淺析高速公路車輛荷載與車轍病害的關(guān)系

　　瀝青混凝土路面的車轍病害是路面的一種主要病害，維修費用高，維修周期長，往往影響正常交通運輸。車轍產(chǎn)生的原因是多方面的，內(nèi)部的因素主要包括：瀝青種類和性質(zhì)、集料的形狀及表面紋理、瀝青用量、礦料級配、粉膠比、瀝青混合料殘留空隙率等方面;外部因素主要包括：高溫、重荷載、車流量、路面坡度等方面。高速公路因渠化交通，更易產(chǎn)生車轍。

　　對已建成的高速公路瀝青路面，車轍產(chǎn)生的主要原因是車輛荷載，特別是超重車的影響，本文主要分析車輛荷載與車轍的關(guān)系。

　　1.不同軸載作用下瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力

　　車轍產(chǎn)生的主要原因之一是在車輪荷載作用下，瀝青層內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力，致使瀝青混合料產(chǎn)生剪切變形，不可恢復(fù)變形的不斷累積形成車轍。因此，剪應(yīng)力的大小影響車轍的大小。

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)分析了不同軸載對瀝青路面車轍的影響，研究中采用有限元力學(xué)計算分析方法，以半剛性基層瀝青混凝土路面作為典型結(jié)構(gòu)(這也是我國現(xiàn)階段高速公路建設(shè)采用的最普遍結(jié)構(gòu))，結(jié)構(gòu)厚度和各層材料力學(xué)參數(shù)(各結(jié)構(gòu)層層間均為連續(xù)狀態(tài))：表面層瀝青混合料h=4cm E=1400MPa u=0.25，下面層瀝青混合料h=6cm E=1200MPa u=0.25，基層水泥穩(wěn)定碎石h=30cm E=1400MPa u=0.25，底基層二灰穩(wěn)定土 h=20cm E=800MPa u=0.25，土基 E=40MPa u=0.35.

　　對計算結(jié)果的分析，無論在平坡還是在上坡路段車輛軸重越大，剪應(yīng)力越大。車輛在平坡路段行駛時，當(dāng)車輛軸重從100kN增加到150kN、200kN時，最大剪應(yīng)力(文內(nèi)所涉及到的最大剪應(yīng)力均為產(chǎn)生于瀝青層內(nèi)不同深度的剪應(yīng)力的最大值。)由0.157MPa增加為0.232MPa、0.308MPa，分別增加了48%和96%，這與車輛軸重的增加比例是相同的，不同軸重的剪應(yīng)力分布曲線的形態(tài)基本一致，在深度4-6cm范圍內(nèi)剪應(yīng)力較大。

　　通過上述分析發(fā)現(xiàn)，隨著車輛后軸軸重增加，剪應(yīng)力幾乎按照相同的比例增大，即剪應(yīng)力與車輛軸重近似地表現(xiàn)為45度線性遞增的比例關(guān)系。

　　2.不同軸載作用下瀝青混合料動穩(wěn)定度分析

　　我們在室內(nèi)對不同荷載作用下動穩(wěn)定度次數(shù)進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果如下：

　　為研究荷載對動穩(wěn)定度的量化性影響，選取一種瀝青混合料AC-161，分別進(jìn)行0.7Mpa、0.9Mpa、1.1Mpa三種壓力下的車轍試驗，發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)溫度60°C下動穩(wěn)定度與輪壓成指數(shù)關(guān)系，1054， 801和634;荷載對動穩(wěn)定度的影響是非常大的。當(dāng)荷載由0.7Mpa增加到1.1Mpa時，動穩(wěn)定度幾乎要降低一倍，按現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)軸載設(shè)計的路面在重載車作用下，瀝青混合料抗剪強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值，造成路面流動性車轍。

　　3.不同荷載作用下車轍試驗對比

　　交通部《高速公路早期病害預(yù)防措施的研究》課題提到，夏季路面溫度從60°C升高到66℃時，相當(dāng)于荷載從0.7Mpa升高到0.9Mpa，當(dāng)荷載由0.7Mpa升高到1.2Mpa時，相當(dāng)于溫度從60.7℃升高到70.2℃。

　　我們曾經(jīng)進(jìn)行了室內(nèi)實驗，比較不同荷載情況下瀝青混合料的動穩(wěn)定度次數(shù)變化情況，室內(nèi)試驗選取了AC-131中值和AC―161級配中值進(jìn)行試驗，最佳用油量的確定分別采用GTM法和馬歇爾試驗方法，GTM采用三種不同的設(shè)計壓強0.7Mpa、0.9Mpa、1.1Mpa，車轍試驗采用三種輪壓0.7Mpa、0.9Mpa、1.1Mpa分別進(jìn)行，試驗結(jié)果可以得出：①隨著荷載的增加瀝青混合料的抗車轍能力降低，每增加0.2Mpa的壓強，抗車轍能力降低約20%;②增加設(shè)計壓強可以有效的提高抗車轍能力，對于AC―131瀝青混凝土來說，采用馬歇爾重載指標(biāo)設(shè)計的瀝青混合料DS為1087，而GTM0.7的DS為1248，GTM0.9的DS為2242，GTMl.1的DS為3217， 分別是馬歇爾重載設(shè)計的1.15、2.06、2.96倍。對于AC-161瀝青混凝土來說，采用馬歇爾重載指標(biāo)設(shè)計的瀝青混合料DS為1093，而GTM0.7的DS為1541，GTM0.9的DS為2004，GTMl.1的DS為3117，分別是馬歇爾重載設(shè)計的1.41、1.83、2.85倍。

　　從上面的分析不難發(fā)現(xiàn)隨著車轍試驗的輪壓增大時，車轍次數(shù)降低，但是輪壓與車轍次數(shù)并不是簡單的線形關(guān)系，只是隨著輪壓的增加，車轍次數(shù)下降速度加快，當(dāng)輪壓小于設(shè)計設(shè)計壓強時，動穩(wěn)定度次數(shù)大幅提升。

　　4.重車流量與車轍調(diào)查分析

　　從幾條高速公路車流量的調(diào)查結(jié)果來看，很明顯，京石高速公路車流量較大，按照重車所占車輛總數(shù)比例看，京沈高速河北方向車輛總計188255輛/月，重載車比例占13.7%，車轍深度16.8mm：保津高速主線收費站車輛總計194845輛，重載車比例占33.0%，車轍深度20.2mm;京石高速公路主線北行車輛總計367800輛/月，重載車比例占44.0%，車轍深度21.3mm;京秦高速公路廊坊段香河站沈陽入口方向車輛總計120510輛，重載車比例占35.3%，車轍深度18.5mm.重載車輛較多，再加上夏季持續(xù)高溫的影響，2003年京石高速公路出現(xiàn)嚴(yán)重車轍，調(diào)查切割試樣顯示，變形以中面層最為嚴(yán)重。

　　瀝青路面車轍分析結(jié)論：重車，特別是超重車是車轍病害產(chǎn)生的主要之一。只有規(guī)范運輸市場，限制超載車，輪壓控制在0.7mp以內(nèi)，才能使公路達(dá)到或超過使用年限，減少額外養(yǎng)護(hù)費用，確保道路安全暢通。

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