【摘 要】文章针对当前我国高等级公路常用路面结构的早期损坏严重的现象，阐述了重载交通作用对沥青路面疲劳以及车辙性能的影响，并探讨了剪应力在面层的分布，针对剪应力是造成路面疲劳和车辙的主要因素，从路面的材料设计及结构设计方面提出了相应的措施，对重载路面的设计有一定的指导作用。 　【关键词】路面结构；重载；疲劳；车辙；轴载换算；剪应力 【中图分类号】 U416.217 【文献标识码】 A 【文章编号】 1007-7723（2005）08-0105-02 一、引 言 　　对重载交通作用的沥青路面，虽然在工程实践中，已经采用了许多新的技术，如superpave的混合料设计技术、SMA路面、聚合物改性沥青等，这些技术的应用，在一定程度上改善了路面质量，但随着交通量的增加和车辆轴重的增大，路面早期损坏现象仍非常明显，极大的降低了路面的服务功能和使用寿命，增加了公路的维护成本。通过对早期损坏现象的综合研究，我们发现重载对沥青路面所造成的损坏主要集中于疲劳开裂和车辙损坏，其原因主要是沥青面层的抗剪能力不足所致。本文主要就这两方面系统的总结了重载对沥青路面的影响，并探讨了在沥青路面设计中所应采取的措施。 　　二、重载作用对沥青路面的影响 　　（一）重载交通参数分析 　　我国现行公路沥青路面设计规范中给出的轴载换算公式如（1）式所示，在弯沉等效时，式中n＝4.35，验算半刚性基层层底拉应力时n=8.0。但这仅适用于单轴轴载小于等于130ｋＮ，双轴轴载小于等于220KN的交通条件。在重载情况下，随轴重的增加，沥青路面表现出明显的非线性，n的取值将远大于规范规定的数值。 （1） 式中：P为轴重；N为轴载作用次数；n为系数。 　　文献[1]通过分析不同路面结构下轴载换算系数与轴载的关系发现轴载换算系数主要与轴载有关，因而忽略不同路面结构对轴载换算系数所造成的误差，利用回归分析得到了基于弯沉、弯拉以及车辙等效的轴载换算公式中n的取值范围。考虑超载，弯沉等效时n=5.0～5.8，线性分析结果n=5.0，非线性分析结果n=5.5；弯拉等效时，一般半刚性基层路面n≈8.0，考虑超载时n≈9.0；车辙等效时，n=4.0～4.5。此结果与国内外其它对轴载换算关系的研究成果基本一致。由上可知，n的取值远大于规范规定的数值，这将使得在较短的时间内便达到路面设计的累积标准轴次，对路面的使用寿命造成极大的影响。 　　文献[3]对典型沥青路面结构，计算了在超载情况下，达到路面设计累积标准轴次的使用寿命，得到如下结论：超载100%时，高速公路的路面结构只能使用1.40年，一级公路的路面结构只能使用1.47年，二级公路的路面结构只能使用1 .20年，三级公路的路面结构只能使用0 .70年。因此，必须采取相应的措施，延长重载作用条件下，沥青路面的使用寿命。 　　（二）重载作用对路面疲劳特性的影响 　　疲劳开裂是重载作用下，沥青路面最常见的破坏形式之一，疲劳的产生是由于材料内部存在局部缺陷或不均质，在车辆荷载以及外界环境因素的影响下，产生局部应力集中，出现微裂隙，减少了承受应力的面积，导致有效应力增大，裂隙扩展，应力的反复作用最后导致路面破坏。通过对我国重载沥青面层疲劳裂缝调查分析发现，沥青面层纵向裂缝并不是由面层底部开始的，而是从面层表面向下发展。由此说明，重载作用下沥青面层疲劳破坏并不一定是层底弯拉应力引起，而是由于表面荷载应力造成的，特别是剪应力。 （三）重载作用对车辙特性的影响 　　随着公路运输量日益增长和运输向重型化发展，尤其是高等级公路沥青路面永久变形已成为突出的问题，车辙成为重载交通作用下沥青路面主要的破坏形式之一。车辙的形成机理主要分为两种：压密变形和剪切变形。前者通常出现在交通初始阶段，由于路面各结构层密实度的进一步增加所形成；后者主要是由于沥青混合料上层过大的剪应力而产生塑性变形所引起的，后者是引起车辙损坏的主要原因。在国外，已有设计规范将车辙深度作为设计指标之一。但我国现行的公路沥青路面设计规范尚未建立预估车辙深度的计算模型，仅通过《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ032-94）对高速公路和一级公路沥青混合料的动稳定度作出了具体要求，从材料性能角度来控制车辙深度。这是远远不够的，尚需要进行深入研究。 　　重载作用下，沥青路面设计验算车辙深度对防止路面使用初期造成车辙损坏是十分必要的。当前，车辙深度的预估模型很多，在国际上最为有名的当推shell方法，工程实践中可根据实际情况选用。 　　三、重载作用下沥青路面设计探讨 　　重载作用下沥青路面设计首先是合理的材料设计，选择适用的结合料、集料以及混合料类型，进行最佳配合比设计，使沥青混合料具有较高的强度和密实度；其次是合理的结构设计，使各结构层的层位与厚度达到理想的程度。但当前，普遍存在将路面结构设计和材料设计割裂开来的现象，缺乏结构、材料一体化的设计思想。 　　（一）材料设计 　　根据前面的分析，沥青路面在重载作用下，在车辆轮载附近产生较大的剪应力，这是造成沥青面层疲劳开裂和车辙损坏的主要原因。而沥青混合料在设计和性能分析时，并未考虑混合料的抗剪强度。因此，有必要对沥青混合料的设计方法进行分析，并提出相应的解决方法。 　　现行的沥青混合料设计方法是马歇尔法，是一种基于经验的设计方法，根据稳定度、流值、密度及空隙率等指标提出适当的配合比。它不能恰当的评估沥青混合料的抗剪强度，不能反映路面材料的实际受力状态，所以不适应重载交通路面的要求。沥青混合料的设计方法，不仅可以按材料的抗剪强度设计，受力模式可以模拟路面的实际受力状态，而且量测的指标物理意义明确，能够反映实际的路用性能。从这个角度来看，建议采用三轴试验方法按抗剪强度进行沥青混合料设计。 　　然而，由于沥青混合料是一种可变的相互矛盾的体系，如当高温稳定性满足要求时，可能出现低温稳定性问题；当采取一定措施满足低温稳定性时，却有可能对抗疲劳不利，而目前又难以建立一个统一的全面的指标体系，解决各种矛盾交叉的问题，因此，在沥青混合料组成设计中，应对原材料性质及沥青混合料性能有充分的了解，结合当地的具体情况，抓住主要矛盾，求得相对的比较合理的“配方”。重载作用下，沥青混合料的设计考虑抗剪要求是十分重要的。 　　（二）结构设计探讨 　　我国的高等级公路大部分为半刚性基层沥青路面结构，而这种结构在重载车辆的作用下，早期损坏现象十分严重。全厚式路面的设计理念代表了国外高等级公路路面结构选择和设计的新趋势，具有一定的合理性。而且它的总厚度比常规基层的沥青路面结构更薄，同时可以减少疲劳裂缝的可能性，并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的上部。这样，当路表面的破坏达到某一临界水平时，只需更换表面层，不需要改变路面标高。这是一种最经济的路面维修方式。 　　全厚式路面结构设计的核心是按功能合理设置路面结构层，要求路面结构的面层具有抗车辙、不透水和抗磨耗的能力，中间层要具有良好的耐久性，基层要具有抗疲劳和耐久的能力。永久性路面在国外已经取得了成功，但国内尚未修筑此类路面，作为重载交通条件下的路面结构类型，尚需要进行进一步的研究。 　　四、结 语 随着高等级公路的大量修建、重载交通的日益严重，重载作用对沥青路面的影响日益引起人们的重视。本文对重载交通条件下，沥青路面的破损机理进行了必要的总结和分析，并对路面材料设计、结构设计提出了一些建议。总结本文的工作，主要在以下几个方面： 1．重载对沥青路面的使用具有很大的影响，是沥青路面产生早期破坏的主要原因，主要表现为疲劳开裂和抗剪能力不足所导致的车辙、推移等病害。 2．由于沥青路面的非线性，轴载换算公式中指数n随轴载的增加而增大。 3．文中对重载作用下沥青路面的疲劳、车辙损坏机理进行了阐述，并简要介绍了车辙深度的计算方法。 4．文中对重载作用下沥青路面的剪应力进行了分析，阐明了轮载作用下沥青面层剪应力的分布规律，并给出了剪应力的验算方法。 5．总结了重载沥青路面的设计中材料以及结构方面所应该采取的措施。 【参考文献】 　　[1]王选仓，等．第三届国际道路和机场路面技术大会论文集·重载路面轴载换算方法研究[C]．北京：人民交通出版社，1 998． 　　[2]王选仓，等．重载沥青路面研究[J]．西安公路交通大学学报，1998，（4）． 　　[3]刘朝晖，等．汽车超载对沥青路面结构的影响分析［J］．长沙交通学院学报，1999，（2）．