导致路表弯沉逐渐减小，直到达到最小值。

b）路面竣工2～4年后，由于半刚性基层强度增长逐渐缓慢并达到相对稳定的状态，同时在车辆荷载重复作用以及水、温度等外界环境因素变化，路面结构整体刚度下降，使得路表弯沉急剧增大。

c）路面竣工4年后，在各种外界因素以及车辆疲劳荷载反复作用下，路面结构局部强度不足的问题充分暴露，路面结构内部积蓄的高密度能量通过结构缺陷的扩展而逐步转移，重新实现了整个系统的能量平衡，路面结构刚度达到一种较低的稳定水平，内部结构损伤的发展也得到抑制，路表弯沉也达到一种稳定状态。

通过灰色数学理论和祁临高速现有资料，建立弯沉预测模型如式（1）。

利用上式对祁临高速弯沉进行预测，预测结果如表3。

表3 祁临高速弯沉预测值 0.01 mm

3 半刚性材料疲劳寿命研究

断裂力学认为，当材料在远低于屈服强度的循环应力作用下，通常不会发生机械破坏。但是，如果在试件中存在裂纹、夹杂物或突然的几何形状变化，则局部应力可能超过屈服强度，从而会发生裂纹的萌生和扩展。外加循环应力每循环一次，裂纹都将小量扩展，这称之为疲劳裂纹扩展。

无机结合料稳定类粒料是不均匀的各向异性的材料，材料中存在细微的空隙，这是造成半刚性基层初始裂纹的裂源。根据断裂力学的理论可知，在车辆荷载的反复作用下，半刚性材料结构中的细微空隙会逐渐变大，直至发展成细微裂缝，长此以往，裂缝不断扩展，造成半刚性材料破坏，也就是达到了疲劳寿命。

通过对大量试验数据的回归，水泥稳定碎石的疲劳寿命方程如式（2）。

通过公式（2）计算得出，在标准轴载作用下水泥稳定碎石的疲劳寿命为3.12×107次。

当交通等级为重交通，增长率为5%时，通过交通量反算可知，祈临高速公路其基年轴载作用次数应在6 094～13 698次之间，由此可算得通行10年所承受的标准轴载作用次数在6.99×106～1.57×107之间，由公式（2）可知，疲劳寿命在23%～50%之间。

4 沥青路面疲劳程度计算

沥青路面在车辆荷载作用下，面层底部承受拉应力。随着荷载作用次数的增加，沥青路面在拉应力反复作用下，面层底部开始出现裂缝，随着荷载作用次数增多，疲劳损伤不断积累，并逐渐扩展至表层，沥青路面发生破坏。为了研究沥青路面在不同交通荷载作用下的疲劳程度，需建立交通荷载与沥青路面疲劳寿命之间的关系。

沥青混凝土疲劳寿命方程如式（3）：

式中：Nf为沥青混凝土疲劳寿命；K、n为回归系数，K=515.6，n=4.87；σf为沥青混合料极限弯拉强度；σmax为沥青混合料最大弯拉应力。

服役期道路沥青路面疲劳程度按式（4）计算：

式中：q为服役期道路路面疲劳程度；Ns为已承受的累计标准轴载作用次数；Nf为沥青路面疲劳寿命。

通过现有数据计算得到祁临高速公路路面最大弯拉应力为σmax为0.222 MPa，沥青混合料的极限抗拉强度为1.94 MPa。计算可知祁临高速的极限疲劳寿命为：

当交通等级为重交通，增长率为5%时，通过交通量反算可知其基年轴载作用次数应在6 094～13 698次之间，由此可算得通行10年所承受的标准轴载作用次数在6.99×106～1.57×107之间，由式（3）可知，疲劳寿命在34%～77%之间。

以上计算可作为祁临高速公路沥青路面大中修时机确定的部分理论依据，为决策提供一定参考价值。实践中还要结合实际检测数据，科学决策确定大中修时机。