浅析沥青混凝土路面在超载情况下的受力问题

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摘要：沥青混凝土作为现阶段公路施工的主要原料，结实、抗辗压的特性使其在各级公路建设施工中都变现不俗。但是随着现代经济节奏的加快，公路的超载能力也越来越受到考验。本文通过对超载作用下沥青混凝土路面的受力特征进行分析，得出了路面在超载能力下导致路面损坏的主要原因，通过这些原因的归纳，希望对道路施工单位的工艺技术改进提供帮助。

关键词：沥青路面；超载； 原因 ；分析

Abstract: This article analysis of the characteristics the under overload asphalt concrete pavement stress, point out that the pavement under overload capacity causing the pavement damage, summed up hoping to road construction unit technology improvements.

Key words: asphalt pavement; overload; analysis of causes;

中图分类号：TU528.42文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02

１超载作用下沥青混凝土路面的受力特征

当沥青混凝土路面结构所承受的车辆轴载增加时，路面结构内部的应力分布必然发生变化，结构的压应力、拉应力和剪应力也随着增加。本文计算某高速公路的沥青混凝土路面在不同超载作用下的应力和变形，分析超载对沥青混凝土路面的影响。

１．１计算模型

本文以某高速公路分布最多的超载车型（标准轴载车辆）为例进行计算。其后轴为单轴双轮。其计算图式如图１所示，路面结构参数如表１所示。

轮胎与路面的接触压力不是一个定量，它随轮重和充气压力而变。在路面设计时，通常采用轮印面积内的平均接触压力。Ｉｋｅｄａ依据轮胎接触压力的测定试验结果，提出了轮印面积内（包含胎面花纹间沟槽面积）的平均接触压力与轮重和充气压力间的经验关系式。

图１沥青混凝土路面计算图式

表１沥青混凝土路面结构组成和结构参数

ｐ＝０．００４２Ｐ＋０．２９ｐｉ＋０．１４４８ （１）

式中：ｐ为轮胎接触压力，ＭＰａ；Ｐ为双轮轮胎荷重，ｋＮ；ｐｉ为轮胎充气压力，ｋＮ。

对不同的双轮轮胎荷重，分别选取不同的充气压力，并按式（１）计算相应的接触压力。轮印采用圆形，相应的轮印半径可按轮重和接触压力计算确定。各组数值列于表２。

１．２计算结果与分析

１．２．１压应力

某高速公路沥青混凝土路面为半刚性路面。由于半刚性材料层具有较强的整体性或板体性，行车荷载作用下产生的压应力对半刚性基层几乎没有破坏作用，忽略压应力对半刚性材料层产生的压缩应变，计算压应力时主要考虑沥青混凝土面层的压应力所产生的压缩应变。

图２为不同轴载和不同轮胎压力作用时，面层内产生的压应力随深度的变化情况。

图２沥青混凝土面层压应力随深度变化曲线

从图２中可以看出如下现象。

（１）轴载从１００ｋＮ增加到３６０ｋＮ，压应力在沥青混凝土面层中的分布曲线基本平行，面层中不同深度的压应力增加值几乎相等。

（２）面层上部０～１０ｃｍ（上面层和中面层）范围内的压应力最大，而且应力值变化最小，特别是０～３ｃｍ（上面层）范围内的压应力基本不变；１０ｃｍ以下（下面层）压应力减小得较快，面层底面的压应力降到０．２４～０．６９ＭＰａ，为面层表面处压应力的４２％～５６％。面层底面的压应力也就是基层顶面的压应力，其通过半刚性材料基层的底基层到达土基顶面，已降低到一个很小的值。

（３）在１００ｋＮ轴载下，面层上部０～１０ｃｍ（上面层和中面层）的平均压应力为０．５４ＭＰａ。而在３６０ｋＮ轴载下，平均压应力为１．１８ＭＰａ，比标准轴载（１００ｋＮ）作用时增加了１１９．６％。

（４）随着轴载增大，沥青混凝土面层上、中、下各结构层中的平均压应力基本上按直线规律增长（如图３所示），当轴载从１００ｋＮ增长到３６０ｋＮ时，各结构层的压应力增长率为１１３．９％～１６５．９％。

图３沥青混凝土路面各结构层压应力随轴载变化曲线

上述分析结论如下。

（１）由于沥青混凝土上面层压应力最大，所以最容易产生压密形变。上、中、下３层沥青混凝土在压实度均相同的情况下，上面层产生的压密形变最大，下面层产生的压密形变最小。

（２）超载车辆（特别是严重超载的车辆）将显著加快压密形变的产生，而且将使产生较大压密形变的深度增加。从图２可以看出，当轴载增加到２００ｋＮ时，沥青混凝土下面层的压应力已经大于１００ｋＮ时上面层的压应力，因此，超载车辆将显著增大沥青混凝土路面的压密形变。

１．２．２拉应力

半刚性沥青混凝土路面在汽车荷载作用下，基层和底基层将产生拉应力。表３即为不同轴载作用下，基层底面和底基层底面拉应力的计算结果。从表３中可以看出，层底拉应力随着轴载的增大而增大。当轴载从１００ｋＮ增长到３６０ｋＮ时，基层底面拉应力增长了２．０３倍，其拉应力为３２２．６４ｋＰａ，虽然低于基层材料的抗拉强度０．７ＭＰａ，但在车辆荷载的循环作用下，基层将很有可能发生疲劳破坏。底基层底面拉应力也增长了２．３４倍。

表３路面结构层拉应力

１．２．３剪应力

在汽车荷载作用下，路面层中将产生剪切应力，路面的最大剪应力出现在车轮荷载作用面边缘处。图４为沥青混凝土面层中剪应力随轴载变化曲线。从图４中可知，从路表面开始往下，剪应力值增长很快，到某一深度处达到峰值，然后剪应力值开始逐渐减小。峰值的深度位置随轴载增大而加深，但变化不大，在１００ｋＮ轴载下剪应力在深７ｃｍ处达到峰值６６．９５ｋＰａ，在３６０ｋＮ轴载下峰值１３４ｋＰａ的位置为深９ｃｍ，剪应力的峰值基本上都发生在中面层。同时，最大剪应力随着轴载的增加而呈线性增长（图５），轴载达到３６０ｋＮ时在面层中产生的最大剪应力是标准轴载（１００ｋＮ）时的２倍。由于沥青混凝土面层内的剪应力是使沥青混凝土面层产生严重剪切形变及严重车辙的重要外因，所以，行车轴载愈大，剪应力愈大，剪切形变及车辙愈严重。

图４沥青混凝土面层剪应力随轴载变化曲线

图５最大剪应力随轴载变化曲线

１．２．４路面弯沉

同样，当轴重增加时，路表轮隙弯沉随之增加。表４为轴重由１００ｋＮ增加到３６０ｋＮ时，根据层状体系理论计算出的路表轮隙弯沉变化情况。

由表４可见，随着轴重的增加，弯沉值增长迅速，轴重由１００ｋＮ增加到３６０ｋＮ时，路表轮隙弯沉增加了２３７．７％，增幅很大，说明路表弯沉对车辆轴载变化较为敏感。轮重略增加一点，即需大幅增加路面结构层的厚度与整体刚度，否则极易引起路面的损坏。

１．３沥青混凝土路面疲劳寿命分析

从前面的分析可知，随着轮重的增加，整体性材料结构层层底拉应力随之增加，继而将影响路面结构的承载次数。表３为不同轴载作用下基层和底基层层底拉应力值。

根据《公路沥青路面设计规范》（ＪＴＪ０１４－９７），水泥稳定粒料类基层、底基层的疲劳方程如下：

表４不同轴重下的路表弯沉

ｌｇＮｆ＝１．９２１－１４．３４４ｌｇ（σ／Ｓ） （２）

式中：Ｎｆ为疲劳寿命；σ为弯拉应力；Ｓ为材料抗拉强度。

某高速公路沥青混凝土路面的基层为６％水泥稳定碎石，抗弯拉强度为０．７ＭＰａ；底基层材料为４％水泥稳定粒料，抗弯拉强度为０．３５ＭＰａ。所以，在表３所示应力水平下，基层和底基层的疲劳寿命的计算结果列在表５中。

表５不同轴载作用下基层、底基层疲劳寿命

由表５可见，当轴重增加时，基层的疲劳寿命急剧下降，轴重超重２５％（１２５ｋＮ）时，基层的疲劳寿命是标准轴载（１００ｋＮ）时的１／１６；超重５０％时，疲劳寿命下降到近１／２００；而当轴重为３６０ｋＮ时，基层的疲劳寿命下降了近１×１０７倍。这就表明增加轮重极易引起路面疲劳损坏，基层底面拉应力的少量变化对疲劳破坏次数影响很大。同样，路面结构在设计的标准车作用下能正常使用，而在超重车数量较多时，就极容易破坏。

２结语

采用弹性层状体系对某高速公路的典型沥青混凝土路面进行计算，分析在不同轴载大小、不同轴型条件下沥青混凝土路面的应力和变形特性，并根据应力计算结果，对路面进行了疲劳寿命分析。通过研究，主要得到了以下结论。

（１）沥青混凝土上面层压应力最大，所以最容易产生压密形变，超载车辆（特别是严重超载的车辆）将显著加快压密形变的产生，而且将使产生较大压密形变的深度增加。

（２）基层和底基层的层底拉应力随着轴载的增大而增大，但都低于基层材料的抗拉强度。

（３）从路表面开始往下，剪应力值增长很快，到某一深度处达到峰值，然后剪应力值开始逐渐减小，剪应力的峰值基本上都发生在中面层；同时，最大剪应力随着轴载的增加而呈线性增长。

（４）随着轴重的增加，弯沉值增长迅速，路表弯沉对车辆轴载变化较为敏感。

（５）当轴重增加时，基层的疲劳寿命急剧下降，轴重超重２５％（１２５ｋＮ）时，基层的疲劳寿命是标准轴载（１００ｋＮ）时的１／１６；超重５０％时，疲劳寿命下降到近１／２００；而当轴重为３６０ｋＮ时，基层的疲劳寿命下降了近１×１０７倍。这就表明增加轮重极易引起路面疲劳损坏，基层底面拉应力的少量变化对疲劳破坏次数影响很大。

公路运输“限超”对延长道路的使用寿命意义重大，路面设计时也应适当考虑超载车辆的影响。在路面结构材料设计过程中，面层、基层或上基层宜选用骨架密实型混合料，以提高材料强度。

参考文献：

［１］ＪＴＪ０７３．２－２００１公路沥青路面养护技术规范［Ｓ］．

［２］ＪＴＪ０１４－９７公路沥青路面设计规范［Ｓ］

［３］杨士炯，等．重载沥青路面设计规范研究报告［Ｒ］．交通部公路科学研究所，２００２．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。