重载交通对沥青路面早期破坏的力学分析

吕 涛 田东军

0 引言

济青(济南—青岛)高速公路是贯穿山东的“工业走廊”，公路于2005年全部完成罩面大修，但多处新修沥青路面在投入使用后不久，道路面层就出现了裂缝，这种裂缝的出现远小于路面设计的疲劳寿命(通常称之为早期裂缝)。从一些现场钻芯取样试件可以看出，早期裂缝通常是从沥青混合料面层开始的。为了探寻路面早期开裂的成因并制定出控制早期开裂的设计准则，本文从力学角度对其进行分析，研究了面层、基层和底基层各自的应力状况以及面层各层的应力特点，并分析了其各层的应力状况对路面产生早期破坏的影响。

1 计算参数的选取

我国现行公路沥青路面设计的标准轴载是100 kN，规范提供的轴载换算公式对于轴载的大小均有一定的适用范围。在济青高速公路上行驶的轴载大于100 kN的超限车辆数量较多，且轴载分布范围大。考虑重载交通的作用，计算时选取了出现频率较高的100 kN，130 kN，150 kN，180 kN，200 kN，230 kN，250 kN 等超限轴载。

路面的各结构层的材料按照弹性材料考虑，取弹性模量和泊松比作为主要的参数[5]。

2 重载作用下路面各结构层的力学计算分析

根据文献[1][3][6]，采用 Shell解析法及 Bisar程序进行计算和分析。

2.1 路表弯沉

针对不同的轴载参数进行计算，得到的路表弯沉值如表1所示。

表1 不同轴载作用下路表弯沉值

图1表示轮隙中心弯沉值与轴载的关系，由图1可以看出弯沉值Ls与轴载P几乎成直线变化，Ls随轴载P的增长而增长，当超限100%时，Ls是标准轴载作用下的2.008倍;当超限150%时，Ls是标准轴载作用下的2.53倍。由于重轴载作用下，其弯沉值远远大于设计弯沉值[7](设计弯沉值是指按标准轴载作用下的计算所得的路表弯沉值)，这容易造成路面出现坑槽、网裂等早期损坏现象。

图1 轮隙中心弯沉值与轴载的关系

2.2 层底弯拉应力

针对不同轴载作用，计算得到各层的弯拉应力值如表2所示。

表2 不同轴载作用下各层层底弯拉应力值

图2表示各层层底拉应力值与轴载的关系，由图2可以看出各层层底拉应力值随着重轴载的增大而增大，基本呈直线增加，但随着轴载的增大直线的斜率越来越大。另外，路面的上面层层底、中面层层底以及下面层层底沿水平方向分布的拉应力值为负值，即为压应力，基层层底和底基层的拉应力值为正值，即为拉应力，这说明在荷载的反复作用下面层产生弯曲和压缩变形，而基层及基层以下则产生弯曲和拉伸变形。这样，在面层与基层接触面上会产生很强的剪切疲劳作用，容易造成路面的剪切破坏。

图2 各层层底拉应力值与轴载的关系

2.3 层顶压应力

针对不同轴载作用下计算路面各结构层的压应力值，如表3所示。

表3 不同轴载作用下各层层顶压应力值

图3表示各层层顶压应力与轴载的关系，由图3可以看出各层层顶压应力值随着重轴载的增大而增大。由于半刚性基层的应力扩散作用，压应力传到底基层和土顶层的较小，且随着轴载的增大其增大的幅度不是很大，而面层的压应力最大，所以容易产生压密变形。因此，在重载交通作用下，将加快沥青面层压密变形的产生。

图3 各层层顶压应力值与轴载的关系

2.4 剪应力

选取距路表纵向深度为2 cm，4 cm，7 cm，9 cm的点作为剪应力的计算点，在不同重载的作用下各点剪应力计算值如表4所示。

表4 不同轴载作用下路面结构层剪应力值 MPa

图4表示路面各结构层剪应力值与轴载的关系。分析可知:1)在每级轴载作用下，剪应力值随着纵向深度的增加而增大，到达某一峰值后剪应力逐渐减小，峰值位置的深度随着轴载的增大而加深，在100 kN轴载作用下剪应力在深7 cm处达到峰值，而在250 kN轴载下剪应力达到峰值的位置是9 cm。2)在100 kN轴载作用下，纵向4 cm～9 cm范围内平均剪应力值为0.21 MPa，而在250 kN作用下，此范围内的平均剪应力值为0.26 MPa。3)上面层底部和中面层内产生的剪应力最大。

在重车载的作用下，只要沥青混凝土的抗剪强度小于所受的剪应力，沥青混凝土就容易产生剪切变形，由车轮下向两侧推移并将两侧的沥青混凝土推挤而向上鼓起，同时轮迹带产生下陷变形，最终导致辙槽等病害的产生。

图4 路面各结构层剪应力值与轴载的关系

3 结语

通过对路面结构的力学分析可以真实反映出在重载交通的作用下，路表弯沉及路面结构层应力(层底拉应力、层顶压应力、剪应力)均随着重载的增加而发生较大的变化。其弯沉值远远大于设计值;过大的层底拉应力和层顶压应力容易使路面产生较大的弯曲、压缩、拉伸变形;过大的剪应力作用下沥青混凝土会产生较大的剪切变形。这导致其结构层的内部性能发生破坏而出现裂缝、凹槽、车辙等宏观的破坏现象。通过分析可知，重载是造成济青高速公路新罩沥青路面出现早期破坏的主要原因。

[1]田冬军.路面结构极限承载能力分析[D].济南:山东理工大学学士学位论文，2002.

[2]JTJ 014-97，公路沥青路面设计规范[S].

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

[4]刘 颖.重载道路路面设计方法研究[D].西安:长安大学硕士学位论文，2000.

[5]李小虎，汪云峰.重载交通作用下沥青路面力学响应分析[J].山西建筑，2005，31(5):4-5.

[6]HUANGYH.Pavement analysis and design[M].2nded.NJPearson Prentice Hall，Upper Saddle River，2004.

[7]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社，2001:75-98.