基于结构组合特性的重载沥青路面结构适应性研究

李德彬+蒋婷婷 刘立斌

摘 要：研究干线公路在重载交通作用下沥青路面结构的力学响应，通过建立路面结构数值模型计算超载作用下沥青路面结构的受力特性，并对超载作用下路面结构的弯沉、拉应力、压应力以及剪应力的力学响应进行深入分析；在此基础上，详细研究了沥青路面结构层厚度对路面结构力学行为的影响，并提出适应于重载干线公路的合理结构层厚度。

关键词：沥青路面；重载；结构组合；力学行为

中图分类号：U416.217 文献标志码：B

0 引 言

随着中国公路建设的迅速发展，沥青路面由于具有施工工期短、表面平整、养护维修方便、噪声小、行车舒适等优点，在道路建设中得到了广泛的应用。但由于客货运量的增长，重载运输车辆迅速增加，按常规载重车辆设计的沥青路面已不能满足重载交通需求，出现大量的车辙、推挤、拥包、裂缝等早期病害，服务性能及使用寿命也相应缩短，给国民经济带来不可估量的损失[15]。沥青路面发生病害的原因主要包括两个方面：一是环境因素，包括交通荷载条件、气候温度、降雨量等；另一方面是路面结构本身因素，包括结构承载力、材料组成特性和结构组合方案等。在沥青路面结构相同的前提下，与普通沥青路面相比，重载沥青路面早期破坏大大提前。应从力学角度对重载沥青路面进行分析，了解面层、基层和底基层的应力状况，合理地对沥青路面进行结构组合设计[68]。

本文以干线公路实体工程为依托，对超载作用下沥青路面的路表弯沉以及各结构层层底拉应力、压应力、剪应力做出力学响应计算与分析，深入研究各结构层厚度对沥青路面结构力学行为的影响，并提出适应于重载道路的合理结构层厚度，以指导重载沥青路面的建设。

1 超载作用下沥青路面力学响应分析

以河北某典型干线公路为例，其总体交通量较大，日平均交通量约为30 000辆，其中重型货车（轴载300 kN）及铰接挂车（轴载400 kN）为7 000～8 000辆，占日平均交通量的26%，重型货车及铰链挂车轴重明显大于标准车后轴重（100 kN），存在严重超载现象。超载车辆对路面结构的影响较大，应重点分析这类重型超载车辆对路面结构产生的破坏作用。

1.1 超载作用下沥青路面数值模型建立

对沥青路面路表弯沉及各结构层层底拉应力、压应力等进行计算，并分析在超载作用下的沥

作用下路表弯沉较大的区域分布在距轮隙中心0～50 cm范围内，超载车辆轮胎对路面产生有效应力的作用范围更大，且路面变形曲线斜率较大，荷载反复作用时对路面结构造成的疲劳损伤加剧。

（3） 在不同荷载作用下，沥青路面弯沉呈线性增加，特别是轮胎与路面接触面的中心处的弯沉随轴载的增加变化幅度更大，从而引起路面由内向外逐步发展的疲劳开裂，在超载作用下这种疲劳损伤的程度更严重，加速了沥青路面破坏。

1.3 超载作用下路面结构层拉应力响应分析

为确定不同轴载作用下路面结构层底拉应力的分布情况，对标准轴载（轴载100 kN）、重型车辆轴载（轴载300 kN）和铰链挂车轴载（轴载400kN）作用下的路面结构层层底拉应力进行计算分析。

分析以上不同轴载作用下路面结构层底弯拉应力计算结果可以得出以下结论。

（1） 面层层底弯拉应力计算结果为负值，说明面层结构在车辆荷载作用下受压应力。计算模型中假设层间接触条件为完全连续，层间粘结状态直接影响面层结构受力状态，如果层间粘结性能良好，面层层底处于压应力受力状态，可避免弯拉应力引起的面层疲劳开裂。

（2） 随着轴载增大，基层与底基层层底弯拉应力显著增加。当轴载为300 kN时，基层最大弯拉应力为0.250 MPa，未发生破坏；当底基层最大拉应力达到0.329 MPa时，接近材料劈裂强度，此时底基层容易发生开裂破坏。当轴载为400 kN时，基层底面最大弯拉应力与底基层最大拉应力均大于材料劈裂强度，在该轴载作用下，基层与底基层均发生开裂破坏。因此，超载状态下车辆一次作用就可能使路面结构发生强度破坏。

1.4 超载作用下路面结构层压应力响应分析

为了确定不同轴载作用下路面结构层压应力的分布情况，对标准轴载（100 kN）、重型车辆轴载（300 kN）和铰链挂车轴载（400 kN）作用下的路面结构层压应力进行计算分析。

各层压应力及沥青层表面压应力均随轴载增加而增加，各结构层底压应力增长幅度不同，其中沥青面层增长幅度较大，轴载每增加100 kN，压应力增长约24.6%～60.5%；半刚性基层、底基层的压应力变化不大，说明超载对沥青结构层的损伤较大，易引起沥青结构层的拉裂，导致沥青面层由下到上产生裂缝，超载作用加快了沥青路面的破坏。

1.5 超载作用下路面结构层剪应力响应分析

（1） 在各级荷载作用下，沥青路面剪应力在横向呈对称分布，最大值均在轮边缘处产生，而在轮载作用区域内剪应力值相对较小。超载作用下路表以下4 cm处剪应力约为0.401～0.579 MPa，本次路面检测试验中测得层间抗剪强度为0.25～0.40 MPa，超载车辆作用下该路面最大剪应力已超过其抗剪强度。

（2） 随着深度的增加，路面剪应力横向分布曲线的轮边缘处峰值逐渐减小，轮载作用区域内剪应力逐渐增大，在距路表10 cm 后最大剪应力从轮边缘处移至轮载作用区内。

（3） 超载作用下剪切应力变化主要集中在距路表5 cm内，深度大于 5 cm后整个曲线趋于缓和，路面较大的剪应力主要出现在表层。在距轮隙中心0.5 m后，路面剪应力变化较小，而且都在 0.1 MPa 以下，小于沥青混合料的抗剪强度。因此，沥青路面剪切破坏区域主要集中于轮迹边缘0.5 m范围内。

2 结构层厚度对路面结构力学行为影响分析

2.1 面层厚度对路面结构力学行为影响分析endprint

为了分析面层厚度对路面结构受力状态的影响，确定河北某干线公路重载条件下路面结构的合理取值，针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载情况下不同面层厚度的路面结构进行受力分析，不同面层厚度时路面结构最大拉应力随面层厚度的变化曲线如图6所示。

2.2 基层厚度对路面结构力学行为影响分析

标准轴载作用下，路面结构层最大拉应力随基层厚度增加的变化幅度相对较小，在0.175～0.247 MPa之间；超载作用下，最大拉应力随基层厚度增加而减小，对于重载路面，基层厚度的增加可以显著减小基层弯拉应力；不同轴载作用下，结构层最大拉应力随基层厚度增加呈线性减小，基层厚度大于25 cm时该现象更加明显，因此，对于重载路面结构，基层厚度应适当取较大值。

2.3 底基层厚度对路面结构力学行为影响分析

为了分析底基层厚度对路面结构受力状态的影响，针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载条件下不同底基层厚度的路面结构进行受力分析，不同底基厚度时路面结构最大拉应力随基层厚度的变化曲线。

超载作用下，结构层最大拉应力随底基层厚度增加而减小，表明底基层厚度的增加可以减小基层弯拉应力；不同轴载作用下，结构层最大拉应力随底基层厚度增加而减小，底基层厚度大于25 cm时，结构层最大拉应力逐渐趋于稳定，继续增大底基层厚度对于减小路面结构拉应力的作用不明显，且底基层厚度增加使得最大拉应力出现位置向底基层移动，与基层材料相比，底基层材料劈裂强度相对较低，因此，较大的厚度容易导致底基层出现强度开裂。

3 结 语

（1） 以河北某干线公路为例，采用路面结构数值模型确定超载车辆作用下路表弯沉值约为设计弯沉值的3.25～4.79倍。

（2） 研究了超载作用下路表弯沉响应，得出基层底面最大弯拉应力与底基层最大拉应力均大于材料劈裂强度，因此，超载状态下车辆一次作用就可能使路面结构发生强度破坏。

（3） 当轴载增加时，路面结构各层压应力及沥青层表面压应力均增加，其中沥青面层增长幅度较大，轴载每增加100 kN，压应力增长约24.6%～605%。

（4） 超载作用下，路表以下4 cm处剪应力约为0.401～0.579 MPa，超过了基层材料的抗剪强度，沥青路面剪切破坏区域主要集中于轮迹边缘0.5 m范围内。

（5）针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载情况下不同结构层厚度的路面结构进行受力分析。根据分析结果提出以下建议：重载条件下路面面层厚度宜控制在20 cm左右；基层厚度应适当取较大值；底基层厚度宜小于25 cm。

参考文献：

[1] 钟 胜，李景任.沥青路面损坏的影响因素及防治措施[J].科技向导，2012（17）：288.

[2] 朱云升，郭忠印，王 景.高温重载条件下沥青混合料的蠕变试验研究[J].建筑材料学报，2008，11（5）：545549.

[3] 郑南翔，牛思胜，许新权.重载沥青路面车辙预估的温度轴载轴次模型[J].中国公路学报，2009，22（3）：713.

[4] 梁丽榕，邓坚平，黄 慧.广西路网公路沥青路面病害调查及分析[J].西部交通科技，2011（11）：1520.

[5] 罗宏伟，韦海涛，傅 琴.沥青路面基于裂缝率的路面损坏状况研究[J].公路交通科技，2013（9）：101103.

[6] 黄 勇，王选仓.重载沥青路面合理设计方法的分析研究[J].公路交通科技：应用技术版，2007（6）：4245.

[7] 韦金城，王 林，杨永顺，等.永久性沥青路面试验路力学响应分布的数值仿真[J].公路交通科技，2010，27（6）：1519.

[8] 黄小龙，周正峰.重载沥青混凝土路面结构分析[J].中外公路，2011，31（1）：5559.

[责任编辑：王玉玲]endprint

为了分析面层厚度对路面结构受力状态的影响，确定河北某干线公路重载条件下路面结构的合理取值，针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载情况下不同面层厚度的路面结构进行受力分析，不同面层厚度时路面结构最大拉应力随面层厚度的变化曲线如图6所示。

2.2 基层厚度对路面结构力学行为影响分析

标准轴载作用下，路面结构层最大拉应力随基层厚度增加的变化幅度相对较小，在0.175～0.247 MPa之间；超载作用下，最大拉应力随基层厚度增加而减小，对于重载路面，基层厚度的增加可以显著减小基层弯拉应力；不同轴载作用下，结构层最大拉应力随基层厚度增加呈线性减小，基层厚度大于25 cm时该现象更加明显，因此，对于重载路面结构，基层厚度应适当取较大值。

2.3 底基层厚度对路面结构力学行为影响分析

为了分析底基层厚度对路面结构受力状态的影响，针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载条件下不同底基层厚度的路面结构进行受力分析，不同底基厚度时路面结构最大拉应力随基层厚度的变化曲线。

超载作用下，结构层最大拉应力随底基层厚度增加而减小，表明底基层厚度的增加可以减小基层弯拉应力；不同轴载作用下，结构层最大拉应力随底基层厚度增加而减小，底基层厚度大于25 cm时，结构层最大拉应力逐渐趋于稳定，继续增大底基层厚度对于减小路面结构拉应力的作用不明显，且底基层厚度增加使得最大拉应力出现位置向底基层移动，与基层材料相比，底基层材料劈裂强度相对较低，因此，较大的厚度容易导致底基层出现强度开裂。

3 结 语

（1） 以河北某干线公路为例，采用路面结构数值模型确定超载车辆作用下路表弯沉值约为设计弯沉值的3.25～4.79倍。

（2） 研究了超载作用下路表弯沉响应，得出基层底面最大弯拉应力与底基层最大拉应力均大于材料劈裂强度，因此，超载状态下车辆一次作用就可能使路面结构发生强度破坏。

（3） 当轴载增加时，路面结构各层压应力及沥青层表面压应力均增加，其中沥青面层增长幅度较大，轴载每增加100 kN，压应力增长约24.6%～605%。

（4） 超载作用下，路表以下4 cm处剪应力约为0.401～0.579 MPa，超过了基层材料的抗剪强度，沥青路面剪切破坏区域主要集中于轮迹边缘0.5 m范围内。

（5）针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载情况下不同结构层厚度的路面结构进行受力分析。根据分析结果提出以下建议：重载条件下路面面层厚度宜控制在20 cm左右；基层厚度应适当取较大值；底基层厚度宜小于25 cm。

参考文献：

[1] 钟 胜，李景任.沥青路面损坏的影响因素及防治措施[J].科技向导，2012（17）：288.

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[3] 郑南翔，牛思胜，许新权.重载沥青路面车辙预估的温度轴载轴次模型[J].中国公路学报，2009，22（3）：713.

[4] 梁丽榕，邓坚平，黄 慧.广西路网公路沥青路面病害调查及分析[J].西部交通科技，2011（11）：1520.

[5] 罗宏伟，韦海涛，傅 琴.沥青路面基于裂缝率的路面损坏状况研究[J].公路交通科技，2013（9）：101103.

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[7] 韦金城，王 林，杨永顺，等.永久性沥青路面试验路力学响应分布的数值仿真[J].公路交通科技，2010，27（6）：1519.

[8] 黄小龙，周正峰.重载沥青混凝土路面结构分析[J].中外公路，2011，31（1）：5559.

[责任编辑：王玉玲]endprint

为了分析面层厚度对路面结构受力状态的影响，确定河北某干线公路重载条件下路面结构的合理取值，针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载情况下不同面层厚度的路面结构进行受力分析，不同面层厚度时路面结构最大拉应力随面层厚度的变化曲线如图6所示。

2.2 基层厚度对路面结构力学行为影响分析

标准轴载作用下，路面结构层最大拉应力随基层厚度增加的变化幅度相对较小，在0.175～0.247 MPa之间；超载作用下，最大拉应力随基层厚度增加而减小，对于重载路面，基层厚度的增加可以显著减小基层弯拉应力；不同轴载作用下，结构层最大拉应力随基层厚度增加呈线性减小，基层厚度大于25 cm时该现象更加明显，因此，对于重载路面结构，基层厚度应适当取较大值。

2.3 底基层厚度对路面结构力学行为影响分析

为了分析底基层厚度对路面结构受力状态的影响，针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载条件下不同底基层厚度的路面结构进行受力分析，不同底基厚度时路面结构最大拉应力随基层厚度的变化曲线。

超载作用下，结构层最大拉应力随底基层厚度增加而减小，表明底基层厚度的增加可以减小基层弯拉应力；不同轴载作用下，结构层最大拉应力随底基层厚度增加而减小，底基层厚度大于25 cm时，结构层最大拉应力逐渐趋于稳定，继续增大底基层厚度对于减小路面结构拉应力的作用不明显，且底基层厚度增加使得最大拉应力出现位置向底基层移动，与基层材料相比，底基层材料劈裂强度相对较低，因此，较大的厚度容易导致底基层出现强度开裂。

3 结 语

（1） 以河北某干线公路为例，采用路面结构数值模型确定超载车辆作用下路表弯沉值约为设计弯沉值的3.25～4.79倍。

（2） 研究了超载作用下路表弯沉响应，得出基层底面最大弯拉应力与底基层最大拉应力均大于材料劈裂强度，因此，超载状态下车辆一次作用就可能使路面结构发生强度破坏。

（3） 当轴载增加时，路面结构各层压应力及沥青层表面压应力均增加，其中沥青面层增长幅度较大，轴载每增加100 kN，压应力增长约24.6%～605%。

（4） 超载作用下，路表以下4 cm处剪应力约为0.401～0.579 MPa，超过了基层材料的抗剪强度，沥青路面剪切破坏区域主要集中于轮迹边缘0.5 m范围内。

（5）针对路面结构组合类型及材料特性，对标准轴载和超载情况下不同结构层厚度的路面结构进行受力分析。根据分析结果提出以下建议：重载条件下路面面层厚度宜控制在20 cm左右；基层厚度应适当取较大值；底基层厚度宜小于25 cm。

参考文献：

[1] 钟 胜，李景任.沥青路面损坏的影响因素及防治措施[J].科技向导，2012（17）：288.

[2] 朱云升，郭忠印，王 景.高温重载条件下沥青混合料的蠕变试验研究[J].建筑材料学报，2008，11（5）：545549.

[3] 郑南翔，牛思胜，许新权.重载沥青路面车辙预估的温度轴载轴次模型[J].中国公路学报，2009，22（3）：713.

[4] 梁丽榕，邓坚平，黄 慧.广西路网公路沥青路面病害调查及分析[J].西部交通科技，2011（11）：1520.

[5] 罗宏伟，韦海涛，傅 琴.沥青路面基于裂缝率的路面损坏状况研究[J].公路交通科技，2013（9）：101103.

[6] 黄 勇，王选仓.重载沥青路面合理设计方法的分析研究[J].公路交通科技：应用技术版，2007（6）：4245.

[7] 韦金城，王 林，杨永顺，等.永久性沥青路面试验路力学响应分布的数值仿真[J].公路交通科技，2010，27（6）：1519.

[8] 黄小龙，周正峰.重载沥青混凝土路面结构分析[J].中外公路，2011，31（1）：5559.

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