山区公路纵坡段沥青路面层间应力分析

2011-09-06徐宝龙

黑龙江交通科技 2011年6期

徐宝龙

(承德市公路工程管理处)

目前我国已建成的高速公路大部分为沥青混凝土路面，采用半刚性基层。但这种路面结构在垂直和水平荷载的综合作用下，尤其是在高温、重载的作用下，基层与面层间产生的剪应力较大，当层间的接触状态发生改变时，很容易产生层间滑移破坏和车辙现象。对承德市已建成沥青混凝土路面进行了病害调查，发现公路路面不同程度地出现了路面滑移和车辙等病害，个别路段甚至在竣工当年就发生滑移而不得不挖掉重铺，严重影响了沥青混凝土路面的使用寿命和服务质量。

1 破坏原因分析

滑移和车辙是路面破坏的主要形式，通过调查研究发现，上坡路段中的车辙现象更加严重，车辙深度相对较深，在邻近坡底和坡顶处容易产生滑移现象。这主要是因为在长大纵坡上，车速一般较低，荷载与路面的作用时间相对较长，使沥青混合材料高温流动变形增大。从现场取样可以看出，基层由于是半刚性材料所以不会产生永久变形，沥青层的永久变形(尤其是中下面层)会比较明显和严重。

沥青面层内车辙产生主要是由于沥青混合材料在车辆荷载的反复作用下，荷载应力大大超过了沥青混合材料的稳定度峰值，从而流动变形不断累积增加所致。有研究表明，基层类型是影响车辙的重要因素之一，基层类型的不同对车辙的影响是不同的。通常，基层模量越高，对沥青层间的剪应力影响越不利。

半刚性基层沥青路面的层间剪应力与层间界面条件也有很大关系。沥青层下如果存在较多积水，基层与沥青层间的接触条件为光滑，剪应力会增加，假如出现重载现象，剪应力的大小会成倍增加，更易导致严重的路面破坏。在基层没有排水能力、路面产生反射裂缝的情况下，水渗入路面结构的内部，使得基层与沥青层间的接触条件改变，会使沥青面层容易产生比较严重的永久变形。

此外，重载、超载的影响，路面结构，基层与面层材料的级配，路线纵坡，施工工艺，以及环境(温度)条件等也是产生滑移和车辙现象的主要原因。

2 破坏机理分析

2．1 行车特性分析

通过对山区公路的长大纵坡路段行车特性进行的大量调查发现：

(1)同样的坡长时，就重型车辆在上坡时速度的平均减幅来看，坡度越大减速的幅度越大;下坡时，从平均增幅来看，在坡度为3% ～4%时加速幅度最明显，而超过4%时加速幅度反而有所减小，可能是驾驶员的心理受到过大坡度的影响，适当采取了制动措施。

(2)重型车辆在纵坡上运行时，有明显的变速过程。随着坡度的增大，上坡减速的幅度呈增大趋势;而下坡时运行速度则有明显增加趋势。

(3)同样的坡度下，当坡长达到一定值以后，在上坡时，从坡底至坡中，车辆的减速幅度往往要大于从坡中到坡顶;而当下坡时，从坡顶到坡中的增幅往往要大于从坡中到坡底的增幅。这表明上坡或下坡时，重车一般能在较短的坡长达到相对稳定的运行车速，此后坡长对其运行速度的影响将减小。

2．2 路面层间剪应力分析

(1)分析方法及参数选取。

在计算层间剪应力时，主要采用BISAR计算程序进行应力分析，该计算程序是专门为道路设计而编写的程序，以多层弹性层状体系为理论体系。BISAR计算程序功能较为完善。荷载方面不仅考虑了垂直荷载，也考虑了刹车制动时的水平力，同时，它还可以计算机构层中的任意一点的应力应变。

路面结构根据公路沥青混凝土路面设计规范及当地的实际路面结构，按表1所示的路面结构进行研究，通过坡度和车辆载重的变化来考察纵坡坡度对最大层间剪应力的影响程度。

表1 路面结构参数

路面设计仍然采用标准轴载BZZ-100，即双轮组单轴载为100kN的标准轴载。同时，超载现象在我国比较普遍也相当严重，有关调查显示，我国的大型汽车、客车普遍超载50%以上，有些拉煤车更加严重，超载率达到1倍以上。考虑不同的层间结合状态下的超载对于路面结构的应力应变影响，超载重量取为180kN，即超载80%。此外，研究的一方面内容是考虑纵坡条件下荷载对路面结构的影响分析，故此处同时也要考虑在一定坡度条件下，即产生部分水平力条件下层间接触状态对路面结构受力的分析，坡度取为5%。(2)计算结果及分析。

表2 平坡状态下最大层间剪应力

表3 坡度为5%状态下最大层间剪应力

由表2和表3可以得出以下规律。

①纵坡条件下路基路面各层所受剪应力比水平条件下要略小但很不明显。

②超载使得任何状态下的沥青层内任意处的剪应力都大幅度增加，随着界面条件由连续状态变为半连续状态进而为完全光滑状态的恶化，剪应力的值也随之加大，更容易引起路面的破坏。

③层间接触状态由连续状态变为半连续状态进而变为滑动状态时，剪应力的变化趋势为路面结构层的上层和底层的剪应力有所增加，在上面层内的剪应力的增加，会使得路面在荷载的重复作用下的抗剪能力减弱，使得沥青层产生失稳破坏。而在基层范围内，基层的剪应力也有所增加，长期荷载作用下基层也会引起抗剪不足，进而产生破坏。