行车冲切道路沥青面层水毁形成机理及修复关键技术

杨义辉 唐晓松 张 宁

(重庆公共运输职业学院，重庆 402247)

0 引言

沥青路面是城镇道路最主要的路面类型，由于直接承受行车荷载以及温度、湿度变化，冻融，雨水冲刷，从而引起不同形式的损坏，而水毁是最主要的病害[1]之一。水毁易诱发路面网裂、拥包、坑槽，路基翻浆、沉陷等病害，严重影响道路通行能力和行车安全。因此，本文研究沥青路面水毁的形成机理，并分析水毁路面修复的措施与办法。

1 水毁影响因素

1.1 动荷载作用

当车轮通过路面时，对路面施加的作用为半正弦波荷载[2]，路面承受荷载的时间极短，作用具有瞬时性。此作用造成行车对路面面层的高频反复冲切。半正弦波荷载公式如下：

式中：

p——均布荷载；

pmax——轮胎接地压强；

T——荷载作用时间；

t——分析时刻；

R——标准轴载下当量圆半径，一般取106mm；

V——车辆行驶速度。

1.2 孔隙水压力

行车在积水工况下，轮胎与路面之间产生挤压，存在于路面表面的水膜由相对静止变为运动，从而产生动水压力[3]，动水压力包括路表面冲刷水压力和孔隙水压力。沥青路面在竖直方向上的任意截面Sy，如图1所示，则有：

图1 沥青路面在竖直方向的任意截面Sy

式中：

p——沥青路面作用荷载；

p0——无水孔隙内气体压强；

uw——沥青混合料的孔隙水压力；

σ'——沥青混合料固体承载的有效应力；

A(y)——Sy截面上，荷载作用下，截面总面积；

Aa(y)——Sy截面上，荷载作用下，无水孔隙所占的截面面积；

Aw(y)——Sy截面上，荷载作用下，孔隙水所占的截面面积；

As(y)——Sy截面上，荷载作用下，沥青-集料骨架所占的截面面积。

在荷载范围内对dy积分，得到冲切荷载作用下饱和沥青路面的孔隙水压力[4]为：

1.3 滑移裂纹

基于Mohr-Coulomb准则，车辆在刹车、转弯或加速过程中所产生的冲切、碾压作用下[5]，沥青混合料所受最大主应力为σ1和最大剪应力为τmax，其方程[6]如下：

式中：σx、σy、τx、τy——分别为刹车时路表面单元体在x、y方向所受的正应力和剪应力。

车辆在刹车时，路面受到的水平力τy最大；当τymax＞τ时，沥青面层将产生拉裂破坏，形成冲切荷载作用下的水平向滑移裂纹[7]。

2 数值分析

我国沥青路面设计采用双轮组单轴轴重100kN轴载[8]，交通荷载划分为轻、中、重、特重、极重交通五个等级。然而，随着经济社会的高速发展，行车数量增多，设计时的交通荷载等级难以满足人们日益增长的交通出行需求，超载已经成为一种普遍的现象。为研究重载作用对路面所产生的孔隙水压力的影响，借鉴相关文献实测轮胎平均接地压力和混合料参数进行数值计算[9-10]，参数如表1所示。数值分析结果如图2、图3所示。

表1 重载作用及路面材料参数表

图2 轴载100kN路面孔隙水压力

图3 轴载150kN路面孔隙水压力

由图2可知，在轴载相同的情况下，孔隙水压力随轮胎平均接地压力的增大而增大；由图3可知，随着轴载从100kN增加至150kN，孔隙水压力与轮胎平均接地压力的线性关系图斜率由1.4099增加至1.4619，表明孔隙水压力随轴载增大而增大。滑移裂纹形成后，由于路面冲刷水压力以及存在于滑移裂纹中的孔隙水压力的增大，将加剧动水压力对滑移裂纹的作用，使得沥青路面面层结合薄弱处所受弯拉应力不能完全有效地传递到基层，导致滑移裂纹在应力作用下不断扩展。

行车过程中发生的刹车、转弯或加速等高频冲切作用下，动水压力FD耦合汽车重力G，汽车对道路表面的滑动摩擦力F，基层材料的温度应力等一系列作用，使得滑移裂纹上方的面层受到剪切，进而形成竖向裂纹。滑移裂纹与竖向裂纹使沥青与集料之间发生位移，沥青膜从集料表面剥离，沥青混合料粘结力部分丧失，整体性被破坏。如此反复作用，从而形成水毁，路面开裂、形成拥包、坑槽积水，水毁形成机理如图4所示。

图4 面层水毁形成机理图解

3 水毁修复关键技术

对于面层水毁问题，一方面可以科学实施裂纹修复技术，优化防排水系统，还可以加强层间结构设计和提高交通组织管理水平。

3.1 裂纹修复

针对沥青路面养护维修，国内外普遍采用新材料、新工艺对裂纹进行封缝处理。当裂纹＜10mm时，可直接贴封缝带，施工工艺流程为：交通导行设施布置→路面裂纹缝边清理→裁取封缝带→喷枪加热封缝带→封缝带紧沿裂纹粘贴→泛油贴合→初凝冷却→封缝带表面布洒细砂→完全冷却→开放交通。当裂纹为10～20mm时，用细砂填实后再贴封缝带；当裂纹＞20mm时，可灌缝至表层后再贴封缝带。

3.2 防排水系统优化

排出引起路面孔隙堵塞的杂物，如行车冲切作用下轮胎与路面之间磨耗所产生的橡胶、剥落的沥青；雨水冲刷带来的尘土、落叶；行车人丢弃的食物、用品等，通过高压水喷射打碎异物，抽吸过滤等技术，可有效降低路面内部积水，从而降低孔隙水压力。从混合料组成设计出发，可设置双层排水路面，即顶层设置较薄的细粒多孔材料，底层设置较粗的骨架多孔材料，使混合料形成连通的排水孔隙，从而达到降低路面水毁的目的。

3.3 加强层间结构设计

沥青面层结合薄弱处的剪切破坏是粘结力丧失的主要原因，减少行车冲切荷载作用下滑移裂纹的形成是修复路面水毁的根本。因此，需要加强沥青路面结构层之间的粘结程度，提高摩擦力。依据粘附理论，可采用掺入抗剥离剂的方法来增加沥青与集料之间的粘附性，改善摩擦系数；为缓解裂缝四周应力集中的问题，可采用热熔橡胶沥青碎石封层技术；采用高柔性抗疲劳沥青混凝土材料，缓解开裂和破坏。

3.4 交通组织与管理

根据轴载与路面孔隙水压力之间的关系，在修复水毁路面时，加强交通组织管理十分必要。如积水条件下的限重管理，避免重载车辆进入积水区域。积水路段的交通管控，诱导分流与疏散，交通管理部门采取车辆型号禁行、车辆号牌限行、交通量高峰时段临时绕行等措施。合理布设交通安全设施，减少行车过程中急行刹车、小半径转弯对积水路面的冲切作用，降低路面水毁发生的风险。

4 结束语

本文分析了引起沥青路面水毁的影响因素，研究行车冲切作用下，路面滑移裂纹形成的原因和沥青面层水毁形成机理。结论如下：

（1）通过数值分析，得出不同轴载条件下孔隙水压力发展趋势，为研究水毁机理提供数据和理论支撑。

（2）动水压力中的孔隙水压力增大，导致面层结合薄弱处所形成的潜在滑移不断发展，耦合一系列其他力共同作用，从而引起面层水毁。

（3）对于面层水毁问题，一方面可以科学实施裂纹修复技术，优化防排水系统，还可以加强层间结构设计和提高交通组织管理水平。