基于重载交通的沥青路面受力特性及病害防治措施研究

黄 江

（山西省公路局，山西 太原 030006）

2016年底，我国高速公路通车里程已达130000 km。随着经济的不断发展，交通量不断上升，重载车辆运输成为了交通量的主要组成部分。

重载交通加快了路面的损坏，严重缩短了路面设计的使用寿命和服务性能，甚至引发道路交通安全事故。在车辆重载作用下无论沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面均有路面早期损坏较为严重的现象。针对运煤重载沥青路面，研究重载交通对路面早期破坏的形式及原因，提出相应的措施，对延长路面寿命，维护道路安全，降低路面养护成本非常重要。

1 重载路面轴载分析

我国矿产资源丰富，重载交通较为普遍，运煤道路最大的特点为：车辆运输具有显著的方向性。返回煤炭产区的车辆多为空载，轴载重量轻，较分散；驶离煤炭产区的载重车辆满载煤炭轴载重量大，行驶速度慢，出行集中[1]。重载现象越来越突出，路面的早期破坏也不断加重。

图1 山西某高速轴载谱分布

利用车辆轴载自动称重系统对山西某高速进行24 h连续调查，获得不同轴轮组的轴载分布。

由轴载谱分布图1可知，单轴-单轮组轴载谱大于6 t的占20%左右，为单峰值分布；单轴-双轮组轴载谱集中在10～18 t，比例达到30%左右，轴重超过10 t的达到37%左右，近5%的轴载达到20 t；双轴-双轮组轴载谱中有约53%的轴重超过18 t；三轴-双轮组中约56%的轴重超过22 t。由此可见，山西以货运运输为主，且货运车辆中以重型大货车、特大货车和拖挂车为主。

2 重载路面交通调查

调查山西省某车道的货车流量情况，按照车型对路面的影响程度将各种车型进行一定的折算，重型货车折算系数为4，大货车为3，中货车为1.5，小货车为1。调查及分析结果如表1与图2所示。

表1 货车流量调查

图2 各类型货车所占比例图

由图2可知该条道路主要交通是重型货车，占总交通量的88.9%，折算比例达到了94%；其次是大货车，比例为4%，中、小型货车占总交通量的2%。

3 重载条件下路面受力特性

调查山西省重载的路面结构主要有半刚性、混合式、复合式沥青路面，以半刚性基层沥青路面结构为例分析重载条件下路面结构的受力特性，路面结构参数如表2所示。

表2 沥青路面各结构层参数

根据路基的弹性半空间体假设，建立有限元模型。采用轴载为100 kN、130 kN、190 kN三种工况对比分析，对应的应力分别为 0.7 MPa、1.0 MPa、1.3 MPa。计算半刚性基层沥青路面结构在不同深度处的剪应力，如图3所示。

图3 随轴载变化的剪应力变化对比图

由图3可知：

a）路面结构同一深度处，剪应力随荷载的增加而增大。

b）不同荷载下，路面深度由0增加至60 cm过程中，剪应力均呈现先增加后减小，再增加再减小的趋势。

c）剪应力在路面深度4 cm以上位置急剧增加，在约4 cm深处达到峰值，即在上面层中剪应力是不断增加的，至上面层与中面层交界处达到最大。

在不同厚度条件下，计算路面基层底面拉应力及土基顶面压应变随荷载变化的关系，如图4（第35页）所示。

由图4可知：

d）沥青路面基层层底的拉应力随着轴载的增加而增大，呈正比关系。

e）拉应力随着沥青面层厚度的增加而减小，而变化趋势几乎不随沥青层厚的变化而变化。

4 重载路面病害及防治措施

根据重载条件下路面的受力特性可知，重载对路面结构所受剪应力影响非常大，使沥青路面产生塑性变形，累计后形成车辙[2]。特别地，在温度的耦合作用下，重载车辆对层间的剪切应力进一步增大，轴载越大，侧向剪切位移越大，车辙程度越大。路面在重载条件下，沥青路面的主要病害是车辙、裂缝、松散及坑槽等。

4.1 高速公路病害调查

根据交通运输部每年路况检查资料显示，山西省部分高速公路的病害情况如表3所示。

图4 随轴载变化的层底拉应力及拉应变对比图

表3 山西省部分高速公路路面病害调查

资料显示，山西省部分高速公路的主要病害为车辙和裂缝，而主要原因是山西省的煤矿资源丰富，道路交通组成主要是货车所占比例极大，且主要为重型货车，重型荷载作用使路面车辙的发展非常快。

4.2 车辙病害的预防及养护措施

根据路面病害的调查显示，沥青路面早期病害以车辙和裂缝较为严重，对沥青路面常见的病害进行预防及预防性养护措施应从沥青混合料设计阶段，施工期的质量控制，运营期路面养护以及对超载车辆的管制方面入手，做到防治结合，最大限度地保证路面的使用性能。

4.2.1 优化沥青混合料设计

考虑重载对道路的影响，在沥青混合料设计阶段尽可能对材料及结构进行优化：

a）选择高黏性沥青或改性沥青，提高混合料抗车辙能力。

b）控制沥青用量，减小油石比，将集料级配设计形成骨架密实结构。

c）提高结构层设计，控制混合料空隙率，各面层之间模量相近，保证基层稳定基础上多采用“强基薄面”的结构设计。

4.2.2 严格把好施工质量关

施工质量是决定路面使用寿命长短的最重要因素，要保证施工质量应从以下几方面进行严格管理：

a）保证基层铺筑前路床的弯沉满足规范要求。

b）严格控制各结构层原材料及混合料质量。

c）保证基层强度及水稳性。

d）严格控制沥青混合料拌合、摊铺机压实温度。

e）碾压应连续、均匀，碾压完成后进行压实度及平整度现场试验。

4.2.3 加强运营期间公路管理

新建或大修后的公路投入使用后，尽快按照设计轴载对运输车辆进行管制，控制及治理载重汽车的重载现象。对已经产生损害的路面应及时采取措施进行治理，防止路面损害的进一步恶化。

4.2.4 采取预防性养护措施

研究表明，重载沥青路面的主要问题是车辙，针对病害的不同严重程度，采取科学合理的养护措施。车辙损坏在运煤重载路面最为严重，对此可采用以下3种技术进行维修处理：

a）微表处理法 将沥青、水泥等稀浆混合料摊铺在沥青路面车辙位置。该方法快速、维修工期短、成本低。

b）热再生法 将车辙位置的沥青加热软化后，将旧料与黏合剂及再生剂混合，按配合比拌合成新料，重新铺设在车辙损坏位置，该方法适宜车辙深度小于10 mm。

c）铣刨重铺法 适用于任何形式的车辙损坏。将需要维修的车辙病害路段进行规划并标记，铣刨后进行重新摊铺，从根本上解决了路面的车辙问题。

5 结论

本文基于山西省高速公路重载交通对沥青路面的影响进行研究，得出以下结论：

a）通过调查分析重载路面的交通量及轴载谱，得出山西省交通组成以货运运输为主。

b）通过建立有限元计算荷载分别为100 kN、130 kN、190 kN条件下，路面结构剪应力变化及基层层底拉应力、土基顶面压应变的变化，得出重载对路面结构的影响非常大，是路面产生车辙的主要原因。

c）调查山西省8条高速的路面性能，针对车辙主要病害，提出重载路面的预防及养护措施，应从沥青混合料设计、施工、运营管理阶段进行路面质量的控制及病害预防。