重载交通对沥青路面的影响分析

范晓燕 侯忠非

(中交瑞通路桥养护科技有限公司，陕西西安 710075)

近年来，随着经济建设的不断发展，我国高速公路交通状况也发生了较大变化，不仅交通量的增长较快，而且重载超载现象也比较普遍，受交通荷载的影响，我国不少高速公路沥青路面在使用初期就出现了不同形式的早期病害，造成较大的经济损失和不良社会影响。为充分认识重载交通的危害，本文从多方面分析研究了重载交通对路面的影响。

1 重载交通

在我国，重载交通主要包含有两个方面含义，即超限运输和超载运输。

超限运输是指在公路上行驶的运输车辆，其装载货物的尺寸、车货总质量或车辆轴载质量任一方面超过国家法律、法规所规定的限值而进行的公路运输行为。超载运输是指车辆所装载的货物超过车辆额定载货质量。超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大的影响，有的甚至超过路面结构的极限承载力，使路面出现结构性破坏。

2 重载交通的主要危害

1)缩短道路使用寿命。重载交通对路面结构的破坏主要是指车辆轴载对路面的重复疲劳破坏作用。我国现行路面设计标准为单轴双轮胎，标准轴载为100 kN，车辆的换算轴载是按照满载时的车辆各级轴载进行标准当量轴次进行计算。如一辆单轴超限200%的货车，换算成标准轴载的当量作用次数时是BZZ-100的119倍。重载交通使车辆的当量轴载作用次数急剧增加，从而使车道实际累计当量轴次提前达到路面的设计累计当量轴次，引起路面疲劳破坏，从而缩短了道路的使用寿命。2)危及行车安全。重载交通还容易引发道路交通事故，车辆超限超载一方面容易使车辆制动系统出现异常，在普通路段尤其是长大纵坡及急弯路段紧急制动时易引起交通事故;另一方面容易造成车轴断裂、爆胎等故障，车辆在紧急停车带上停靠维修会影响车辆正常运行，同时也存在很大的安全隐患。3)引起路面结构破坏的同时加速路面使用性能衰减。在重载交通作用下，按标准轴载条件下计算得到的路面结构整体强度及路面各层的抗疲劳开裂性能都无法满足实际要求，从而造成路面结构提前破坏。路面结构破坏引起多种路面病害，致使路面破损、路面平整度等其他使用性能急剧衰减。

3 重载交通危害路面的技术分析

3.1 静态轴载超限对路面影响分析

我们平常所指的轴载是车辆的静态轴载，车辆轴载超限是破坏公路路面的主要原因。其对路面的破坏主要体现在结构性破坏和面层行驶质量下降两个方面。我国高速公路是以双轮组单轴载10 t为标准轴载进行设计的，因此，当车辆进行超限运输时，其轮胎压力骤增，轮胎与路面作用时间大大延长，超过路面承受能力，加速对路面的破坏。美国于1958年就轴载对路面破坏提出了著名的“四次方法则”，即:汽车对路面的破坏作用与汽车轴载的n次方成正比，在美国，n取4，我国推荐n取4.55，公式如下:

其中，P为任一轴载质量;P0为标准轴载，取10 t;EF为P对路面破坏作用次数换算成P0对路面重复作用次数的换算系数，也称破坏系数。上式计算结果如表1所示。

表1 轴载质量对公路路面破坏系数(EF)表

由表1可见，当车辆的超限率达到50%时，其每通过路面一次相当于标准轴载车辆通过6.6次，而当车辆的超限率达到100%时，这个数字增大到了23.4。随着车辆超限程度的增加，其对路面破坏程度急剧上升。

3.2 动态轴载超限对路面影响分析

动态轴载是指车辆在行驶过程中对路面施加的荷载。各国目前对汽车轴载质量的限值均为静态轴载，然而，路面承受的却是车辆产生的静态轴载与动态轴载之和。

当车辆行驶在高速公路上，由于本身的振动，作用在路面上的轴载时大时小，其动态变动近似服从正态分布，变差系数与车速、路面平整度、车辆振动性能密切相关。当车辆超限时，其原有悬挂系统与减振装置难以匹配，车辆振动的变差系数增大，其对路面产生的动态荷载急剧增加，对路面的冲击力也就大大增强，加速了对路面的损坏。路面的损坏使其平整度变差，车辆产生的动态轴载进一步增加。如此形成恶性循环，使得路况越来越差。

4 交通荷载对路面使用性能的影响

4.1 对路面强度的影响

高速公路沥青路面以路表面回弹弯沉、沥青混凝土层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。路面结构层厚度的确定应满足结构整体刚度与沥青路面各结构层抗疲劳开裂的要求。

根据规范要求，对路面刚度要求为路表计算弯沉Ls应不大于设计弯沉Ld，即Ls≤Ld;

由上式可知设计Ne偏小，就会使Ld偏大，即标准偏低，计算得到的路面厚度偏小，路面强度不能达到设计年限内实际交通要求，势必会造成路面早期破坏。

另一方面，在重轴载作用下，路面实际弯沉会大于设计弯沉，容易产生路面开裂及沉陷等病害。以深汕高速公路西段为例(按标准轴载作用下计算得到的设计弯沉为0.246 7 mm)，针对不同轴重计算的路表弯沉见表2。

表2 不同轴载作用下路表弯沉值

路表弯沉随轴载变化趋势图见图1。

图1 路表弯沉随轴载变化趋势图

4.2 对路面其他性能的影响

规范要求，为防止路面结构层疲劳开裂，设计采用弯拉指标控制沥青面层和基层底面的弯拉应力σm，其应不大于结构层的容许弯拉应力σR，即σm≤σR，计算关系式如下:

其中，σSP为沥青混合料抗弯拉强度;KS为沥青面层的抗拉强度结构系数;Ag为沥青混合料级配系数;Ac为公路等级系数。

由上式可知:Ne偏小会使计算的σR偏大，由于设计标准降低，计算的路面层底拉应力σm可能会大于结构层所能承受的拉应力σm，导致路面产生由下向上发展趋势的疲劳开裂。

车辆超限对沥青路面的破坏主要有以下几种现象:1)结构性破坏产生的疲劳开裂，如网裂、龟裂及横向裂缝等;2)车辙;3)剪切破坏产生的推移、壅包等，从而使路面结构提前破坏。病害的产生会明显降低路面损坏评价结果，影响行车安全，同时势必影响到路面平整度，从而导致路面综合使用性能急剧下降。通过对多条高速公路分析，当其他条件相同时，交通轴载越大，安全使用性能衰减越快;交通轴载越小，则衰减越慢。

5 重载交通经济分析

以广东省为例，已建成的高速公路中，较早建成的几条高速公路已提前进入大修期。比较典型的如深汕高速公路东段2005年开始大修，耗资20亿元。比设计提前21年。可见由超限运输车辆引发的养护费用的增加额是巨大的。

为定量分析重载交通引起的养护费用的增加，依据相关研究成果，通过对养护补偿费用和车轴超限程度进行拟合分析，可得以下回归模型:

其中，Y为补偿费率，元/车;X为超载率。

通过上式，可得出不同超载程度下增加的养护费用平均值，见表3。

表3 不同超载程度下的养护费用补偿费率

6 结语

通过以上分析可知:1)重载车辆会造成沥青路面结构强度不足、层底应力大幅增加，从而使路面损坏过程加快，大大缩短路面使用寿命。2)超限运输会加速路面使用性能衰变速率，影响行车安全。3)超限运输会使公路养护费用大幅增加。因此，充分认识重载车辆对公路的严重破坏，在设计阶段充分考虑超载因素的影响，运营阶段加大超限超载措施力度，多方面减小重载交通对沥青路面的破坏。

［1］深汕高速公路西段交通量及荷载对路面影响验算分析报告［R］.2007.

［2］王振清.公路超限运输概论［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］何兆益，许茂增.基于公路增量投资的重庆市干线公路超限车辆的补偿费分析［J］.重庆交通学院学报，2002(4)：29-30.

［4］JTG H20-2007，公路技术状况评定标准［S］.

［5］JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范［S］.