超载对沥青路面结构设计的研究

毛建影 温 涛

(东营市公路勘察设计院 / 山东中咨公路咨询设计有限公司, 山东 东营 257091)

超载对沥青路面结构设计的研究

毛建影 温 涛

(东营市公路勘察设计院 / 山东中咨公路咨询设计有限公司, 山东 东营 257091)

本文针对超载对路面结构造成的损伤，依据现行设计规范，从超载与现行路面设计方法的相关点入手，通过分析超载交通路面的破坏现象，研究了超载对路面使用功能的影响及对路面材料设计和结构设计的影响。

结构设计的影响破坏现象 路面使用功能

1. 超载运输现象的概述

改革开放以来，我国公路交通事业得到了蓬勃发展，到2014年底全国公路总里程达到466.4万公里，其中高速公路达到11.2万公里。公路建设带动了沿线经济的发展，同时也使交通运输结构发生了巨大的变化。国民经济的高速发展也带来公路运输中“重载、大流量和渠化交通”的特点。

近年来，厂家生产的设备向着大型化、重型化的方向发展，因公路运输较为快捷、安全与方便，可以做到门到门的运输，这些设备运输多以公路运输为主。汽车制造企业，为了适应这种发展的需要，片面发展大型或重型货物运输车辆，使公路上通行的大、重型车辆不断增加。公路却因建设时间长、投资大、分布广、使用年限长和历史等多种原因，难以与运输车辆大型、重型化的发展同步发展。公路的现有技术状况不能满足大型或重型货物运输的需要。

在我国，超载现象十分普遍。据资料显示，某省对其主要交通干线上的车辆调查结果表明，轴重100kN车辆超载率达76%，不但超载现象十分普遍，而且超载车的比例以及超载量呈逐渐恶化的趋势。

2. 超载对沥青路面使用功能的影响

2.1 超载对沥青路面损伤形式

行车荷载在路面损坏的一个很重要的因素，我们研究超载车辆对道路性能的影响，需了解行车荷载对道路的主要损坏形式，从此可以针对这些病害对超限情况严重的路段的设计、管理、养护、维修、重建提出有针对性的决策。

沥青混凝土路面在行车荷载和自然因素的共同反复作用下会逐渐出现损坏，使其使用性能逐步恶化。由于荷载、环境、材料组成、结构层组合、施工和养护等条件的不同，损坏的形态有多种。有各种裂缝，如横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝和网状裂缝(龟裂)等；也有各种类型的变形，如沉陷、车辙、推移和拥起等；表层有时可能还有各种露骨、松散、剥落、坑槽和泛油等。

2.2 超载对沥青路面使用寿命的影响

我国《公路沥青路面设计规范》（JTJ014--97)中以路表弯沉作为设计控制指标，以整体性结构层层底拉应力作为设计验算指标，并分别以弯沉等效原则和层底拉应力等效原则进行标准轴载的换算。

我国路面设计规范根据等效疲劳损坏原理，采用弹性理论分析荷载应力与轴载的关系，结合公路上实测不同轴载汽车的弯沉对比，疲劳试验以及直槽测试验证，提出了不同轴载车辆对路面的损坏程度不同。对沥青路面结构：

当车辆轴载增加时，标准轴载作用次数不是按比例增加，而是按4.35次方增加。因此，当汽车超载时，其轴重对路面结构的损坏更为严重，其累计标准轴次显著增加。为了分析超载对路面使用寿命的影响，选取了高速公路、一级公路、二级公路、三级公路4种典型沥青路面结构，相应给出对应的一组路面结构使用初期的交通量(考虑20%的空载率)，先由式（2-1）计算各种车型空载、满载、超载30%、超载60%、超载100%时的换算系数;再分别计算4种公路等级不同车型的准轴次和累计准轴次，累计准轴次按式（2-2）计算：

然后假定路面结构按满载时的累计标准轴次进行设计，反算不同超载率时路面结构的使用寿命。

3. 超载与沥青路面设计

3.1 超载对设计指标的影响

（1）设计弯沉

为控制路基路面结构的总变形，防止沉降、车辙等整体强度不足的损坏，采用弯沉设计指标—路基路面结构表面在双圆均布荷载作用下轮隙中心处的实测路表弯沉值sl小于或等于设计弯沉值dl作为确定沥青路面结构厚度的设计标准。即

（2）结构层弯拉应力

依据设计弯沉值进行路面厚度计算时，为防止沥青混凝土或半刚性基层、底基层的疲劳开裂，应对面层及半刚性基层、底基层的拉应力进行验算，以此最终确定路面的设计厚度。采用拉应力指标—沥青混凝土面层或半刚性材料层底面计算点的拉应力。应小于或等于该层材料的容许拉应力，即：

其中：

σsp--沥青混凝土或半刚性材料的劈裂强度(MPa)；Ks--抗拉强度结构系数。

对沥青混凝土面层：

式中：aA--沥青混合料级配的系数，细、中粒沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1。

进行层底拉应力验算时需要进行当量轴次的换算，换算后同样可以得知超载对折算后标准轴数量影响很大，拉应力随着车辆轴载的增大而加大。超载情况下，路面结构层底拉应力随轴重增加几乎呈直线增长。对于强度较弱的路面结构，当作用轴载很大时，重车作用一次就可能导致路面结构的破坏，路面整体强度迅速降低。

对沥青路面，根据重载交通可能出现的最大轴载，以极限强度为标准，验算半刚性材料基层、底基层层底的拉应力，半刚性材料基层、底基层层底的拉应力1σ应小于该结构层材料的抗拉强度(劈裂强度)，即：。当在超载车辆的最大轴载作用下，则拉应力超过该层材料的极限强度，引起整体性结构层开裂，使路面承载能力迅速降低，造成一次性破坏。

3.2 超载对路面结构厚度的影响

沉值为路面整体刚度的设计指标，计算路面结构厚度。设计弯沉值是根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型而确定的。因此，在设计路面厚度时，交通轴载起决定性作用。目前的规范中，采用双轮组单轴轴载100kN为标准轴载。但是，在路面结构设计中，交通量的预测值往往与实际道路通车后的实测交通量有较大误差。另外，超载运输车辆的增加使通车第一年的实际当量作用次数N又大于预测的数值，实际轴载大幅度提高。如果要保证超载车辆不加速路面的疲劳破坏，则需要从设计上增加结构厚度，使超载车辆产生的层底弯拉应力与标准轴载产生的层底弯拉应力相等。

4. 结论

交通流量大幅度增长，重型载货车和超载车辆数量急剧上升，轴载质量显著增大，超载程度增加，超载现象十分普遍，对路面产生不同程度的早期破坏。本文研究了超载对路面使用功能的影响及对路面材料设计和结构设计的影响。

[1]孙立军，张宏超，刘黎萍，胡小弟 沥青路面初期损坏特点和机理分析(重交通沥青路面设计方法之一)[J] 同济大学学报2002年416～421页。

[2]沙庆林 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M] 人民交通出版社2001年。

[3]黄晓明 沥青路面结构设计交通量确定方法研究[M] 人民交通出版社1997年。

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1007-6344（2015）11-0140-01