重载作用下路面破坏的坏机理分析

　　摘要：交通公路的建设为各行业的发展带来了很好的经济契机，但是我国各省市公路运输普遍存在超载超限现象，虽然公安、公路交通部门重拳治超，但是超载、超限还是给公路交通部门带来巨大的经济损失。文章主要通过重载作用下道路路面结构破坏的原因、破坏机理进行了研究分析，有利于提高我国高速公路建设水平。
　　关键词：高速公路，重载交通路面，破坏机理
　　
　　运输营运者只顾追求自己利益的最大化，他不考虑对公路损害的程度如何，再有公路运输管理缺乏有效的执法等原因，我国公路运输普遍存在超载超限现象，特别是在国道主干线上，车辆超载达到惊人的地步，全国各省区都不同程度的存在道路早期破坏现象，达不到应有的设计年限，给公路交通部门带来巨大的经济损失，同时也给社会带来巨大的负面影响。文章主要对重载交通路面破坏相关问题进行探讨。
　　1重载车辆与路面作用的特点
　　受荷载状态下汽车轮胎宽度方向的轮廓更接近直线不是弧形，而且直线长度是一定的，所以绝大多数情况下轮胎与地面的接触面更像一个短轴固定的椭圆，只有再以额定轴载为中心的较小范围荷载下，接触面才看起来像个圆，轮胎间距（荷载圆中心距离）不随轴载的变化而改变。超载车辆轴重的提高，并且是使用了特殊的大型运输车辆，而是盲目改造了车型、使用高强轮胎，对山东省省内的5条国、省干线公路运输车辆的轮胎内压进行了调查，调查显示，80%以上的运输车辆轮胎内压大于现行规范100kN，标准轴重的计算参数0.7Mpa,最高的轮胎内压达到1.0Mpa以上，这种不合理的荷载分配对路面产生非常不利的影响。
　　2荷载图式研究
　　由于荷载车辆普遍使用高强轮胎，这种不合理的荷载分配对路面产生非常不利的影响。因此，在分析轴重与路面内应力、应变的关系之前，必须详细探讨轴重与轮压和轮胎接地面积的关系。
　　比利时设计方法考虑了轴载与轮压、轮胎接地面积关系，在大量调查统计分析的基础上得出了轴载与轮压、轮胎接地面积的统计公式，在此基础之上，这里考虑采用双轮双圆图式，当量圆中心距δ=31.95cm，但考虑轮压和接地面积均随轮载的增加而增加的实际情况。由于国内尚缺乏轮载、轮压与轮胎接地面积的关系方面的调查资料，借用比利时设计方法中的轴载与轮压、轮胎接地面积的传统公式：A=0.008P+152
　　从上述公式可以看出，随着轴重的增加，轮胎接地压力大大超过0.7Mpa，压力呈指数曲线增加，反映了我国重载交通采用高强轮胎的现状，也反映了随着轴重增加，轮压和轮胎接地面积变化的正常规律，比较适合我国道路交通的具体情况。对超重载严重的沥青路面进行弯沉，弯拉等力学分析时，需采用所推荐的力学图式来进行。为便于图式的应用，可用两种方法来实现。
　　第一种，在原有荷载图式的的基础上进行修正。由力学图式弯沉、弯拉的计算可知，轴重小于120kN时，此时可用原有图式计算结果代替；当轴重较大时，需在原有荷载图式计算结果上乘以一修正系数，其弯沉、基层弯拉及底基层弯拉应力修正系数分别为1.17、1.10、1.09。
　　第二种，根据推荐荷载图式的特点编制程序进行计算。用修正的办法进行分析存在一定的误差可以根据推荐荷载图式的特点，在原有图式力学分析程序的基础上重新编制程序，从而实现推荐力学图式下的力学分析。
　　3路面结构材料的非线性分析
　　在低应力水平下，将路面材料视为线弹性的假定是正确的。我国的路面设计规范正是以此为基础，对路面进行力学分析。但是当轴重很大，路面结构内部的应力水平比较高时，这个假定是否正确，值得我们进一步研究分析。为此，采用半刚性材料劈裂试验来研究路面材料的回弹变形和荷载的关系。劈裂试验是能够比较真是地反映路面材料受力特性的试验方法，劈裂试件的受力状况与路面材料的实际受力状况比较接近。因此，用劈裂试验来研究材料的非线性特性是十分合适的。可以得知，随着荷载的增加，试件的横向和竖向变形不断增大，当外加荷载小于0.5T时，应变曲线基本呈一条直线；当外加荷载大于0.5T时，应变曲线的斜率发生变化，不再是一条直线，呈现出明显的非线性关系。这充分表明在外加荷载大于0.5T时，水泥稳定级配碎石已出现了不可忽视的非线性变形。
　　4重载作用下对路表弯沉的影响
　　在研究路表回弹弯沉时，考虑非线性问题的近似方法是：路面结构中应力分布用弹性理论计算，并假定模量不变，而确定结构中的变形时，则考虑材料的非线性因素，认为模量随应力的的变化而变化。
　　在确定计算图式时，分两种情况考虑：车辆轴重因超载而增加，单轴轴重可以超过130kN，引起轮压增加，轮胎接地面积增大，轮隙减小；车辆轴重随车型变化而增加，单轴轴重一般不超过130kN轮隙保持相应比例。
　　根据试验结果分析，在同等轴载作用下，超载方式引起弯沉的增量大于非超载方式引起的弯沉增量。且轴重越大，二者的偏离程度愈大；结构越弱，二者的偏离程度愈大。由于上述分析可知，超载引起轴重增长对路面结构的破坏程度要大于正常车型对路面的破坏程度。弯沉值代表了路面结构的整体强度，弯沉值增大意味着路面强度降低，势必引起路面使用性能的下降和使用寿命的缩短。因此，在车辆等效轴载换算方法的研究中，必须考虑超载因素，否则得到的设计年限内的累计标准轴次将是不安全的。
　　5重载对层底拉应力的影响
　　为了说明轴重增加对路面结构弯拉破坏的影响，本节以河北常见路面结构为例，用弹性层状体系理论分析层底弯拉应力，研究也分超载和非超载（正常车型）两种情况加以考虑。计算点取在双轮轮隙底基层（或基层）底部。
　　由计算分析可知，在非超载情况下，路面结构层底拉应力＆随轴重增加成幂函数增长形式，即＆=a×Pn，其中n＜1；在超载情况下，路面结构层底拉应力几乎呈直线增长。两者的偏离程度随轴重大小、路面结构强弱而变化。轴重越大，偏离程度越大；路面结构强度越低，偏离程度越大。在轴重较大，路面结构较低的情况下，后者引起的层底拉应力远大于前者。对山东聊城地区现有的30cm石灰土加铺5.5cm沥青碎石结构而言，当单轴轴重大于200kN时，重车通过一次就可能导致石灰土基层开裂，强度迅速降低，此种结构远不能适应重载道路的要求。这就是为什么聊城地区沥青路面破坏严重的根本原因。因此，在重载道路上，石灰土不宜做基层，基层材料应采用强度较高的水泥稳定粗集料或二灰稳定粗集料。
　　6结语
　　本文从研究重载道路的交通特性入手，对我国现行沥青路面设计规范的荷载计算图式进行了分析，提出了适用于重载沥青路面的荷载力学图式，为进一步分析重载荷载与常规荷载对路面作用的不同，通过霹雳试验对路面材料的非线性变形进行了验证分析。通过模拟结构的弯沉和应力计算，对重载荷载对路表弯沉和路面基层应力的非线性性质进行了分析。
　　参考文献
　　[1]姜华君.翟静.重载交通路面结构设计交通参数调差与分析[J]公路与汽运.2002.（3）：32-34.
　　[2]李宏.牛玺荣.陈明星.CLSM在重载交通路面弱基层（路基）中的成功应用[J].中外公路.2009.29（1）：178-182

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