车辆超载是沥青路面发生车辙、推挤、波浪、裂缝等病害的重要原因，据交通量调查资料显示，不少货运车辆的后轴载重已达180kN，部分甚至达200kN^{[1, 2]}.而目前我国的 《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)中仍然是以双轮组单轴载100kN作为标准轴载，并没有充分考虑车辆超载对力学特性的影响.另外，我国沥青路面大多采用半刚性基层作为承重层，由于沥青混合料与无机结合料在物理、力学特性上存在显著差异^[3]，导致沥青面层与半刚性基层之间的联结成为路面结构中受力的薄弱环节，在荷载的反复作用下层间接触状态由连续接触向光滑接触转变，促使沥青路面发生病害.且路面在运营期间，并不是单纯一种不利因素影响路面性能，往往是多种不利因素共同作用，这也是造成路面实际使用寿命低于室内试验模拟结果的重要原因.

鉴于此，在先前研究的基础上，借助BISAR3.0软件提供的剪切弹性柔量接触模型，选取典型的半刚性基层沥青路面结构，探讨车辆超载与基-面层间接触光滑状态二者耦合作用下，路面结构内力学特性的变化规律，并对比分析其两者对性能的影响程度大小，定量确定弯沉、拉应力、剪应力及疲劳寿命等评价指标的衰减量，从理论角度说明其带来的危害，以期为路面设计及养护提供参考.

1 模型及参数选取 1.1 路面结构及参数取值

选取某地高等级公路常用的半刚性基层沥青路面结构作为分析对象，探讨超载与层间光滑二者耦合作用下沥青路面结构内力学响应规律，具体的路面结构及参数值见表 1所示.

1.2 轮压与作用圆半径值

车辆轴重增加，其相应的轮胎接触面积和轮压也相应增大.计算时保持圆心距不变，借助比利时提供的轮胎接触面积与轴重的经验关系式(A=0.008P+152±70)^[4~6]，求得各种轴载作用下轮胎压力及作用圆半径，详见表 2所示.

1.3 计算模型及点位

路面结构力学特性评价指标计算时，荷载采用双圆垂直均布荷载，不同轴载作用下轮胎接地压强及荷载作用半径参考表 2提供的数据，双圆中心距离31.95 cm保持不变.BISAR3.0软件中，假定X方向为行车方向，Y方向为道路横断面方向，Z方向为道路深度方向^[7]；计算点位参考《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中相应的规定选取，即轮隙中心和单圆荷载中心处^[8]，并考虑到不同位置处力学指标之间的对比性，增加单圆荷载左右边缘处点位，其对应的横向位置分别为y=0、0.5r、1.5r、2.5r，如图 1所示.

1.4 层间接触条件选取

相关研究表明，层间接触条件的改变是导致沥青路面产生病害的重要原因之一，其中基层-面层层间接触状态的变化对路面结构力学特性的影响最大^[9~11]，故以下仅考虑基-面层间接触条件变化对结构受力特性的影响.BISAR3.0软件给出的剪切弹性柔量系数AK，为模拟沥青路面不同层间接触状态力学特性提供了依据^[12].AK作为层间接触状态的表征参数，通过定义层间滑动系数α来模拟不同的层间结合状态：

式中：AK为剪切弹性柔量，m³/N；μ为该层的泊松系数；E为上层的弹性模量，MPa；r为荷载半径，m；α为滑动系数，0≤α≤1；α=0时，表示层间完全连续；α=1时，表示层间完全滑动；实际计算时，α=0.99即视为层间完全滑动.

以下力学评价指标计算时，基-面层间接触条件为连续状态时，剪切弹性柔量系数AK=0；基-面层间接触条件为完全滑动状态时，不同轴载作用下剪切弹性柔量系数值如表 3所示.

2 评价指标计算结果分析 2.1 弯沉值计算结果

根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中相关规定，以下弯沉值分析仅考虑轮隙中心处的数值大小，其他位置处的弯沉值不再考虑.不同轴载作用下沥青路面基-面层间处于光滑状态时弯沉值计算结果见表 4所示.

由表 4所列数据可以看出：

1) 同一车辆轴载作用下，基-面层间接触条件的改变，导致路表弯沉值增大，即路表面垂直方向的总位移变大.相比连续状态，不同轴载条件下基-面层间接触条件为光滑状态时，弯沉值的增幅大致相同，约28.0%.其原因为弯沉值计算时假定路面结构材料均为完全弹性体，致使在不同轴载作用下层间接触条件改变所引起的弯沉值增幅基本一致.

2) 随着车辆轴载的增大，路表弯沉值呈线性增加.无论层间接触条件是处于连续接触状态还是光滑状态，均表现出相似的变化趋势.基-面层间为完全连续接触状态时，轴载120、140、160、180、200 kN相比标准轴载100 kN，弯沉值分别增大1.20倍、1.41倍、1.61倍、1.82倍、2.03倍；而当基-面层间为完全光滑接触状态时，弯沉值分别增大1.20倍、1.40倍、1.61倍、1.81倍、2.02倍，与轴载增大倍数基本一致.

3) 车辆超载与层间光滑状态二者耦合作用下，路表面弯沉值急剧增大，且大于单一因素对其的影响.基-面层间接触光滑时，车辆轴载200 kN对应的的路表弯沉值是标准轴载100 kN的2.0倍左右，而相比基-面层连续状态下标准轴载100 kN时的32.17(0.01 mm)增大约1.6倍，显然大于单一因素对其的影响.由此可见，车辆超载与层间光滑状态二者耦合作用是导致路表位移增大的重要原因，因此在路面运营期间，加强路面养护和车辆管理，避免不同因素耦合作用影响路面性能.

2.2 弯拉应力计算结果分析

不同轴载作用下沥青结构内不同层位的层底弯拉应力值如表 5、6所示.

1) 基-面层间接触条件由连续状态恶化为光滑状态，沥青层结构内受力特性改变，由受压变为受拉.在层间接触条件不变的情况下，轴载的增加并不会改变沥青层的受力状态，即路面损害模式不会改变.层间接触为连续状态时，沥青层内拉应力均为负值，不会因车辆超载致使拉应力超过其材料疲劳强度而产生荷载型裂缝.而在层间接触为光滑状态时，沥青路面有可能会因车辆超载产生荷载型裂缝.这也从侧面说明沥青路面荷载型裂缝的出现，是超载与层间接触条件变化二者耦合作用的结果，沥青路面层间接触并非是完全连续，实际状况与设计假定存在偏差.

2) 无论层间接触条件处于什么状态，半刚性基层内弯拉应力极值均大于沥青层内的弯拉应力极值，致使半刚性基层内易出现拉应力值过大而产生裂缝，即基层反射裂缝.其原因为半刚性基层一般采用无机结合料，而无机结合料的抗拉强度与沥青混合料的抗拉强度相差不大，在相同的路面结构及荷载作用下，基层层底更加容易出现拉应力值大于材料抗拉强度的现象，即基层层底先于沥青面层开裂.

3) 随着车辆轴载的增大，半刚性基层层底拉应力值呈线性增加，即产生裂缝的几率增大.同一层位，拉应力值增大的倍数与荷载增大的倍数相同.其原因为沥青路面力学指标计算时假定路面材料为完全弹性体，应力形变关系呈线性特性，故导致荷载作用下力学评价指标呈规律变化.

4) 车辆超载与层间接触光滑状态二者耦合作用下，弯拉应力极值显著增大，且大于任一单因素对其的影响.以结构内拉应力极值即底基层层拉应力作为分析对象，综合考虑超载及层间光滑二者耦合，车辆轴载为120、140、160、180、200 kN，相对标准轴载100 kN对应的拉应力值增幅分别为70.1%、97.9%、125.6%、153.2%、180.7%；若仅考虑车辆超载因素，对应的拉应力值平均增幅分别为19.8%、39.4%、58.9%、78.4%、97.8%；而若仅考虑层间光滑因素，拉应力值增幅为42.0%，耦合作用对其的影响显著大于单一因素.路面层间接触实际上并非完全连续，介于完全连续与完全光滑之间，在该状况下，车辆超载将导致路面结构内裂缝病害发生的几率显著增大，运营年限缩短.

2.3 剪应力计算结果分析

不同轴载作用下沥青结构内不同层位的层底剪应力值如表 7、8所示.

由表 7、8可以得出：

1) 结构内最大剪应力产生的部位受层间接触条件变化的影响较小，即无论层间接触条件处于什么状态，最大剪应力值均主要集中在沥青路面的中上面层.这说明沥青路面常见的剪切、推移等病害多发生在上述部位，该结论符合已有研究成果及实际情况.

2) 基-面层间接触条件的变化，对沥青路面下面层力学特性影响显著.层间接触条件由连续状态恶化为光滑状态，上面层、中面层、下面层、基层、底基层层底剪应力极值平均增幅分别为14.3%、25.0%、133.6%、29.5%、41.9%，即下面层受层间接触条件的影响最为显著.层间接触条件恶化后，致使沥青路面上、中、下面层均处于病害发生高发区，病害发生的范围增大，影响深度加深.

3) 层间接触状态无论处于什么状态，随着车辆轴载的增加，剪应力极值基本上呈逐渐增大的趋势，下面层增幅较大.基于剪应力极值产生的部位，以下仅考虑面层内剪应力值变化量.车辆轴载120、140、160、180、200 kN相对于标准轴载100 kN，上面层层底剪应力极值平均增幅分别为11.0%、22.6%、29.1%、31.7%、16.6%；中面层层底剪应力极值平均增幅分别为11.8%、20.5%、29.6%、33.4%、14.5%；下面层层底剪应力极值平均增幅分别为15.2%、29.1%、45.7%、52.9%、63.7%.由此可见下面层力学特性受轴载的影响比较大.

4) 车辆超载及层间光滑状态二者耦合作用下，沥青层内剪应力值急剧增大，且大于任一因素对其的影响.以沥青层内剪应力极值即中面层层底剪应力作为分析对象，综合考虑超载及层间光滑二者耦合，轴载为120、140、160、180、200 kN，相比标准轴载100 kN对应的剪应力值228.8 kPa，中面层层底剪应力值分别增大约1.5倍、1.6倍、1.7倍、1.7倍、1.3倍；若仅考虑超载作用，层间连续接触条件下不同轴载对应的剪应力值较标准轴载分别增大约1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.3倍、1.3倍；若仅考虑层间光滑因素，剪应力值仅增大约1.3倍.沥青路面层间接触实际上并非完全连续，在车辆超载因素耦合作用下，沥青层内产生剪切推移破坏的几率显著大于理论假设计算结果，这也是导致设计计算结果与实际状况差异比较大的重要原因之一.

2.4 耦合作用对路面疲劳寿命的影响

层间接触条件及车辆轴载的增加，均会引起路面力学特性发生变化，为探究二者及二者耦合作用对路面疲劳寿命的影响，借助《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)及《城镇道路路面设计规范》(CJJ 169—2011)提供的相关方法，计算不同条件下沥青路面的疲劳寿命.

当以路表弯沉值为设计指标时，路面结构疲劳寿命计算：

式中：N_e为路面容许的疲劳作用次数；l_d为设计弯沉值(0.01 mm)，具体计算时通过理论弯沉与实际弯沉的回归方程进行修正，采用修正后的值；A_c、A_s、A_b为结构计算系数，对于高等级公路沥青路面而言，根据规范规定分别取1.0、1.0、1.0.

当以沥青层底拉应力为设计指标时，路面结构疲劳寿命计算：

当以半刚性基层层底拉应力为设计指标时，路面结构疲劳寿命计算:

式中:N_e为路面容许的疲劳作用次数；σ_S为沥青混合料或半刚性材料的极限抗拉强度,MPa；σ_R为路面结构材料的容许拉应力,MPa.

沥青路面病害调查资料显示，车辙也是重要的病害形式^{[13, 14]}，鉴于当前公路沥青路面设计时对车辙病害的控制指标考虑的尚不确切，故借鉴 《城镇道路路面设计规范》(CJJ169—2011)中车辙病害的相关规定进行计算^[15].

当以沥青层结构内剪应力为设计指标时，路面结构疲劳寿命计算：

式中:N_e为路面容许的疲劳作用次数；τ_S为沥青混合料结构层60 ℃>抗剪强度,MPa，AC-20混合料抗剪强度取值0.8 MPa^[16]；[τ_R]为沥青混合料结构层容许抗剪强度,MPa；A_c为道路等级系数，取值1.0.

由表 9、10所列数据可以看出，

1) 在所选定计算条件中，车辆超载及层间光滑状态二者耦合与标准状况相比，路面疲劳寿命下降明显；当以弯沉值为控制指标时，疲劳寿命降低13 997.4万次，降幅99.98%；当以半刚性基层层底拉应力为控制指标时，疲劳寿命降低60 489.2万次，降幅99.98%；而以沥青层结构内剪应力为控制指标时，疲劳寿命下降218.6万次，降幅97.57%；由此可见当沥青路面基-面层间处于非理想状况时，车辆超载加速了路面疲劳破坏的速度.

2) 标准状况下，由沥青层剪应力控制指标得到的疲劳寿命最短.由于沥青路面设计时剪应力评价指标的缺乏，从而导致当前疲劳寿命理论计算结果往往大于实际车辆加载作用次数.为使评价结果更接近实际情况，建议沥青路面设计及验算时，增加剪应力控制指标.

3 结论

1) 车辆超载及层间光滑状态二者耦合作用下，沥青路面结构内力学特性变化显著，且明显大于任一单因素对性能的影响.

2) 沥青层结构内拉压应力特性主要受层间接触条件的影响，车辆轴载增加对其的影响较小，仅增加了裂缝发生的几率.

3) 层间接触条件变化及轴载增加，对结构内剪应力极值产生的部位影响较小，剪应力极值主要集中在沥青中上面层；层间接触条件劣化后，车辙病害影响范围加深.

4) 车辆超载及基-面层间光滑二者耦合作用，路面疲劳破坏的速度明显加快，寿命衰减严重.