超载车辆对沥青路面损坏原因研究

论文导读：每个标段包括路基、路面和桥涵工程。经现场对超载车辆调查。
关键词：超载车辆,路面,损坏分析对策
青海省盘大公路全长88.517km，施工标分为A、B、C三个标段，每个标段包括路基、路面和桥涵工程，负责监理的是我们内蒙古交通建设监理咨询公司（本人在该项目担任总监职务），于2004年3月开始建设，其中A和C标段于2005年建成通车（B标段因地理、气候、地质原因拖后一年完成），使用一年后，发现部分路面出现纵向和横向推移、凹陷、车辙和隆起现象，尤其在默勒煤矿出口往外K76+500～K83+500段，出现较为严重的车辙，并在沥青路面上行线的右侧硬路肩处出现纵向条状隆起带，随后，我们对该段进行了全面的检查、钻芯取样观察、弯沉测定、理论分析计算和修补方法的探索，认为造成该段路面局部推移、凹陷、车辙和隆起的原因主要来源于运输煤炭的车辆过量超载（载重5t车装运10t～15t、载重10t车装运20t～30t、载重20t车装运40t～60t），使沥青路面所承受的剪应力过大而破坏。
1、青海省盘大公路路面设计情况：
青海省盘大公路路面设计交通量为CA-10B（解放牌）2000辆/昼夜，设计年限为12年，设计荷载为汽车-超-20级，挂-120级，公路自然区划为Ⅶ1区，路基干湿类型为中湿，路基土质粉质土、碎石土。设计年限内一个车道上的累计当量轴次为1001594轴次，交通量增长率为10％，路面设计容许弯沉值Lr＝0．454mm。路面设计以交通部JTJ014—86《公路柔性路面设计规范》的有关规定为依据。沥青路面结构从上到下为：5cm厚中粒式沥青砼AC－16Ⅰ型（后改为细粒式沥青砼AC－13Ⅰ型），20cm厚水泥稳定砂砾基层，45cm厚砂砾垫层。
2、路况调查结果：
通车一年来，全段路况基本保持完好，裂缝很少。而部分路段出现横向裂缝、纵向裂缝、局部出现车辙、凹陷和隆起。病害的主要特征：横向裂缝分布间隔基本均匀，主要是反射裂纹；纵向裂缝主要集中在行车道，以及右侧附近，主要是路基不均匀沉降引起的；局部路段有较明显车辙、凹陷和隆起分布在上行线默勒煤矿出口往外K76+500～K83+500段，该段车辙、凹陷和隆起是由于行车荷载作用引起的，而下行线路况完好。发表论文。
从路况调查表明：因上行线和下行线车辆载重的差异，行车一年后的路况不同，病害状况也不同。从而同一断面或同一地段下行线没有车辙、凹陷和隆起的情况分析，可以排除因路基不均匀沉陷，半刚性基层裂缝往上反射的可能性。
3、钻芯取样试验结果：
对出现病害的路段进行钻芯取样观察和芯样试验。对上行线车辙和凹陷部位的钻芯试样取了4个，路面完好部位的钻芯样取了4个，开裂处钻芯样2个，并同时对严重凹陷的挖孔进行了观察。
3.1对芯样和挖孔观测
（1）车辙和凹陷的部位钻取的芯样较薄，低于设计厚度，面层和基层间粘接不好，与基层易分开；半
刚性基层良好；
（2）路面完好部位钻孔可以看出半刚性基层和面层板结良好，芯样厚度符合设计要求；
3.2芯样实测孔隙率及抽提筛分试验
（1）面层混合料在车辙和凹陷的部位钻孔试件孔隙率明显比路面完好部位的大；路面完好部位但有明显追密趋势；
（2）抽提筛分试验表明，混合料级配均未发现任何异常，而其中一组油石比较低，是由于面层开裂，地表水渗透、冲刷及车载冲击作用，使部分集料表面的沥青被水剥落，唧泥时带走，使得混合料油石比偏底。在完好路面钻芯样试验，证实油石比正常，未发现明显异常。发表论文。
从上述取芯试验调查分析，面层混合料配合比设计、施工配合比控制及现场压实情况基本正常，可排除施工质量造成路面损坏的疑问。
4标准轴载计算及分析：
4.1交通量调查和分析
根据车辆流量观察分析，2006年7月和8月二个月通过该路段日平均交通量一类车（载重5t）350辆次；二类车（载重10t）300辆次；三类车（载重20t）250辆次；经现场对超载车辆调查，超载的主要是一类车，且以东风牌超载居多，核定载重5t，一般都载重10 t至15 t。夜间超载比率高，上行线占重载车80％，下行线占重载车20％。
本文分析时，设定一类车按东风牌EQ140标准载重换算，二类车按黄河JN－150标准载重换算，三类车按黄河JN360标准载重换算。
4.2轴载当量作用次数换算
按现行《公路沥青路面设计规范》推荐的各级轴载换算成标准轴载的公式，将各类车辆轴载换算为标准轴载当量作用次数。25kN轴载以下不计，经换算各类车型的当量作用次数如下表：
 

累计当量轴次计算：
根据设计文件，本公路沥青路面设计年限为12年，设计年限内交通量年平均增长率为10％，两车道的车道系数是0.6-07取0.65。
Ne＝[（1+r） t -1]/r×365×Nη＝[（1+0.1） 12 -1]/0.1×365×1175.29×0.65＝5962741（次）
按以上方法计算，换算为BZZ－100标准日平均当量轴次5962741次，是原设计日平均当量轴次的5.95倍；由此可见，原设计对交通量和车辆超载因素考虑不足，路面出现早期破坏则在所难免。
5、路面设计容许弯沉值、层底容许拉应力、剪切应力分析
5.1路面设计弯沉值：原设计容许弯沉值45.4(0.01mm)；现考虑车辆超载因素后，计算容许弯沉值为：
L d ＝600Ne -0.2 A c A s A b =600×5962741 -0.2 ×1.2×1×1=31.8(0.01mm)（A c -公路等级系数，三级公路取1.2；A s －面层类型系数，沥青砼面层取1；A b －路面结构层类型系数，半刚性基层沥青路面取1）；这与原设计相差较大，也就是说原设计行车道的路面结构，在过量超载车辆的作用下，不能满足考虑超载因素之后的容许弯沉值，应采取措施恢复其整体强度。
5.2路面层底容许拉应力计算
原设计面层材料极限劈裂强度为1MPa，容许沥青面层层底拉应力为0.64 MPa，沥青砼面层抗拉强度结构系数为Ks=0.09Ne 0.22 /A c =0.09×5962741 0.22 /1.2=2.32；所以路面结构层材料的层底容许拉应力为δ R =δs/K S =1/2.32=0.43 MPa，实际路面结构层材料层底容许拉应力较小，达不到设计层底拉应力强度，而实际材料抗劈裂强度要求值为δs＝δ R K S ＝0.64×2.32＝1.48 MPa，超出材料容许极限劈裂强度，路面在超载车辆作用下自然遭到破坏。
5.3剪切应力分析
按弯拉强度验算方法，对剪切强度进行了验算，从计算结果分析表明：在超载车的作用下产生的最大剪应力是容许弯拉强度δ R 的2倍～3倍，瞬时最大剪应力接近各层沥青混合料临界开裂弯拉强度值。双轮静态时，当量圆四周均会出现较大的剪切应力，车辆行进时，双轮边缘以外某一纵向区域内形成高剪切应力的疲劳作用，因此产生纵向裂缝。硬路肩纵向隆起，是因车辙而产生的经常性凹陷，由于轮载作用时并不完全带有方向性，很大程度上都是随机的，高剪应力区为双轮作用区域，并非作用线，因此面层沥青向横坡下方移动形成。发表论文。所以过量超载车辆产生的剪应力，是造成沥青路面车辙、凹陷和隆起的另一重要原因。
6、路面病害修补及补强方法：
路面损坏的特征主要是裂缝、车辙、凹陷和隆起这几种类型。维修应根据类型采取不同的方法。对有裂缝而没有凹陷的地段，用针筒灌注乳化沥青2遍～3遍，特别是气温高的情况下尽量多灌一些，防止雨水浸入，软化水泥稳定砂砾基层，加速面层疲劳破坏。
对车辙、凹陷和隆起的地段修补的方法：用切割机切开沥青面层，用SBS或SMA改性沥青砼铺筑，以增加沥青面层的抗剪切破坏。
7、防止超载车辆损坏沥青路面的措施
7.1路政管理
由于沥青路面维修困难、费用高、影响行车安全等特性，过量超载造成路面迅速损坏。在管理的措施上，采取入口严格稽查的办法，载货量超过交通部规定限量的，必须卸载，是防止路面过早破坏的最有效措施。
7.2设计留有余地
1、分析交通量时，充分考虑交通量和超载的因素，应把超载车辆的荷载都换算成当量轴次，据此算出容许弯沉值，设计时应留有余地；
2、沥青面层应采用抗车辙、抗浸水性能较好的改性沥青、SMA混合料路面。
参考文献：
［1］中华人民共和国行业标准JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》人民交通出版社2006·北京
［2］中华人民共和国行业标准JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》人民交通出版社2004·北京
［2］徐世法《沥青铺装层病害与典型》人民交通出版社2005·北京
［3］沈金安《改性沥青与SMA路面》人民交通出版社1999·北京