高速公路沥青路面变形因素与预估

冯太坤，杨建波，倪志军，汤见勇，余圣爱

（湖北交投建设集团有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

高速公路作为现代交通基础设施的重要组成部分，承载着日益增长的交通负荷，因此对高速公路路面的安全性、耐久性和舒适性提出了更高的要求。然而，在不断变化的气象条件下，以及交通荷载、路面结构等因素的影响下，尤其是温度快速变化时，高速公路沥青路面易发生变形和损害，不仅会降低行车舒适性，还可能引发交通事故，对行车安全和路面寿命构成威胁。因此，深入研究高速公路沥青路面变形因素及预估方法至关重要。

1 高速公路沥青路面变形影响因素

1.1 气象条件

气象条件是高速公路沥青路面变形的重要影响因素。

第一，温度因素。沥青路面是常见的高速公路路面类型，其特点是具有较高的温度敏感性。温度升高会导致沥青路面材料软化，从而增加路面变形风险。因此，了解沥青路面材料的温度敏感性是研究路面变形的重要起点。沥青路面材料的温度敏感性可以通过温度对其物理性质的影响来表征。沥青材料的黏度、模量和膨胀系数等参数都会随着温度的变化而变化，这些参数的变化会直接影响路面的变形特性，因此研究沥青材料在不同温度下的性质变化是理解路面变形机制的关键[1]。

例如，高温天气会使路面温度升高，进而导致路面材料软化和膨胀，软化和膨胀的过程会导致路面发生热裂纹和变形，尤其是在炎热的夏季。相反，在夜间气温下降时，路面可能发生冷却和收缩，也会引发不同类型的变形，如龟裂和坑洼。由此可知，气温变化不仅会影响路面的变形速率，还会影响其变形类型和程度。

第二，湿度因素。高湿度环境下，路面的温度变化幅度相对较小，主要是由于水的热容量较大，能够吸收和释放大量热量，使路面在高温条件下的变形较为缓慢。而在低湿度环境下，路面更容易在高温下发生变形，主要是由于缺乏水分，增加路面的热敏感性，材料更容易软化。

第三，日照因素。阳光直射路面会使路面表面温度升高，在夏季炎热的天气下，由于路面表面的温度可能会显著高于空气温度，因此会进一步增加路面的变形风险。因此，日照条件下的路面温度变化可能比阴天或夜晚更为剧烈，从而引发更严重的路面变形问题。

1.2 交通荷载

交通荷载会对路面的竖向变形和车辙深度产生显著影响。以0.2MPa 为步长，设定车辆荷载的应力在0.7～1.5MPa 之间，对交通荷载的具体影响进行试验探究，得到相关数据（见图1）。分析数据不难看出，随着交通荷载的增加，路面承受的应力也相应增加，应力增加会导致路面的竖向变形加剧。竖向变形通常表现为路面下沉或凹陷，不仅会降低路面的平整度，还可能引发路面龟裂和坑洼，说明交通荷载增加对路面竖向变形有显著影响[2]。

图1 不同荷载应力下路面车辙深度和竖向变形变化

此外，交通荷载对车辙深度的影响也较为显著。车辙是车轮作用在路面上留下的凹槽，其深度能够反映路面的耐久性和平整度[3]。研究表明，增大荷载应力会显著增加车辙深度，这是由于更大的荷载会对路面施加更大的压力，导致路面材料的变形更为显著。车辙深度的增加会影响车辆行驶舒适性、增加行车风险，特别是在高速公路上。

根据图1 可知，车辆荷载应力从0.7MPa 增加到1.5MPa 后，路基下凹量和车辙深度分别增加118.8%和72.3%，表明车辆荷载应力对路面变形的影响非常显著。因此，需要采取措施有效管控重载车辆，包括加强对重载车辆的超载检测和处罚力度，以减少其对路面的损害。此外，定期的路面检查和维护也是确保高速公路路面长期稳定性和安全性的关键举措。合理的管理和维护，可以延长路面的使用寿命，减少维护成本，提高高速公路的可靠性和安全性。

1.3 路面结构

路面结构也会影响高速公路沥青路面的变形情况，主要影响因素包括路面层厚度、材料类型和层间黏结性，这些因素相互关联，共同决定路面的热传导和变形特性[4]。

第一，路面层厚度对路面的热传导和变形有直接影响。较厚的路面层具有更大的热容量，能够在一定程度上缓冲温度变化。也就是说，在高温天气下，较厚的路面层可能需要更长的时间来升温，从而减缓路面材料的软化速度。在夜间温度下降时，较厚的路面层也会保留更多热量，延缓路面的冷却过程。因此，确定路面层厚度时，需要综合考虑当地的气象条件，以平衡路面形变、提高其耐久性。

第二，材料类型对路面变形特性有重要影响。不同类型的路面材料具有不同的热敏感性和变形特性。例如，某些聚合物改性沥青材料具有较高的抗软化性能，可以在高温下保持较好的稳定性。选择合适的路面材料可以降低温度变化对路面的影响。此外，路面材料的强度和弹性模量也会影响路面的变形情况，因此在路面设计中需要充分考虑材料的性能特点。

第三，层间黏结性决定了不同路面层之间的结合程度，层间黏结性较弱可能导致不同层之间剥离或滑移，从而增加路面变形风险。因此，在路面施工过程中，必须确保路面层之间的黏结性良好，以维护路面的完整性和稳定性。

1.4 行车速度

行车速度对沥青路面的竖向变形和车辙深度有重要影响，影响机制涉及路面材料的热传导、荷载分布及路面的振动响应。

第一，低速行驶时，随着车速的增加，沥青路面的竖向变形和车辙深度均有所减小，这是由于低速行驶时路面承受的动态荷载相对较小，路面材料有更多的时间恢复。此时，路面变形主要受到静态荷载和温度变化的影响，而较小的动态荷载对路面的影响相对较小。

第二，高速行驶时，随着车辆速度增加，沥青路面竖向变形和车辙深度减小的趋势仍然存在，但减小幅度逐渐减小，这是由于高速行驶时，路面受到的动态荷载较大，车轮与路面的频繁接触使得路面材料无法完全恢复，从而导致一定程度的路面变形。然而，相对于低速行驶，高速行驶时路面的竖向变形和车辙深度相对较小，因为动态荷载会在一定程度上压实路面。

研究表明，车辆行驶速度从40km/h 增加到120km/h 后，车辙深度和沥青路面的凸起量、下凹量均有所减小（见图2）。这表明，提高行车速度可以在一定程度上减小路面变形。然而，需要注意的是，速度提升对路面的影响并非线性，速度较低时变形减小明显，但随着速度的进一步提高，变形减小趋势逐渐减缓。

图2 不同行车速度下路面车辙深度和竖向变形变化

1.5 路面材料特性

路面材料的类型、质量和性能对路面的变形特性有重要影响。

第一，路面材料的类型对变形有显著影响。沥青混凝土是最常用的路面材料之一，其因优异的抗变形性能而备受青睐。沥青混凝土具有较高的弹性模量，能够在受到荷载作用时恢复原状，减少竖向变形和车辙深度。与之相比，其他类型的路面材料，如水泥混凝土或沥青胶结料，在抗变形方面可能较差，需要特别注意其应用条件和性能[5]。

第二，路面材料的质量和配合比也对路面变形起决定性作用，高质量的路面材料通常具有更均匀的密实度和较少的空隙，有助于提高路面的抗变形性能。此外，正确的材料配合比可以确保路面材料的力学性能符合设计要求，从而降低变形风险。路面材料的性能特性包括抗剪切性、软化点、黏附性等，也直接影响路面的变形情况。例如，高抗剪切性的路面材料能够更好地抵抗荷载引起的剪切应力，从而减少竖向变形。软化点是一个关键指标，表示材料在高温下开始软化和流动的温度，对高温条件下的路面变形有重要影响。路面材料与基层之间的黏附性也决定了路面的稳定性，弱黏附性可能导致剥离和变形问题。

2 路面变形预估方法

2.1 数学模型

数学模型在路面变形预估中可起到关键作用，这些模型是基于路面材料性质、气象条件和交通荷载等因素建立的，可模拟路面的变形情况。

第一，数学模型为理解路面变形机制提供了一种系统性的方法，通过数学模型，工程师可以将路面材料的性质、温度变化、气象条件以及交通荷载等因素融合在一个模型中，从而更全面地分析路面的变形过程。

第二，通过输入不同参数和条件，模型能够生成有关路面竖向变形、车辙深度、龟裂等方面的预测数据，这为工程师提供有价值的信息，有助于其在路面设计和规划中作出准确的决策。

第三，数学模型还支持路面设计优化。工程师可以利用模型评估不同路面结构和材料的性能，以选择最佳设计方案，确保路面在不同气象和交通条件下都能展现出色的性能。

第四，数学模型对路面维护和修复策略的制订也至关重要。通过模拟不同的维护方法和材料应用，工程师能够预测不同策略的效果，以选择最经济有效的维护方案，延长路面的使用寿命。

2.2 监测技术

监测技术通过实时监测路面各种参数，可提供关于路面性能的准确反馈。

第一，监测技术能够实时获取路面的温度、应力、应变等关键参数，这些参数能够直接反映路面的状态和受力情况，提供实时的路面性能信息。通过监测温度，可以追踪路面温度的变化趋势，帮助预测路面的软化情况。同时，监测应力和应变可以帮助识别路面的结构问题，如裂缝和疲劳损伤。

第二，监测技术可以对路面进行长期、连续的监测，这种连续性监测有助于发现路面性能的变化趋势。通过长期监测，可以及时检测到潜在问题的迹象，便于及时采取措施加以修复，从而延长路面的寿命和性能。

第三，监测技术还有助于路面维护的精细化管理。通过实时数据，工程师可以根据路面的实际状况制订维护计划，准确地确定维护时机和方式，有助于优化配置维护资源，降低维护成本，最大程度地保护路面。

2.3 经验法则

经验法则是基于长期的工程实践、历史数据和专业经验总结而来的，虽然不像数学模型那样精确，但在路面变形预估方面有很高的实用性和价值。

第一，经验法通常使用一些简单的参数和规则，如交通量、车辆类型、路面材料等来估计路面的变形情况，由于不需要复杂的数学计算或大量的数据输入，因此在一些实际情况下非常实用。

第二，经验法则可以作为快速决策工具，在一些情况下，需要迅速估算路面的性能，以采取相应的措施。这时，借助经验可以快速进行初步评估，帮助工程师和维护人员作出决策，如确定维护时机或采取紧急修复措施。

需要注意的是，经验法则也有其局限性，可能不够准确或不适用于特殊情况，因此在高度复杂或特殊的工程项目中，需要结合其他方法，如数学模型或监测技术，以获得更准确的路面变形预估。此外，需要不断更新和修订经验法则，以反映工程实践和技术进步，确保其准确性和适用性。

3 结语

在现代社会中，高速公路作为重要的交通干线，对经济、社会和人民生活水平有重要影响，因此保证高速公路路面的安全性和耐久性至关重要。路面变形问题复杂、多样，需要综合考虑多种因素。未来应进一步拓展对新材料和新技术的应用，以更好地解决高速公路路面变形问题。此外，跨学科的合作也是解决这一问题的关键，工程、气象、材料科学等各领域的专家需要共同努力，为高速公路的可持续发展作出贡献。