长大纵坡沥青路面典型病害调查及其成因探析

吴美平，叶晶晶

（南京市江北新区建设和交通工程质量检测中心，江苏 南京 211500）

0 引 言

山区公路往往由于地形地貌的限制，不能像平原微丘区的公路那样拥有比较平顺的线形，而经常形成连续的上下坡路段。车辆在这些长大纵坡路段上行驶时，不仅拥有不同于普通公路时的行驶状态，还因为行驶状态的不同导致路面承受不同的受力方式，其结果便是长大纵坡路段的路面病害十分严重，这已经成为一个亟待解决的问题［1-2］。本文依托西南地区某二级公路改建工程，对长大纵坡路段的沥青路面病害进行了现场调查，并分析了产生这些病害的原因，对长大纵坡路段沥青路面的病害防治有一定的指导意义。

1 病害调查

选取两段（即 A 段、B 段）路线，选取每段1 000 m 进行调查，每段的病害分布如图1～2 所示。

图1 A 路段病害分布图

图2 B 路段病害分布图

由图1～2 可知，对于A路段而言，车辙、修补和龟裂是该路段的主要病害，分别占病害比例的 27 %、41 % 和 22 %；对于 B 路段而言，车辙、龟裂和坑槽是该路段的主要病害，分别占病害比例的 44 %、36 % 和 19 %。对于其他病害，本文分析认为，路面首先在荷载作用下产生了裂缝，随着裂缝的发展，条形裂缝发展为龟裂，进一步在荷载和环境共同作用下松散形成坑槽。据了解，A 段的坑槽经过养护，坑槽数量已经不是很多。因此，根据此次调查结果，可以得知对于长大纵坡而言，车辙病害和坑槽病害是主要病害类型。

2 病害成因分析

2.1 重 载

重载，尤其是超载，会对路面造成很大损害［3］。该公路上重载交通占了很大一部分。重载车辆会在路面结构内引起很大的剪应力，而较大的剪应力不但会降低路面结构层间黏结能力、引起剪切型裂缝，而且会使路面在抗剪强度不足的情况下出现严重的车辙［4］。本文使用 Bisar3.0 程序计算了该路面结构在超载情况下的剪应力变化。计算所采用的路面结构和材料参数如表1 所示，计算结果如图3 所示。

表1 力学计算参数表

从图3 可以看出，在 6 cm 面层范围内，剪应力随着深度增加呈变大的趋势，超载对面层内的剪应力有很大影响。当超载 20 % 时，最大剪应力增加了 20.3 %；当超载 100 % 时，最大剪应力增加了 100.5 %，几乎是线性增加。在较大的剪应力下，路面材料会因为抗剪强度不足而出现严重车辙和其他病害。

图3 超载对面层剪应力影响图

2.2 低 速

车辆在长大纵坡上爬坡时会降低车速以提高牵引力，而低速行车对路面的损害非常大。根据“时温等效”原则，降低车速相当于提高荷载作用于路面时的温度，而高温会造成沥青材料的流动性增加，在相同的荷载作用下增加面层材料的变形，形成较深的车辙［5-6］。本文也调查了车速和车辙深度随坡度的变化，分别如图4、图5 所示。

图4 车速随坡度变化表

图5 车辙深度随坡度变化表

由图4 可知，随着坡度的增加，车辆的实际行车速度是降低的。当坡度为 3 % 时，车速为 30 km/h；当坡度为 8.75 % 时，车速已经降到了 15 km/h。如此低的车速会对路面造成非常大的损害。由图5 可知，车辙深度随着坡度的增加而快速增加。坡度为 3.5 % 时，车辙深度为 18 mm；而当坡度为 8.75 % 时，车辙深度则达到了 50 mm，这时的面层已经完全损坏了。因此，较低的车速是造成长大纵坡车辙病害的重要原因。

2.3 层间黏结力不足

本文的力学分析已经指出，重载车辆会在路面结构层内产生很大的剪应力。当层间黏结力不足时，路面不同层位就会在剪力下产生层间滑移。层间滑移一旦发生，就会破坏路面结构受力的整体性，更容易诱发病害的产生和发展［7］。本文使用 Bisar3.0 程序计算了层间滑移对面层内剪应力的影响，计算所采用的材料参数如表1 所示，计算结果如图6 所示。

图6 层间粘结情况对面层剪应力影响图

由图6 计算结果可知，虽然从 20 % 滑移到100 % 滑移对面层的剪应力影响不大，可是层间滑移一旦产生，就会对面层内的剪应力产生很大影响。当层间仅仅20%发生滑移时，面层的最大剪应力就从 0.168 3 MPa 猛增到 0.451 3 MPa，增幅达 168.2 %。这说明了对于长大纵坡路段，更要重视对层间黏结的处治。

2.4 水平荷载的增加

车辆在普通路段行驶时，水平荷载主要来源于轮胎与路面之间的滚动摩擦力，这一力通常情况下是很小的。但是当车辆在长大纵坡上行驶时，水平荷载的来源除了滚动摩擦力外，还有车辆自身重力产生的水平分力和因频繁制动而产生的制动力，制动力往往是长大纵坡上水平荷载的主要来源，这在下坡路段尤为明显［8］。本文使用 Bisar3.0 程序计算了水平荷载对路面结构内剪应力的影响，计算结果如图7 所示，图中 f 为轮胎与地面的附着系数。

图7 水平荷载对面层剪应力影响图

从图7 可以看出两点，①随着水平荷载的增加，面层内最大剪应力的增幅越来越大。当水平荷载为 0 时，面层内最大剪应力为 0.168 3 MPa；当附着系数为 0.4 时，面层内最大剪应力达到了 0.325 MPa，增幅达 93.1 %。②随着水平荷载的增加，面层内的最大剪应力位置逐渐从层底向层表移动。当附着系数为 0.3 时，面层的最大剪应力位置已经完全位于面层的表面了。这样的变化趋势一方面使得面层更易因为受剪而产生车辙；另一方面加重了轮胎与路表的磨耗，磨损了面层的厚度，进而更易诱发病害。

2.5 沥青混合料抗剪强度不足

本文的力学分析证明，某些路面工况的改变会导致沥青路面结构层剪应力的增加。在面层材料抗剪强度不足的情况下，路面就会因剪切出现病害，沥青混合料抗剪强度的不足是造成路面各种病害的主要内在因素。本文首先计算了该路面结构所允许的最小沥青层抗剪强度。根据同济大学孙立军［9］的研究成果，沥青路面沥青层综合抗剪强度允许值计算公式如式（1）所示。

式中：［τ］0为沥青层综合抗剪强度允许值，MPa；N 为设计年限内累计交通轴次，次；T 为所在地区年平均气温，℃；RD0为允许车辙深度，mm；V 为设计车速，km/h；ψ 为结构系数。

式中：h1为沥青层厚度，cm；h2为基层厚度，cm；E2为基层模量，MPa。

取允许车辙深度为 20 mm，设计车速为 40 km/h，计算可得［τ］0为 0.745 MPa。

本文钻取了调查路段的面层材料芯样，并使用单轴贯入试验［10］评价了面层材料的抗剪强度，结果如表2 所示。

表2 壹号公路面层材料抗剪强度表

表2 中，路肩材料的抗剪强度可以近似看做面层材料的初始抗剪强度。由表2 结果可知，车辙区材料的抗剪强度在承受荷载作用后都有所下降。其初始强度 0.590 MPa 不满足沥青层综合抗剪强度最小值 0.745 MPa 的要求。在荷载作用下，由于沥青混合料的抗剪强度过小而产生车辙也就不奇怪了。

3 结 论

本文依托西南地区某二级公路改建工程，对长大纵坡路段沥青路面的病害进行了现场调查，并结合车速调查、交通量调查和力学分析，对病害产生的原因进行了分析，结论如下。

1）调查发现，车辙和坑槽是长大纵坡路段沥青路面最主要的病害类型；

2）重载、低速、层间黏结力不足、水平力的增加和沥青混合料抗剪强度不足是造成长大纵坡路段沥青路面病害的主要原因。