浅谈重载交通对沥青路面早期破坏的力学分析

朱神吉

摘 要：本文从力学分析入手，主要从负载方面针对性地讨论重载车辆对路面的影响，以阐明当下重载交通路面简单参照国标设计的不足之处。

关键词：重载交通；沥青路面；破坏；力学分析

中图分类号：U416 文献标识码：A

1.研究概况

我国现行标准公路沥青路面设计是100kN为基准双轮组轴载，各种大小的轴载车辆通过轴载换算公式进行换算。在道路上超过标准轴载以及单轮组重载的车辆越来越多，本文着重讨论了重载交通的情况，选取几组超限轴载数据进行计算。

2.沥青路面轮载作用分析

2.1轮载作用计算图式

根据文献，若以标准轴载BZZ-100为基准，其计算的图式如图1所示。先假定轴载与轮压和接地面积都呈正向关联关系，圆心距确定为一定值31.95cm，在重载的情况下，此时计算采用这种更符合实际情况的重载图式，如图2所示。

2.2轮载对轮压以及轮胎接地面积的影响

在此根据某份比利时接地面积与轴重的经验报告，推导出以下关系式，以作为计算重载作用下路面结构应力的参数：

A为轮胎接地面积，单位为cm2 ；

P为每一个轮胎的荷载，单位为N；

±70為保证率达到95%时的离差范围值，单位为cm2。

根据公式，再假定轮载P对接触面的作用力是均匀的，圆半径值为δ，以此可以计算得出接地压力 P：P/ πδ2。

3.路面各结构层在重载情况下的力学计算分析

3.1路表弯沉

针对不同的轴载参数，应分别进行计算，得到的路表弯沉值不同，经计算该值与轴载关系如图3所示。整个图像几乎呈一条直线，弯沉值￡与轴载 P存在着明显的正向关联性， 弯沉值增长时，轴载 P也会增长，在200kN的情况下， 此时弯沉值是标准轴载100kN时作用下的弯沉值的 2.008倍；而在240kN的情况下，此时弯沉值是标准轴载作用下的弯沉值的2.53倍。在重载作用下时，其弯沉值远远超过了标准设计弯道值的标准（标准设计弯沉值是指按标准轴载作用的情况下的计算所得的路表弯沉值），在宏观上则表现为坑槽、网裂等早期损坏现象。

3.2 各层拉压应力

远大于标准轴载的车辆以及单轮组车辆对于路面破坏明显。这些车辆会碾压面层导致底部产生过大的拉应力，而对上部产生压应力。下部拉应力超过标准设计值，造成面层凹陷开裂破坏。而原本在基层、垫层的拉、压应力随着深度的增加而减小，并未超过其限值。由于面层的破坏开裂，雨水的渗入，使得基础、垫层拉、压应力限值降低，无法承受车辆的荷载造成公路结构性的破坏。

针对不同轴载作用下计算出路面各结构层的压应力值，再加上半刚性基层会有应力扩散，所以传到底基层和土顶层的压应力较小，随着轴载的增大，其增大的幅度会越来越小，而面层的压应力会大得多，压密变形由此产生。在这种重载交通的情况下，沥青面层产生压密变形的现象也就不足为奇了。

3.3剪应力

选取距路表不同的纵向深度的点，作为剪应力的各个计算点，计算出各点在不同重载的作用下剪应力的值，该值与轴载的关系如图4所示。根据图4分析可知，在不同轴载的情况下，剪应力值与纵向深度在一定范围内都呈正向关联性，但当到达某一峰值后剪应力会开始逐渐减小，随着轴载的增大，峰值位置的深度会加深。例如，当在 轴载100kN的情况下，此时剪应力的峰值会在深 7cm处达到，而当在轴载250kN的情况下，剪应力达到峰值的位置相应地增大到了9cm（在标准轴载时，纵向4cm～9cm范围内平均的剪应力值为 0.21MPa，而在2.5倍标准轴载作用的情况下，平均剪应力值这时候就提高到了 0.26MPa）。此时上面层底部和中面层内所产生应力达到最大值。在重车载的作用情况下，只要沥青混凝土的抗剪强度小于其所受的剪应力时，沥青混凝土就容易产生剪切变形的情况，巨大的负载通过车轮，往下向两侧推移，轮迹带下陷变形，两侧的沥青混凝土发生推挤而向上鼓起，最终导致辙槽等病害的产生。

结语

对于重载车辆较多路段的沥青路面的设计，简单参照国标不可取，有必要进行针对性的设计，具体问题具体分析，通过合理的结构设计以满足重载交通对沥青公路的结构整体刚度、沥青层或抗疲劳开裂以及抗变形等多个性能方面的要求，才能有效地应对重载车辆对沥青公路的早期破坏情况。

参考文献

[1] JTGF40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[2] JTJ014—97，公路沥青路面设计规范[S].

[3]陶宏亮，陈晨.沥青混合料和集料基本性能的比对试验研究[J].福建建材，2011（2）：5-8.

[4]邓学钧，陈荣生.刚性路面设计（第2版）[M].北京：人民交通出版社，2005.endprint