超载作用下沥青路面使用性能的衰变

王恩营，薛忠军，乐兴堃

（北京市道路工程质量监督站，北京 100076）

0 引言

进行沥青路面设计时，车道上各种车辆荷载的换算累计当量轴次是关键的设计计算指标，当有重载或超载时，其换算得到的当量轴载是标准轴载的几何级倍数[1]。所以，超载对沥青路面的破坏作用非常突出，由此造成路面早期损坏，路面使用性能衰减加快，影响了公路的服务能力，缩短了路面的使用寿命。

1 超载作用下沥青路面的损坏机理

沥青路面的设计使用寿命是指沥青路面的疲劳寿命，与车道一定年限内的累计当量轴次相关。理想状态下，在车辆荷载作用下的沥青路面，接近使用寿命时才会出现各种严重病害，导致路面失去应有的使用性能。

超载车辆对路面的破坏作用主要体现在3个方面：路面弯沉值超限、应力大幅增加、累计当量轴次骤增，这些都会导致路面损坏的发生和发展[2]。

（1）当超载车辆的轴载较大时，路面弯沉值随轴载的增加呈线性递增，荷载产生的弯沉值大于设计弯沉值时，会对沥青路面造成损伤。过大的路表变形必然造成过大的弯拉应力，使路面由内向外逐步发展疲劳开裂，出现路面裂缝、沉陷及坑槽等病害，导致沥青路面过早被破坏。

（2）超重车辆荷载会引起路面结构内应力的大幅增加，使路面结构产生较大的弯拉变形、压密变形及剪切变形，各种变形的综合作用会加快路面的损坏过程，加剧破损程度，加快沥青路面破坏。

（3）超载车辆会增加沥青路面的疲劳破坏，导致路面使用寿命明显缩短，沥青路面提前破坏。

长期超载作用下的沥青路面，其路面使用性能的衰减会以各种路面病害的形式表现出来，《公路技术状况评定标准》（JTG H20—2007）用路面损坏状况指数PCI表示路面病害的严重程度，PCI可以反映出超限荷载对路面的损坏程度。一般超载运输越严重，路面破损程度越严重，路面损坏状况指数越低[3]。

2 超载对沥青路面使用性能的影响

路面损坏状况的发生发展受自然条件、施工质量、养护条件、车辆荷载、路用材料等多种因素的影响。为了研究超载对沥青路面损坏的影响程度，可选取荷载条件不同、其他影响因素相近的路段进行观测。本文以北京市某区的7条干线公路为研究对象，通过路面损坏状况指数PCI的变化情况，说明超载对路面损坏状况的影响。

所选7条干线公路均为二级路，采用半刚性基层，处在同一区域，自然和养护管理条件基本相同，其中的一条为超载运输多发路线、其余6条无明显超载运输现象。利用自动化检测设备对这7条公路的行车道进行检测，近3年的检测及评价结果如表1所示。

表1 北京市某区干线公路路面损坏状况指数PCI汇总及变化情况表

表1 （续）

路况检测结果表明，7条干线公路中除S04外，其余6条路况均较好，路面损坏状况指数为优等以上的有5条，S07也接近优等，且近三年来路况水平一直处于稳定状态，路面病害主要为普通路面裂缝及修补，养护管理部门通过采取灌缝等养护措施就能较好地保持路面状况。

相对于其他6条公路，在养护、自然等条件接近的情况下，S04路况水平明显较低，特别是在2013年，路面损坏状况指数大幅下降，路面出现大量的龟裂和松散，部分路段甚至出现坑槽，这是由于S04为超载运输多发路线，超载车的数量大、超载率高，对路面造成严重损坏。

图1、图2为7条公路上、下行方向2012~2013年度PCI变化量。从图中可见，与其他路线相比，S04损坏状况指数PCI的衰减量在上行和下行方向中，都是7条路线中最大的，下行方向甚至达到了-14.18，远高于其他公路。说明在同等养护条件下，S04的路况衰减较其他路线明显快很多，且下行方向明显快于上行方向。

图1 7条公路上行方向2012—2013年度路面损坏状况指数PCI变化量

图2 7条公路下行方向2012—2013年度路面损坏状况指数PCI变化量

从2012年与2013年S04下行方向路面损坏状况对比图（图3）可以看出，S04全线30km中，有23km发生了不同程度的衰减。其中，K11+000～K23+000路面损坏严重，主要为次差等级路段，损坏状况指数PCI最低已达47，按照《公路养护技术规范》（JTG H10—2009），如果路面强度也已不满足要求，则该路段必须采取大修措施[4]，而该路段距上次大修仅过了3年多。由此可见，由于超载运输严重，S04的路面大修年限大幅提前，使用寿命明显缩短。

图3 2012、2013年S04下行方向路面损坏状况指数PCI对比图

3 超载对沥青路面使用寿命的影响分析

分析S04的路面损坏状况衰减情况，显示严重的超载运输会导致沥青路面病害不断加剧，最终导致大修工程的提前，路面使用寿命的缩短。下面选取与S04情况接近的二级公路为例，通过计算超载条件下沥青路面疲劳寿命，研究超载对沥青路面使用寿命的影响。

3.1 计算方法

依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）进行路面设计时，按照每车道、每日平均大型客车及中型以上的各种货车交通量，作为设计交通等级。计算交通等级时，应将各种不同类型轴载的作用次数换算为一种标准轴载（双轮组单轴载100kN）的作用次数，换算公式为[1，5]：

从式（1）可以看出，当车辆轴载增加时，标准轴载作用次数不是按比例增加的，而是按4.35次方增加。因此，当汽车超载时，累计标准轴次显著增加，对路面结构的损坏更为严重。

选取五种车型为计算标准车型，计算车型轴重参数及二级公路相关指标参数如表2所示，超载时的交通量中考虑20%的空载率（满载及超载为80%），先由式（1）计算各种车型空载、满载、超载10%、超载20%、超载50%、超载80%、超载100%时的换算系数；再分别计算不同车型的标准轴次和累计标准轴次，有载车中考虑50%的超载车数量，即满载车占50%[6-7]。

表2 计算车型轴重参数及二级公路相关指标参数表

3.2 换算系数

表3 各计算车型对应的换算系数表

3.3 累计当量轴次

累计当量轴次计算结果如表4所示。累计当量轴次计算公式为[1]：

表4 累计当量轴次计算结果

3.4 超载对沥青路面使用寿命的影响

当满载时，在设计寿命的12年中，二级路的累计当量轴次为5 455 000，而不同超载率对应的累计当量轴载均大于满载时，说明当有超载车辆时，路面的实际使用寿命会随着超载的严重程度而缩短。假定路面结构按满载时的累计当量轴次进行设计，反算不同超载率时路面结构的实际使用寿命[6]，计算结果见表5。

表5 不同超载率对应的计算实际使用年限

通过表5和图4可以看出，对于超载率为50%的二级公路，当超载量在10%内时，对路面的使用寿命影响不大；超载量大于10%时，实际使用寿命减少幅度明显加大；当超载量为50%时，路面的实际使用寿命为4.4年；当超载量达到100%时，实际使用寿仅为1.4年。

图4 不同超载率对应的路面实际使用年限变化图

4 结论

（1）超载加剧了沥青路面使用性能的衰减速度。在相同养护条件下，对比普通荷载和超限荷载作用下沥青路面的损坏状况，显示超载对沥青路面的使用性能影响较明显，表现为超载多发路线路面损坏状况指数衰减速度较非超载路线快，超载多发路线超载车集中的行车方向路面损坏状况衰减快。计算表明，S04的路况衰减情况接近理论计算中超载率为50%，超载量为50%时，路面的实际使用寿命仅为3.66年，与实际已过大修时间相近。

（2）通过计算可知，超载运输会导致沥青路面性能迅速衰减，疲劳寿命大大缩短，当超载量达到100%时，路面的实际使用寿命仅有1.4年。

[1]JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].

[2] 张卫兵.超载作用下沥青路面设计方法及合理结构研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[3]JTG H10—2009，公路技术状况评定标准[S].

[4]JTG H10—2009，公路养护技术规范[S].

[5] 邓学钧.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，1999.

[6] 张敏江，石岩，王新波.车辆超载对沥青路面结构的影响分析[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2008，24（1）：16-19.

[7] 张兵.车辆超载对沥青路面使用性能的影响分析研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.