浅析运煤公路沥青路面的设计

潘立志

(中国煤炭科工集团武汉设计研究院，湖北武汉 430064)

煤炭一直是支持我国经济发展的支柱性能源，近年来其产量增加很快，如新近崛起的内蒙古煤炭区。但由于铁路运输能力有限，大部分的煤炭仍需要通过普通公路，包括高速公路运输。行走在京藏高速内蒙古段的车辆，很容易发现这里的路况较其它地方差。究其原因，就是因为这条公路负担了很多运输煤炭的大型货运车辆的通行，从而给公路沥青路面造成严重的损坏。

我国公路沥青路面设计规范以单轴100 kN为标准轴载，即BZZ－100，单轴轴载小于或等于130 kN 或双轴轴载小于或等于220 kN 的车辆轴载均可换算为标准轴载，以设计年限内的累计标准轴次进行路面结构设计。这里的重载交通是指单轴轴载大于130 kN 或双轴轴载大于220 kN 的轴载。经调查，一些矿区的运煤公路，后轴从限定的100 kN 增加到180 kN 以上，轮胎充气压力从额定0.7 MPa 增加到0.9 MPa 以上，规范规定的轴载换算公式已不再适用。

通过对早期损坏现象的综合研究，笔者发现运煤车辆对沥青路面造成的损坏主要集中于疲劳开裂和车辙损坏，其主要原因是沥青面层的抗剪能力不足所致。文章主要从这两方面系统地总结了运煤车辆对沥青路面的影响，并探讨了在沥青路面设计中应采取的措施。

1 沥青路面受运煤车辆的影响

1.1 运煤交通参数分析

我国现行公路沥青路面设计规范中给出的轴载换算公式如式(1)所示。在弯沉等效时，式中n=4.35，盐酸半刚性基层层底拉应力时n=8.0。但这仅适用于单轴轴载小于或等于130 kN，双轴轴载小于或等于220 kN 的交通条件。在重载情况下，随着轴载的增加，沥青路面表现出明显的非线性，n 的取值将远大于规范规定的数值。

式中:P为轴重;N为轴载左右次数;n为系数。

文献［1］通过分析不同路面结构下轴载换算系数与轴载的关系发现，轴载换算系数主要与轴载有关，因而忽略了不同路面结构对轴载换算系数所造成的误差。利用回归分析得到了基于弯沉、弯拉以及车辙等效的轴载换算公式中n 的取值范围。考虑超载，弯沉等效时n=5.0～5.8，线性分析结果n=5.0，非线性分析结果n=5.5;弯拉等效时，一般半刚性基层路面n≈8.0，考虑超载时n≈9.0;车辙等效时，n=4.0～4.5。此结果与国内外其它对轴载换算关系的研究成果基本一致。

由此可知，n 的取值远大于规范规定的数值，这将使得在较短的时间内便达到路径设计的累计标准轴次，对路面的使用寿命造成极大影响。文献［2］对典型沥青路面结构，计算了在超载情况下达到路面设计累计标准轴次的使用寿命，得到如下结论:超载100%时，高速公路的路面结构只能使用1.40年，一级公路的路面结构只能使用1.47年，二级公路的路面结构只能使用1.20年，三级公路的路面结构只能使用0.70年。因此，必须采取相应的措施，延长重载作用条件下沥青路面的使用寿命。

1.2 重载作用对路面疲劳特性的影响

疲劳开裂是重载作用下，沥青路面最常见的破坏形式之一。通过对我国重载沥青面层疲劳裂缝调查分析发现，沥青面层纵向裂缝并不是由面层底部开始的，而是从面层表面向下发展。由此说明，重载作用下沥青面层疲劳破坏并不一定是由层底弯拉应力引起，而是由于表面荷载应力造成的，特别是剪应力。理论分析表明，双轮静态时，当量圆四周均会出现较大的剪切应力;车辆行进时，双轮边缘以外某一纵向区域内形成高剪切应力的疲劳作用，因而产生纵向裂缝。关于网状裂缝，由于轮载作用时并不完全带有方向性，很大程度上都是随机的，高剪应力区为双轮作用区域，并非作用线，因此网裂自然形成。

沥青性能，矿料级配，沥青混合料的性质以及道路的结构形式对疲劳耐久性都有一定的影响。

1.3 重载作用对车辙特性的影响

随着矿区煤炭产量的日益增长和运输向重型化发展，尤其是高等级公路渠化交通的运行，沥青路面永久变形已成为突出的问题，车辙成为重载交通作用下沥青路面主要的破坏形式之一。车辙的形成机理主要分为两种:压密变形和剪切变形。前者通常出现在交通初始阶段，由于路面各结构层密实度的进一步增加所形成;后者主要是由于沥青混合料上层过大的剪应力而产生塑性流动所引起的，后者是引起车辙损坏的主要原因。

重载作用下，沥青路面设计验算车辙深度对防止路面使用初期造成车辙损坏是十分必要的。当前，车辙深度的预估模型很多，在国际上最为有名的当推shell 方法，工程实践中可根据实际情况选用。Shell 方法是利用弹性层状体系理论计算路面内的应力分布，并根据路面材料永久变形同应力之间的关系，来求得沥青层的永久变形，其预估结果相对准确。

1.4 路面结构的剪应力分析

面层是剪应力作用的主要集中区域，且剪应力随着轴载的增加而增大。垂直荷载和水平荷载的综合作用是路面结构受力的最不利状态，分析时将单轮荷载看作是作用水平力和垂直力的一个圆形区域。胎压为0.7 MPa，荷载圆半径为10.75 cm，水平荷载系数，即水平荷载与垂直荷载的比值分别取0.1、0.3、0.5，取平行于水平荷载作用方向的直径上荷载圆边缘点下的直线上的点为计算位置，计算从路面表面到一定深度范围内剪应力的变化情况如图1 所示。

图1 剪应力随深度变化

由图1可知，沥青面层的最大剪应力产生在沥青面层中部，但与路表轮载边缘处相比差别不大。可取路表轮载边缘处的剪应力作为控制坐标，计算在竖向即水平荷载综合作用下的剪应力，使其小于沥青混合料的容许剪应力。具体可参考城市道路设计规范。沥青混合料的抗剪强度建议采用三轴试验方法来确定，以模拟路面结构中沥青混合料的设计受力状态。

2 重载作用下沥青路面设计探讨

重载作用下沥青路面设计，首先是合理的材料设计，其次是合理的结构设计。但当前，普遍存在将路面结构设计和材料设计割裂开来的现象，缺乏结构、材料一体化的设计思想。

2.1 材料设计

根据前面的分析，沥青路面在重载作用下，在车辆轮载附近产生较大的剪应力，这是造成沥青面层疲劳开裂和车辙损坏的主要原因。而沥青混合料的设计和性能分析时，并未考虑混合料的抗剪强度。因此，有必要对沥青混合料的设计方法进行分析，并提出相应的解决方法。

现行的沥青混合料设计方法是马歇尔法，是一种基于经验的设计方法，根据稳定度、流值、密度及孔隙率等指标提出适当的配合比。但它不能恰当地评估沥青混合料的抗剪强度，不能反映路面材料的实际受力状态，所以不适应重载交通路面的要求。因此有关专家建议采用三轴试验方法按抗剪强度进行沥青混合料设计。

2.2 结构设计探讨

我国的高等级公路大部分为半刚性基层沥青路面结构，而这种结构在重载车辆的作用下，早期损坏现象十分严重。全厚式路面对重载车辆的适应性较强，尤其适合于目前运煤公路上超载较多的情况。全厚式路面在英、美等国家已经取得了成功，其使用寿命可达到50年之久。因此，针对我国重载车辆较严重的现状，引入这种路面结构有其合理性和必要性。

全厚式路面的设计理念代表了国外高等级公路路面结构选择和设计的新趋势，具有一定的合理性。因为它的总厚度比常规基层的沥青路面结构更薄，同时可以减少疲劳裂缝产生的可能性，并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的上部。这样，当路面表层的破坏程度达到一定临界水平时，只需更换表面层，不需要改变路面标高。这是一种最经济的路面维修方式。

全厚式路面结构设计的核心是按功能合理设置路面结构层，要求路面结构的面层具有抗车辙、不透水和抗磨耗的能力，中间层要具有良好的耐久性，基层要具有抗疲劳和耐久的能力。但国内尚未修筑过此类路面，作为重载交通条件下的路面结构类型，尚需做进一步的研究。

3 结束语

随着煤炭需求的增加，各等级公路所负荷的煤炭运输车辆也日益增多，作为最常见的一种路面结构形式，沥青路面受重载作用的影响日益引起人们的重视。本文对重载交通条件下，沥青路面的破坏机理进行了总结和分析，并对路面材料设计、结构设计提出了一些建议，望对同行们的探讨和实际工作有所启发和裨益。

［1］刘朝晖，秦仁杰，李宇峙.汽车超载对沥青路面结构的影响分析［J］.长沙交通学院学报，1999(2)

［2］黄景成.重载路面轴载换算方法研究［M］.北京:人民交通出版社，2006

［3］王选仓，谭权.重载沥青路面研究［J］.西安公路交通大学学报，1998(4)