鄭 偉 蔡青城

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，路面研究一直是道路研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著高速公路建設(shè)步伐的加快，高速公路瀝青路面早期破壞問(wèn)題逐漸引起廣大道路科技工作者的重視，從環(huán)境、結(jié)構(gòu)和材料等方面綜合深入研究路面的力學(xué)行為逐漸成為大家的共識(shí)，越來(lái)越受到普遍關(guān)注，如何探索一種既經(jīng)濟(jì)又具有良好長(zhǎng)期路用性能的路面結(jié)構(gòu)模式是關(guān)鍵問(wèn)題。

1 我國(guó)高速公路存在的問(wèn)題及成因

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨蟠蠓仍黾?，公路運(yùn)輸近些年得到了飛速發(fā)展。公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其是高速公路建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展。

截至2007年年底，我國(guó)公路通車(chē)總里程已達(dá)到357.3萬(wàn)km，高速公路達(dá)到5.36萬(wàn)km，居世界第二位;2008年新修通高速公路6 433 km，高速公路通車(chē)總里程達(dá)到6.03萬(wàn)km，繼續(xù)居世界第二位。

1.1 我國(guó)高速公路存在的問(wèn)題

雖然我國(guó)公路通車(chē)總里程已經(jīng)居世界前列，并且進(jìn)入一個(gè)高速公路大發(fā)展時(shí)期，但困擾我國(guó)公路建設(shè)質(zhì)量的問(wèn)題一直存在。瀝青路面是一種無(wú)接縫連續(xù)路面，整體強(qiáng)度高、行車(chē)平穩(wěn)性好、低噪聲、振動(dòng)小、維修方便，被世界各國(guó)廣泛采用，但瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象越來(lái)越突出，甚至出現(xiàn)了大量的“初期破壞”現(xiàn)象，損失十分驚人，路面的實(shí)際使用壽命普遍低于設(shè)計(jì)壽命，路面破壞問(wèn)題的嚴(yán)重性引起了政府、學(xué)術(shù)界、工程界、企業(yè)界及道路使用者等社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

1.2 我國(guó)高速公路問(wèn)題的成因

分析路面破壞發(fā)生的原因可知，環(huán)境條件和重載車(chē)輛及其耦合作用是導(dǎo)致路面早期破壞的主要因素。針對(duì)高速公路瀝青路面的早期破壞問(wèn)題，我國(guó)道路科技工作者進(jìn)行了深入研究，大體可分為三個(gè)階段:

1996年之前為第一階段，主要研究防止半剛性基層引起的反射裂縫;

1997年～2001年為第二階段，由于片面追求路面平整度而造成的壓實(shí)度不足，孔隙率過(guò)大，“水損壞”問(wèn)題成為研究的重點(diǎn);

2002年后至今為第三階段，為了減少“水損壞”而采用了密實(shí)型混合料，同時(shí)大大提高了路面的整體強(qiáng)度，車(chē)轍成為路面的主要問(wèn)題。

實(shí)際上，我們?cè)诓⑽春芎媒鉀Q第一階段的問(wèn)題就面臨第二階段問(wèn)題迅速出現(xiàn)，使得無(wú)暇顧及第一階段問(wèn)題，而解決第二階段問(wèn)題的措施又是第三階段問(wèn)題出現(xiàn)的原因之一。造成這一被動(dòng)局面的原因在于長(zhǎng)久以來(lái)路面研究和實(shí)踐中“重經(jīng)驗(yàn)、輕理論，重感覺(jué)、輕實(shí)證”，路面科學(xué)已經(jīng)成為實(shí)踐走在理論前面的科學(xué)，研究瀝青路面早期破壞背后的科學(xué)事實(shí)和內(nèi)在機(jī)理已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

我國(guó)高速公路在經(jīng)歷了反射裂縫和水損壞等破壞類(lèi)型之后，路面車(chē)轍成為目前瀝青路面的主要損壞現(xiàn)象之一，直接影響路面的行車(chē)安全性和舒適性。分析路面車(chē)轍產(chǎn)生的原因，不外乎有如下四個(gè)方面:路面結(jié)構(gòu)的后續(xù)壓實(shí)、路表面的磨耗、基礎(chǔ)的變形和路面材料的塑性流動(dòng)。

隨著路面結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)、施工技術(shù)的提高，尤其是半剛性基層的采用，上述前三方面原因已經(jīng)非常微小，甚至忽略不計(jì)，路面材料的塑性流動(dòng)成為了主要的車(chē)轍來(lái)源。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比

2.1 國(guó)內(nèi)對(duì)高速公路的研究

近年來(lái)，我國(guó)高速公路普遍存在交通量大、重載車(chē)輛多、渠化嚴(yán)重的行車(chē)特點(diǎn)，重交通已經(jīng)成為高速公路的主要特征。通過(guò)對(duì)路面溫度場(chǎng)的研究發(fā)現(xiàn)，氣溫和太陽(yáng)輻射是影響路面溫度場(chǎng)的主要因素，而太陽(yáng)輻射對(duì)瀝青路面溫度升高的貢獻(xiàn)更大，我國(guó)夏季路面高溫現(xiàn)象并不局限于南方高溫地區(qū)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈的北方地區(qū)同樣存在。因此，高溫和重交通的共同作用是路面車(chē)轍產(chǎn)生早、發(fā)展快的主要原因，研究溫度和行車(chē)荷載共同作用下瀝青路面熱力耦合機(jī)理是解決路面車(chē)轍問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，是今后瀝青路面研究的主要方向之一。

瀝青路面的溫度分布是環(huán)境因素最直觀(guān)的體現(xiàn)，也是目前各類(lèi)設(shè)計(jì)方法中考慮最多的非荷載因素。在道路的溫度場(chǎng)研究中，目前采用的方法大致分為兩類(lèi)，即理論法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)路面溫度場(chǎng)的理論研究和試驗(yàn)研究做了大量的工作。

2.2 國(guó)外對(duì)高速公路的研究

關(guān)于路面溫度場(chǎng)的理論研究最先是由Barber在1957年提出的，他將路面視為均質(zhì)半無(wú)限體，用正弦曲線(xiàn)模擬一天內(nèi)氣溫的變化，利用傳熱學(xué)的基本理論求解出路面結(jié)構(gòu)的溫度分布狀況;在運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)路面溫度場(chǎng)研究方面，2007年康海貴等根據(jù)大量的實(shí)測(cè)瀝青路面溫度數(shù)據(jù)研究了瀝青路面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并利用回歸分析對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)與氣溫之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了探討。

早在19世紀(jì)，可以適用于路面設(shè)計(jì)的某些力學(xué)理論就已經(jīng)得到了發(fā)展，其中突出的有赫茲在1884年提出的液體支撐板模型，布辛尼斯克在1885年提出的彈性半空間課題，它們?cè)?0世紀(jì)50年代的路面設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

在對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究的同時(shí)，瀝青混合料的力學(xué)特性研究也一直得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。瀝青混合料是一種熱流變材料，為了描述其熱流變性質(zhì)，早在20世紀(jì)60年代，Monismith C.L就已應(yīng)用流變理論對(duì)瀝青混凝土的粘彈性特征進(jìn)行了研究，并且證實(shí)了Burgers模型可以用于分析瀝青混合料的粘彈性特性。

2.3 國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青路面的研究相對(duì)比較薄弱的方面

由于粘彈性體溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合問(wèn)題在理論計(jì)算上的復(fù)雜性，以往的研究中大多數(shù)都針對(duì)單一場(chǎng)對(duì)路面的作用進(jìn)行研究，只有在研究溫度應(yīng)力時(shí)考慮其相互作用，但沒(méi)有完整的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合理論，而路面的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合效應(yīng)是客觀(guān)存在的，缺少對(duì)二者相互耦合效應(yīng)的深入分析。

瀝青混凝土材料是一種典型的熱粘彈性材料，其物理力學(xué)性能與溫度和荷載作用時(shí)間密切相關(guān)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其本構(gòu)模型提出了各種不同的方程，但可以用于粘彈性熱力耦合問(wèn)題求解的成果較少，這嚴(yán)重制約了溫度和荷載共同作用下瀝青路面的力學(xué)行為的研究和預(yù)防早期破壞技術(shù)的發(fā)展。

在溫度對(duì)瀝青路面力學(xué)行為影響方面，盡管引起了廣大學(xué)者的重視，并且作為實(shí)驗(yàn)室最容易控制的環(huán)境因素進(jìn)行了大量的研究，但當(dāng)我們通過(guò)材料的設(shè)計(jì)控制了高溫下不產(chǎn)生過(guò)量的車(chē)轍時(shí)，并沒(méi)有考慮高溫時(shí)路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀況是否比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下更危險(xiǎn)。因此，深入分析路面在不同溫度條件下和荷載條件下應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，考慮溫度和荷載的耦合效應(yīng)，對(duì)于弄清路面的臨界狀態(tài)、設(shè)計(jì)的安全合理是十分必要和重要的。

因此，基于試驗(yàn)研究結(jié)果，深入分析溫度對(duì)瀝青混凝土力學(xué)特性的影響機(jī)理，提出適合描述瀝青路面熱力耦合問(wèn)題的熱粘彈性本構(gòu)模型，無(wú)疑可為定量分析溫度和交通共同作用下瀝青路面的力學(xué)行為和車(chē)轍發(fā)展預(yù)估及防治提供理論依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展溫度和行車(chē)荷載共同作用下瀝青路面的力學(xué)行為研究，是解決目前我國(guó)高速公路瀝青路面普遍存在早期破壞問(wèn)題的需要，是今后建設(shè)適合我國(guó)國(guó)情的高水平道路的理論基礎(chǔ)。今后可在以下方面做深入研究:

1)深入揭示瀝青路面的早期破壞內(nèi)在機(jī)理、完善瀝青路面道路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論;2)開(kāi)展溫度和行車(chē)荷載共同作用下瀝青路面的力學(xué)行為研究。

[1] 新華社.中國(guó)高速公路通車(chē)總里程2008年年底突破6萬(wàn)公里[EB/OL].中央政府門(mén)戶(hù)網(wǎng)站，http://www.gov.cn/jrzg/2009-01/15/content_1206477.htm，2009.01.15.

[2] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].第2版.北京:人民交通出版社，2008.

[3] 孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 易 富.溫度和荷載耦合作用下瀝青混凝土路面響應(yīng)規(guī)律研究[D].沈陽(yáng):遼寧工程技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[5] Barber，E.S.Calculation of Maximum Pavement Temperature from Weather Reports[J].Highway Research Board Bulletin，1957(168):1-8.

[6] 康海貴.測(cè)瀝青路面溫度場(chǎng)分布規(guī)律的回歸分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007(46):43-52.