摘 要
施工期超載運(yùn)輸可能對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響路面結(jié)構(gòu)發(fā)生早期破壞。從施工車輛的軸載調(diào)查入手,分析了施工期車輛超載情況下耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層各層的應(yīng)力狀況,并根據(jù)路面材料特性提出建議,可供公路建設(shè)管理單位參考。
關(guān)鍵詞 道路工程 | 超載運(yùn)輸 | 路面結(jié)構(gòu) | 軸載調(diào)查 | 路面損傷
0、引言
車輛超載是影響瀝青路面早期損壞的因素之一,道路研究人員主要針對(duì)營運(yùn)期高速公路路面在重載或超載作用條件下的受力狀況進(jìn)行了大量的計(jì)算分析[1-3],然而根據(jù)調(diào)查結(jié)果,施工過程中混合料運(yùn)輸車輛均為超載車輛,后軸從額定的100kN增加到180kN以上,輪胎充氣壓力從額定的0.7MPa增加到0.9MPa以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了公路路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),施工期超載運(yùn)輸?shù)拇嬖跁?huì)導(dǎo)致尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的路面結(jié)構(gòu)過早產(chǎn)生微裂縫等結(jié)構(gòu)性損傷瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。目前規(guī)范上也沒有對(duì)施工車輛的荷載進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定,也沒有考慮超載車輛對(duì)施工期路面結(jié)構(gòu)層的影響[4-5]。
本文從施工車輛的軸載調(diào)查入手,分析了施工期車輛不同荷載情況下,耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層各層的應(yīng)力狀況,并根據(jù)路面材料的強(qiáng)度特性提出相關(guān)建議,供公路建設(shè)管理單位參考。
1、路面施工期軸載狀況調(diào)查
1.1 施工運(yùn)輸車輛類型及超載調(diào)查分析
為分析施工期超載車輛對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的影響,對(duì)廣東云羅高速公路路面施工車輛進(jìn)行了稱重調(diào)查。該高速公路路面混合料運(yùn)輸車輛為目前國內(nèi)典型的重型自卸運(yùn)輸汽車(前橋?yàn)閱屋S單輪,后橋?yàn)殡p聯(lián)軸每側(cè)雙輪組),如圖1所示。
對(duì)滿載的混合料運(yùn)輸車輛進(jìn)行稱重,然后對(duì)其雙后軸進(jìn)行稱重,稱重結(jié)果見表1。
車輛通過車軸兩端的輪胎對(duì)路面施加力的作用分配到每根軸或軸組的重量稱為車軸的軸載(軸組輪胎重量的總和),稱重結(jié)果表明,雙聯(lián)軸雙輪軸的最大值達(dá)到476kN,超過限定值180kN的164%,說明施工車輛超載比較嚴(yán)重。
1.2 輪壓超載情況分析
對(duì)超載超壓情況進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),輪胎的接地壓強(qiáng)接地面積計(jì)算主要有四種計(jì)算圖式,分別為K、I、L、M圖式,簡述如下:
(1)K圖式:雙輪雙圓,圓中心距等于3倍接地半徑,接地壓力0.7MPa(標(biāo)準(zhǔn)圖式)。
(2)I圖式:輪壓和接地面積均隨軸載的增加而增加,圓心距保持31.95cm不變,這種圖式最符合實(shí)際,因?yàn)槌袚?dān)越重貨物運(yùn)輸?shù)能?,統(tǒng)計(jì)上越有采用高強(qiáng)高壓輪胎的趨勢(A=0.008P+152±70;其中,A為接地面積,c㎡;P為輪胎荷載,N;±70為保證率達(dá)到90%的離差范圍)。
(3)L圖式:接地半徑與圓心距保持10.65cm和31.95cm,輪壓隨軸重等比例增減。
(4)M圖式:輪壓與圓心距保持0.7MPa和31.95cm,接地半徑隨軸重增加而增加。
上述四種荷載圖式中,比利時(shí)的I圖式最能代表超載情況下輪胎壓力與接地面積的情況,采用比利時(shí)I圖式接地面積與軸重經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式對(duì)不同軸載條件下輪胎壓力和接地面積進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2。
由表2可知,隨著軸載的增加,輪胎的接地壓強(qiáng)也逐漸增大。如果施工運(yùn)輸車輛單個(gè)后軸重達(dá)到240kN時(shí),輪胎接地壓強(qiáng)達(dá)到0.95MPa,超過標(biāo)準(zhǔn)輪壓0.7MPa的35.7%,而云羅高速公路路面施工混合料運(yùn)輸車輛單個(gè)后軸的荷載普遍在200~240kN之間,輪胎壓強(qiáng)在0.91~0.955MPa之間,說明輪胎接地壓強(qiáng)超載嚴(yán)重。
2、施工車輛超載對(duì)耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響分析
2.1 路面結(jié)構(gòu)及加載過程
2.1.1路面結(jié)構(gòu)參數(shù)
本文主要針對(duì)目前正在研究的耐久性基層瀝青路面進(jìn)行分析,路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)見表3。
2.1.2加載方式及計(jì)算方法
假定單軸雙輪組分別為100kN、120kN、140kN、160kN、180kN、200kN的軸載作用,計(jì)算施工期各層底的應(yīng)力。荷載圖式采用雙圓荷載,其中0.7MPa時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)加載模式,其它輪壓下采用I圖式的加載模式。
我國瀝青路面設(shè)計(jì)以路表回彈彎沉和層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo),對(duì)于重載交通路面宜驗(yàn)算瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度[4],各層層底拉應(yīng)力超過材料的容許拉應(yīng)力,意味著結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生荷載裂縫,路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞。
采用彈性層狀體系理論計(jì)算程序?qū)x定的荷載條件及路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行路面各層拉應(yīng)力及瀝青面層剪應(yīng)力計(jì)算,層間接觸條件設(shè)定為完全連續(xù)體系。
2.2 計(jì)算結(jié)果及分析
2.2.1施工期路面各層底拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析
施工期不同荷載條件下基層、底基層層底的拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4~表6。
由計(jì)算結(jié)果可知,施工期底基層層底所受的拉應(yīng)力較大,特別是施工下基層時(shí)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,底基層的拉應(yīng)力達(dá)到0.4216MPa,當(dāng)運(yùn)輸車輛軸載超載40%,底基層的拉應(yīng)力達(dá)到0.5816MPa,接近了水泥穩(wěn)定碎石材料劈裂強(qiáng)度的上限0.6MPa,因此從保證底基層底的拉應(yīng)力不超過材料極限值的角度考慮,下基層施工時(shí)混合料運(yùn)輸車輛單后軸載不應(yīng)超過120kN,雙后軸載不應(yīng)超過240kN。
施工期下基層的受力條件較為有利,在各層施工過程中,下基層底的拉應(yīng)力均較小(小于0.1MPa)。
施工期上基層碾壓混凝土層底的荷載拉應(yīng)力也較大,在下面層施工時(shí),碾壓混凝土上基層的受力條件最為不利。在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,碾壓混凝土上基層底的拉應(yīng)力為0.6935MPa,當(dāng)運(yùn)輸車輛的軸載超載140%,碾壓混凝土上基層底的拉應(yīng)力高達(dá)1.62MPa,剛性基層對(duì)軸載敏感性較大,當(dāng)剛性基層材料所受的拉應(yīng)力較大時(shí),剛性基層易發(fā)生疲勞破壞。
從保證碾壓混凝土上基層層底拉應(yīng)力不應(yīng)過大的角度考慮,瀝青面層施工過程中碾壓混凝土上基層底的拉應(yīng)力按不超過1.0MPa控制。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,下面層施工運(yùn)輸車輛單后軸載不應(yīng)超過150kN,中面層施工運(yùn)輸車輛單后軸載不應(yīng)超過160kN,上面層施工運(yùn)輸車輛單后軸載不應(yīng)超過180kN。
2.2.2瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析
瀝青面層混合料的剪應(yīng)力超過混合料的抗剪強(qiáng)度,高溫條件下瀝青路面易產(chǎn)生車轍、擁包等剪切破壞。施工期不同荷載條件下瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表7,同時(shí)也計(jì)算了瀝青各層層底的拉應(yīng)力情況,計(jì)算結(jié)果表明,施工過程中瀝青各層底均為受壓。
由表7可知,隨軸載的增加,不論是中面層、上面層施工還是完工后,瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力均逐漸增大,最不利的情況是上面層施工,標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力為0.275MPa,當(dāng)軸載超載140%,瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力達(dá)到0.343MPa。國內(nèi)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明:60℃條件下瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度在0.8~1.0MPa之間[6],單純從瀝青面層層內(nèi)剪應(yīng)力不能說明超載對(duì)瀝青層抗剪損傷的影響,但是瀝青表面所受的壓應(yīng)力隨著軸載的增加逐漸增加。當(dāng)夏季施工時(shí),瀝青層內(nèi)溫度可能大于60℃,從保證瀝青面層在施工過程中接地壓強(qiáng)不大于0.8MPa,相應(yīng)的單軸軸載不應(yīng)大于140kN。
3、結(jié)語
(1)施工車輛軸載稱重的結(jié)果表明,雙聯(lián)軸的最大荷載值達(dá)到476kN,超過限定值180kN的164%,施工車輛軸載超載比較嚴(yán)重。目前,路面施工混合料運(yùn)輸車輛單個(gè)后軸的荷載普遍在200~240kN之間,輪胎壓強(qiáng)在0.91~0.95之間,輪胎接地壓強(qiáng)超載嚴(yán)重。
(2)耐久性基層瀝青路面施工期底基層及碾壓混凝土上基層所受拉應(yīng)力比較大,下基層的受力條件較為有利。
(3)隨軸載的增加,不論是中面層、上面層施工還是完工后,瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力均逐漸增大,標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力為0.275MPa。超載140%時(shí),瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力達(dá)到0.343MPa。當(dāng)路面溫度大于60℃時(shí),瀝青層表面接地壓強(qiáng)不應(yīng)大于0.8MPa,相應(yīng)的單軸軸載不應(yīng)大于140kN。
(4)耐久性基層瀝青路面在施工期荷載作用下,各結(jié)構(gòu)層的受力特點(diǎn)差別較大,建議施工單位應(yīng)根據(jù)本路面結(jié)構(gòu)層材料的受力狀況及特點(diǎn),控制施工車輛的荷載,防止路面結(jié)構(gòu)層在施工過程中發(fā)生破壞。