超载作用下沥青混凝土加铺层使用寿命预估与分析

摘要：本文以国道G108沥青混凝土路面加铺改造工程项目为例，基于现行《公路沥青路面设计规范》交通量轴载换算公式，考虑了超载车辆的实际的车轴重，借助路面设计软件试算，对超载作用下沥青混凝土加铺层的使用寿命的预估作了有益探索，以期为路面工程的养护、管理以及资金的合理安排提供科学的决策依据。

 

关键词：超载；设计指标；使用寿命；预估　

 

近年来，我国的公路超载问题业也成为“新常态”，超载已成为公认的“马路杀手”，严重的超载造成了沥青混凝土路面“未老先衰”，导致大部分路面建成通车后没到设计大修年限，路面即已破损严重，大大降低了沥青混凝土路面的使用寿命，造成了严重的经济损失。由于沥青路面破坏的受多种因素的影响，要准确计算实际加铺层的使用寿命难度较大。如何对超载作用下沥青混凝土加铺层使用寿命进行准确的预估，一直是困扰公路管理人员和工程设计者的一个棘手问题。本文以现行《公路沥青路面设计规范》交通量轴载换算公式为基础，结合国道G108沥青混凝土路面加铺改造工程为例，借助路面设计计算软件，探索在超载作用下沥青混凝土加铺层的使用寿命的预估方法，以期为路面工程的养护、管理以及资金的合理安排提供科学的决策依据。

 

项目概况

 

国道G108沥青混凝土路面加铺改造工程项目，设计速度80km/h，路基宽度为24.5m，按一级公路设计标准执行（其中右半幅按大件路标准设计），采用沥青混凝土路面。受沿线超载、超限车辆的影响，路面服务水平每况愈下，拟对原沥青混凝土路面进行加铺设计。根据对本项目功能的分析和承担的内部、对外及过境交通量比例，同时考虑到2020年至2025年之间相关路网的扩建，本项目流量增长逐渐放缓。

 

设计指标及参数

 

正常荷载作用下路面设计指标

 

本项目为旧沥青凝土路面改造沥青加铺层设计，设计采用以双轮组单轴载100kN为标准轴载。首先，计算在不考虑超载荷载作用下，沥青混凝土路面正常情况下的设计指标及参数。本项目车道系为0.4，交通量年均增长率分别为11.87%、4.56%、2.83%和1.29%。

 

通过沥青路面设计弯沉值及容许拉应力计算程序软件计算，结果表明：当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，路面营运第一年双向日平均当量轴次为4543，按照理想状态下设计年限15年，计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次为1.721625E+07，属重交通等级，经计算路面设计弯沉值为21.4（0.01mm）。

 

考虑超载作用下路面设计参数

 

重载车对沥青混凝土路面的轴载作用与标准轴载相比有较大的区别，超载车辆不仅提高了轴载，而且增加当量作用次数，需充分考虑超载车轴存在的影响。根据《某市超限检测单》现场检测资料2011年6月份的数据显示，108国道某段公路的超载车辆的轮轴类型为4轴，限重为40t，沿线大型货车的平均超载率为87.3%，最大超限率为108%，最小超限率为39%。考虑到整个超载车辆的客观因素及现状超载情况，以大型货车为研究对象，本项目超载车辆均为4轮轴大货车，限重为40t，前后轴载的的荷载分配比例为4：6。计入全断面设计基准期内年平均自然数交通量的组成，以2015年作为基准年计算，为简化计算假定交通量年均增长率分别为2%。

 

超载作用下沥青混凝土加铺层使用寿命预估

 

将正常荷载作用下的设计弯沉值21.4（0.01mm）作为超载作用下沥青混凝土加铺层的目标设计弯沉值，目标累计当量轴次为1.721625E+07。根据沥青混凝土路面的设计经验，通过路面改造加铺这个设计弯沉值比较容易达到。以108国道某段的超载车辆的平均超载率为80%为例说明使用寿命预估的计算方法，当超载车辆的超载率为80%时，即超重为32t，超载后的车辆总重为72t。车辆轴载按照4：6分配，即计算前车轴重144ＫＮ，后轴重216ｋＮ。以累计当量轴次为1.721625Ｅ＋07作为计算目标，通过沥青路面程序软件多次试算，计算结果如下：设计年限内一个车道上的累计当量轴次为3.956499Ｅ＋07。当设计年限为15年时，正常交通轴载下累计当量轴次为1.721625Ｅ＋07，通过计算一个车道上的累计当量轴次3.956499Ｅ＋07加权平均计算沥青混凝土加铺层使用寿命。即考虑货车平均超载率为80%，超载作用下沥青混凝土加铺层使用寿命为2.5年。同理，分别计算路面分别在超载120%、60%和40%三种工况下的使用寿命。

 

根据《某市超限检测单》检测资料，108国道某段公路的超载车辆的轮轴类型为4轴，限重为40t，沿线大型货车的平均超载率为87.3%，对比上表可以得出，在超载作用下本项目沥青混凝土加铺层使用寿命为2.5年。

 

通过调研本项目的养护资料，该项目于2012年5月完成本路段的沥青混凝土加铺层施工，通车两年半左右，在超载车辆的作用下，该路段就出现了严重的车辙、疲劳开裂、坑槽等病害，基本达到中修的养护要求。同时，根据疲劳断裂力学理论，估算了在荷载模式模式下本项目加铺层的疲劳寿命为2.7年，与本方法的结论基本一致。通过与实际使用寿命的对比，说明此方法对加铺层使用寿命的预估具有一定的可行性。

 

结语

 

超载是造成路面损坏的重要原因，我国公路的早期损坏与超载现象的大量存在具有直接关系。因此，路面设计时必须考虑超载车的影响，轴载换算时应采用实际的车轴重。美国的AASHTO通过环路试验研究表明，车辆对路面的破坏性与轴载的Ｎ次方成正比。而本文是基于现行《公路沥青路面设计规范》交通量轴载换算公式，未对超载作用下的轴载换算指数作深入研究，仅从设计角度对沥青混凝土加铺层使用寿命的估算作了有益探索与研究，且作了诸多简化处理，需理论方法和实践的进一步检验。同时，要彻底杜绝超载，抑或在最大限度上减少超载现象，不仅需对超载和路面早期损坏有一个全面、系统、准确的认识，而且最重要地是需从制度、管理和法律层面采取严格的控制措施，实行车轴重限制和检查制度，根除超载现象产生的源头。