淺析運(yùn)煤公路瀝青路面的設(shè)計(jì)

潘立志

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430064)

煤炭一直是支持我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性能源，近年來(lái)其產(chǎn)量增加很快，如新近崛起的內(nèi)蒙古煤炭區(qū)。但由于鐵路運(yùn)輸能力有限，大部分的煤炭仍需要通過(guò)普通公路，包括高速公路運(yùn)輸。行走在京藏高速內(nèi)蒙古段的車(chē)輛，很容易發(fā)現(xiàn)這里的路況較其它地方差。究其原因，就是因?yàn)檫@條公路負(fù)擔(dān)了很多運(yùn)輸煤炭的大型貨運(yùn)車(chē)輛的通行，從而給公路瀝青路面造成嚴(yán)重的損壞。

我國(guó)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范以單軸100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，即BZZ－100，單軸軸載小于或等于130 kN 或雙軸軸載小于或等于220 kN 的車(chē)輛軸載均可換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載，以設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這里的重載交通是指單軸軸載大于130 kN 或雙軸軸載大于220 kN 的軸載。經(jīng)調(diào)查，一些礦區(qū)的運(yùn)煤公路，后軸從限定的100 kN 增加到180 kN 以上，輪胎充氣壓力從額定0.7 MPa 增加到0.9 MPa 以上，規(guī)范規(guī)定的軸載換算公式已不再適用。

通過(guò)對(duì)早期損壞現(xiàn)象的綜合研究，筆者發(fā)現(xiàn)運(yùn)煤車(chē)輛對(duì)瀝青路面造成的損壞主要集中于疲勞開(kāi)裂和車(chē)轍損壞，其主要原因是瀝青面層的抗剪能力不足所致。文章主要從這兩方面系統(tǒng)地總結(jié)了運(yùn)煤車(chē)輛對(duì)瀝青路面的影響，并探討了在瀝青路面設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的措施。

1 瀝青路面受運(yùn)煤車(chē)輛的影響

1.1 運(yùn)煤交通參數(shù)分析

我國(guó)現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中給出的軸載換算公式如式(1)所示。在彎沉等效時(shí)，式中n=4.35，鹽酸半剛性基層層底拉應(yīng)力時(shí)n=8.0。但這僅適用于單軸軸載小于或等于130 kN，雙軸軸載小于或等于220 kN 的交通條件。在重載情況下，隨著軸載的增加，瀝青路面表現(xiàn)出明顯的非線性，n 的取值將遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。

式中:P為軸重;N為軸載左右次數(shù);n為系數(shù)。

文獻(xiàn)［1］通過(guò)分析不同路面結(jié)構(gòu)下軸載換算系數(shù)與軸載的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，軸載換算系數(shù)主要與軸載有關(guān)，因而忽略了不同路面結(jié)構(gòu)對(duì)軸載換算系數(shù)所造成的誤差。利用回歸分析得到了基于彎沉、彎拉以及車(chē)轍等效的軸載換算公式中n 的取值范圍。考慮超載，彎沉等效時(shí)n=5.0～5.8，線性分析結(jié)果n=5.0，非線性分析結(jié)果n=5.5;彎拉等效時(shí)，一般半剛性基層路面n≈8.0，考慮超載時(shí)n≈9.0;車(chē)轍等效時(shí)，n=4.0～4.5。此結(jié)果與國(guó)內(nèi)外其它對(duì)軸載換算關(guān)系的研究成果基本一致。

由此可知，n 的取值遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，這將使得在較短的時(shí)間內(nèi)便達(dá)到路徑設(shè)計(jì)的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次，對(duì)路面的使用壽命造成極大影響。文獻(xiàn)［2］對(duì)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)，計(jì)算了在超載情況下達(dá)到路面設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次的使用壽命，得到如下結(jié)論:超載100%時(shí)，高速公路的路面結(jié)構(gòu)只能使用1.40年，一級(jí)公路的路面結(jié)構(gòu)只能使用1.47年，二級(jí)公路的路面結(jié)構(gòu)只能使用1.20年，三級(jí)公路的路面結(jié)構(gòu)只能使用0.70年。因此，必須采取相應(yīng)的措施，延長(zhǎng)重載作用條件下瀝青路面的使用壽命。

1.2 重載作用對(duì)路面疲勞特性的影響

疲勞開(kāi)裂是重載作用下，瀝青路面最常見(jiàn)的破壞形式之一。通過(guò)對(duì)我國(guó)重載瀝青面層疲勞裂縫調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，瀝青面層縱向裂縫并不是由面層底部開(kāi)始的，而是從面層表面向下發(fā)展。由此說(shuō)明，重載作用下瀝青面層疲勞破壞并不一定是由層底彎拉應(yīng)力引起，而是由于表面荷載應(yīng)力造成的，特別是剪應(yīng)力。理論分析表明，雙輪靜態(tài)時(shí)，當(dāng)量圓四周均會(huì)出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力;車(chē)輛行進(jìn)時(shí)，雙輪邊緣以外某一縱向區(qū)域內(nèi)形成高剪切應(yīng)力的疲勞作用，因而產(chǎn)生縱向裂縫。關(guān)于網(wǎng)狀裂縫，由于輪載作用時(shí)并不完全帶有方向性，很大程度上都是隨機(jī)的，高剪應(yīng)力區(qū)為雙輪作用區(qū)域，并非作用線，因此網(wǎng)裂自然形成。

瀝青性能，礦料級(jí)配，瀝青混合料的性質(zhì)以及道路的結(jié)構(gòu)形式對(duì)疲勞耐久性都有一定的影響。

1.3 重載作用對(duì)車(chē)轍特性的影響

隨著礦區(qū)煤炭產(chǎn)量的日益增長(zhǎng)和運(yùn)輸向重型化發(fā)展，尤其是高等級(jí)公路渠化交通的運(yùn)行，瀝青路面永久變形已成為突出的問(wèn)題，車(chē)轍成為重載交通作用下瀝青路面主要的破壞形式之一。車(chē)轍的形成機(jī)理主要分為兩種:壓密變形和剪切變形。前者通常出現(xiàn)在交通初始階段，由于路面各結(jié)構(gòu)層密實(shí)度的進(jìn)一步增加所形成;后者主要是由于瀝青混合料上層過(guò)大的剪應(yīng)力而產(chǎn)生塑性流動(dòng)所引起的，后者是引起車(chē)轍損壞的主要原因。

重載作用下，瀝青路面設(shè)計(jì)驗(yàn)算車(chē)轍深度對(duì)防止路面使用初期造成車(chē)轍損壞是十分必要的。當(dāng)前，車(chē)轍深度的預(yù)估模型很多，在國(guó)際上最為有名的當(dāng)推shell 方法，工程實(shí)踐中可根據(jù)實(shí)際情況選用。Shell 方法是利用彈性層狀體系理論計(jì)算路面內(nèi)的應(yīng)力分布，并根據(jù)路面材料永久變形同應(yīng)力之間的關(guān)系，來(lái)求得瀝青層的永久變形，其預(yù)估結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

1.4 路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力分析

面層是剪應(yīng)力作用的主要集中區(qū)域，且剪應(yīng)力隨著軸載的增加而增大。垂直荷載和水平荷載的綜合作用是路面結(jié)構(gòu)受力的最不利狀態(tài)，分析時(shí)將單輪荷載看作是作用水平力和垂直力的一個(gè)圓形區(qū)域。胎壓為0.7 MPa，荷載圓半徑為10.75 cm，水平荷載系數(shù)，即水平荷載與垂直荷載的比值分別取0.1、0.3、0.5，取平行于水平荷載作用方向的直徑上荷載圓邊緣點(diǎn)下的直線上的點(diǎn)為計(jì)算位置，計(jì)算從路面表面到一定深度范圍內(nèi)剪應(yīng)力的變化情況如圖1 所示。

圖1 剪應(yīng)力隨深度變化

由圖1可知，瀝青面層的最大剪應(yīng)力產(chǎn)生在瀝青面層中部，但與路表輪載邊緣處相比差別不大?？扇÷繁磔嗇d邊緣處的剪應(yīng)力作為控制坐標(biāo)，計(jì)算在豎向即水平荷載綜合作用下的剪應(yīng)力，使其小于瀝青混合料的容許剪應(yīng)力。具體可參考城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范。瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度建議采用三軸試驗(yàn)方法來(lái)確定，以模擬路面結(jié)構(gòu)中瀝青混合料的設(shè)計(jì)受力狀態(tài)。

2 重載作用下瀝青路面設(shè)計(jì)探討

重載作用下瀝青路面設(shè)計(jì)，首先是合理的材料設(shè)計(jì)，其次是合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但當(dāng)前，普遍存在將路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)割裂開(kāi)來(lái)的現(xiàn)象，缺乏結(jié)構(gòu)、材料一體化的設(shè)計(jì)思想。

2.1 材料設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析，瀝青路面在重載作用下，在車(chē)輛輪載附近產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，這是造成瀝青面層疲勞開(kāi)裂和車(chē)轍損壞的主要原因。而瀝青混合料的設(shè)計(jì)和性能分析時(shí)，并未考慮混合料的抗剪強(qiáng)度。因此，有必要對(duì)瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方法。

現(xiàn)行的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法是馬歇爾法，是一種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)穩(wěn)定度、流值、密度及孔隙率等指標(biāo)提出適當(dāng)?shù)呐浜媳?。但它不能恰?dāng)?shù)卦u(píng)估瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，不能反映路面材料的實(shí)際受力狀態(tài)，所以不適應(yīng)重載交通路面的要求。因此有關(guān)專(zhuān)家建議采用三軸試驗(yàn)方法按抗剪強(qiáng)度進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

我國(guó)的高等級(jí)公路大部分為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)在重載車(chē)輛的作用下，早期損壞現(xiàn)象十分嚴(yán)重。全厚式路面對(duì)重載車(chē)輛的適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其適合于目前運(yùn)煤公路上超載較多的情況。全厚式路面在英、美等國(guó)家已經(jīng)取得了成功，其使用壽命可達(dá)到50年之久。因此，針對(duì)我國(guó)重載車(chē)輛較嚴(yán)重的現(xiàn)狀，引入這種路面結(jié)構(gòu)有其合理性和必要性。

全厚式路面的設(shè)計(jì)理念代表了國(guó)外高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)，具有一定的合理性。因?yàn)樗目偤穸缺瘸Ｒ?guī)基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)更薄，同時(shí)可以減少疲勞裂縫產(chǎn)生的可能性，并使路面可能發(fā)生的破壞限制在路面結(jié)構(gòu)的上部。這樣，當(dāng)路面表層的破壞程度達(dá)到一定臨界水平時(shí)，只需更換表面層，不需要改變路面標(biāo)高。這是一種最經(jīng)濟(jì)的路面維修方式。

全厚式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是按功能合理設(shè)置路面結(jié)構(gòu)層，要求路面結(jié)構(gòu)的面層具有抗車(chē)轍、不透水和抗磨耗的能力，中間層要具有良好的耐久性，基層要具有抗疲勞和耐久的能力。但國(guó)內(nèi)尚未修筑過(guò)此類(lèi)路面，作為重載交通條件下的路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型，尚需做進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著煤炭需求的增加，各等級(jí)公路所負(fù)荷的煤炭運(yùn)輸車(chē)輛也日益增多，作為最常見(jiàn)的一種路面結(jié)構(gòu)形式，瀝青路面受重載作用的影響日益引起人們的重視。本文對(duì)重載交通條件下，瀝青路面的破壞機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)和分析，并對(duì)路面材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一些建議，望對(duì)同行們的探討和實(shí)際工作有所啟發(fā)和裨益。

［1］劉朝暉，秦仁杰，李宇峙.汽車(chē)超載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(2)

［2］黃景成.重載路面軸載換算方法研究［M］.北京:人民交通出版社，2006

［3］王選倉(cāng)，譚權(quán).重載瀝青路面研究［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(4)