重載交通長壽命瀝青路面設計方法

白子建，賀 海，周驪巍

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

0 引言

瀝青路面具有施工方便快捷、行車平穩舒適、噪音低且易于養護維修的優點，因此其作為高級路面的主要結構類型而在國內外公路和城市道路建設中被應用。在我國的道路建設中有90%的道路是瀝青路面結構。但我們也應該清楚認識到，我國公路的建設起步較晚，技術力量薄弱，同時由于我國氣候和交通荷載條件復雜多變，車輛超載嚴重，優質路用石油瀝青等筑路材料缺乏的原因，許多公路路面結構還存在種種問題，一些路段的建設水平并不如人意，甚至通車沒幾年就發生了車轍、開裂、泛油、坑槽等早期損壞現象，不得不進行大面積維修甚至重新新罩面。隨著我國公路建設的發展，特別是近年來，國民經濟高速發展，在大交通量、高比例重載車以及高胎壓的不利作用下，瀝青路面病害問題逐漸凸顯出來，在公路養護維修方面的投入不斷加大，因此重載交通作用下的長壽命瀝青路面設計被提了出來。

1 瀝青路面分層及層位功能

行車荷載和自然因素對路面的影響，隨深度的增加而逐漸減弱。因此，對路面材料的強度、抗變形能力和穩定性的要求也隨深度的增加而逐漸降低。為了適應這特點，路面結構通常分層鋪筑，按照使用要求、受力狀況、土基支撐條件和自然因素影響程度的不同，分成若干層次。通常劃分為三個層次，即面層、基層和墊層。

1.1 面層

面層是直接同車輛和大氣接觸的表面層次，它承受較大的行車荷載的垂直力、水平力和沖擊力的作用，同時還受到降水的浸蝕和氣溫變化的影響。因此，同其他層次相比，面層應具備較高的結構強度，抗變形能力，較好的水、溫穩定性，而且應耐磨、不透水，其表面應有良好的抗滑性和平整度。

修筑面層所用的材料主要有：水泥混凝土、瀝青混凝土、瀝青碎石混合料、沙礫和碎石及塊料等等。面層有時分兩層或三層鋪筑，如高速公路面層總厚度18～20 cm，可分為上、中、下三層鋪筑，并根據各分層的要求采用不同的級配等級。水泥混凝土路面也可以分上下兩層鋪筑，分別采用不同標號的水泥混凝土材料。水泥混凝土路面上加鋪4 cm瀝青混凝土這樣的復合式結構也是常見的。但是沙石路面上鋪2～3 cm的磨耗層或1 cm厚的保護層以及厚度不超過1 cm的簡易瀝青表面處治，不能作為一個獨立的層次，只能看作是面層的一部分。

1.2 基層

基層主要是承受由面層傳來的車輛荷載的垂直力，并擴散到下面的墊層和土基中去。實際上基層是路面結構中的承重層，它應具有足夠的強度和剛度，并具有良好的擴散應力的能力。基層受大氣因素的影響比面層小，但是仍然有可能經受地下水和通過面層滲入的雨水的浸蝕，所以，基層結構應具有足夠的水穩定性。基層表面雖不直接供車輛行駛，但是要有足夠的平整度，這是保證面層平整度的基本條件。

修筑基層的材料主要有各種結合料（如石灰、水泥和瀝青等）穩定土或穩定碎石、貧水泥混凝土、天然沙礫、各種碎石或礫石、片石或圓石，各種工業廢渣（如煤渣、粉煤灰、礦渣、石灰渣等）和土、砂、石所組成的混合料等。

1.3 墊層

墊層介于土基和基層之間，它的功能是改善土基的濕度和溫度狀況，以保證面層和基層的強度、剛度和穩定性不受土基水溫狀況變化的影響。另一方面的功能是將基層傳下的車輛荷載應力加以擴散、以減小土基產生的應力和變形，同時也能阻止路基土擠入基層中，影響基層結構的性能。

修筑墊層的材料，強度要求不一定高，但水穩定性和隔溫性能要好，常用的墊層材料分為兩類，一類是由松散粒料，如砂、礫石、爐渣等等組成的透水性墊層，另一類是用水泥或石灰穩定土等修筑的穩定類墊層。

2 瀝青路面設計方法概述

2.1 傳統瀝青路面設計方法

隨著半剛性瀝青路面在我國高等級公路的大量使用，瀝青路面已經遍布我國大江南北。但縱觀近些年修建的重載交通的高等級公路，傳統的瀝青路面往往在較短的時間內就產生嚴重的破壞，如水損害、車轍等，遠沒有達到道路的設計年限。這些損壞不僅降低了道路使用性能，增加了路面壽命周期成本，給道路建設和養護造成了巨大的經濟損失，同時也對現行路面設計、施工技術提出了挑戰，對于我國瀝青路面結構的性能提出了更高的要求。從世界范圍看，柔性路面結構和半剛性路面結構（包括復合式路面結構）是瀝青路面的兩大類型。歐美國家、日本、澳大利亞等以柔性路面結構為主，而我國、前蘇聯等則以半剛性路面結構為主．奉行“強基、薄面、穩路基”方針的半剛性基層瀝青路面是我國瀝青路面的主要形式。

2.2 傳統瀝青路面設計方法的缺陷

路面結構設計的基本思想是路面結構的承載能力主要依靠半剛性基層,路面結構破壞就意味著是基層破壞。實際上現在許多高速公路的彎沉值都非常小。似乎路面不應該被破壞,可是實際卻壞了;另一方面,一旦水滲入基層、路基,彎沉又會變得很大。也就是說,傳統瀝青路面設計存在不可克服的缺陷：

（1）設計指標單一

盡管瀝青路面結構設計中包含彎沉和彎拉應力驗算指標,但實際在瀝青路面結構設計中,彎沉成為路面結構設計的唯一指標,也就是說按照現有規范方法,在路面設計彎沉滿足的條件下,彎拉應力驗算肯定是通過的,使得設計指標成為唯一。

（2）設計指標不可控制

設計指標應該是路面結構可能產生損壞的控制指標,即設計模型與路面結構損壞模型應該一致。但實際情況是彎沉指標無法與多種破壞類型和破壞標準相統一、協調。現有瀝青路面的損壞與設計模式大不相同,設計指標形同虛設。路面設計的宗旨是防止在設計年限內總交通量反復荷載作用引起路面疲勞破壞,實際上絕大部分路面是在交通量遠未達到設計交通量的早期已經發生了破壞,疲勞破壞的指標沒有起到控制作用。

（3）理論驗算假定條件不準確

按照現有公路瀝青路面設計規范,在進行瀝青路面結構彎拉應力驗算時,假定層間接觸條件是連續接觸,在這種條件下進行應力驗算,半剛性基層頂面的瀝青面層處于受壓狀態,所以瀝青面層不會發生彎拉疲勞破壞。實際上,很難做到瀝青層與半剛性基層的連續,即使是瀝青的上、中、下面層之間,由于施工污染、施工的非連續性等原因,瀝青層之間都有可能是部分連續或者滑動的,在荷載、水等外界因素的作用下,層間界面連接狀態的改變是必然的,因此路面結構設計時的假定條件是不準確的,在這種情況下,理論驗算結果的準確性可想而知。路面材料設計參數與實際路用性能缺乏關聯性路面設計采用理論計算方法,看似很先進,實際上材料設計參數一般只是通過室內試驗確定。國外很多研究表明,路面材料在實際使用過程中,其室內性能與路用性能之間的關系并沒有很好的相關性,而設計人員在路面結構設計過程中,一般使用規范推薦的材料參數中值的簡單辦法進行設計,更談不上去建立路面材料室內力學性能與野外路用性能的關系,所以其設計過程實際上只是個形式。通過對瀝青路面結構設計中存在問題的分析可以看出,在設計上,瀝青路面發生早期損壞現象是必然的。也就是說,瀝青路面結構設計本身就是矛盾的,設計模型與瀝青路面早期損壞模式沒有較好的相關關系。

（4）實際交通荷載與設計荷載出入較大

根據交通荷載情況的調查,目前我國汽車后軸軸重一般在60～150 kN,胎壓一般在16～111 MPa;而設計標準軸載為單軸雙輪胎100 kN,胎壓一股不超過17 MPa。近幾年重載車、超載車大量增長,有的標定30 t的車輛,實際達到150 t以上,盡管有關部門進行了超限超載治理,車輛超載的現象還是時有發生,造成了路面早期損壞,使路面使用壽命大大縮短。長壽命路面僅是一種新的設計理念,而非新的設計理論,設計時仍然采用傳統的設計理論,只是將瀝青層底部的彎拉疲勞應變和路基頂面的壓應變控制在一定數值以下。

2.3 長壽命瀝青路面概念及理論

長壽命瀝青路面(Long-Life Asphalt Pavement)是當前世界各國瀝青路面最熱門的研究內容,近幾年EAPA和ISAP組織的國際會議中長壽命瀝青路面是個最重要的議題。長壽命瀝青路面將成為未來的主要路面結構,特別在高速公路和重載道路中,是一個全新的境界。此研究以修建使用壽命30～40 a的長壽命路面為目的，要求路面具有足夠承載力，無結構性破壞，路面無明顯早期水損害，路面無早期泛油，無10～15 mm的早期車轍，路面具有滿足要求的抗滑能力，其早期損壞率低于萬分之一。

長壽命路面采用較厚層柔性路面,降低了傳統的瀝青層底開裂和避免結構性車轍,損壞僅限于路面頂部(25～100 mm),在設計使用年限內無結構性修復和重建,僅需根據表面層損壞情況進行周期性修復。長壽命路面要采用抗車轍、不透水、抗磨耗的表面層,抗車轍的聯結層以及抗疲勞的基層,該理念主要針對重交通量道路,也是適用于重、輕交通道路,因此長壽命路面適用于任何道路,而且該理念也可用于舊路的維修和重建之中。

公路路面出現早期損壞,除了超載因素(“第一殺手”),根本原因在于對高等級重交通瀝青路面的主要行為特點還缺乏明確的認識,目前的路面設計理論和方法,只是以前輕交通路面設計理論和方法的簡單外延,與重交通路面的要求尚有較大距離。重交通路面實踐中有三類損壞是尤其需要重視的,一個是車轍;一個是新型龜裂(縱向平行裂縫);另一個則是混合料的均勻性,即離析，當輪壓、輪載同時超載時,路面可能會發生一次性破壞;輪壓、輪載同時超載的現象其實是很常見的。從我國大量修建的“強基薄面的半剛性瀝青路面的使用性能以及施工檢測數據可以看出,長壽命瀝青路面結構設計的總體思想應是“強基厚面”,且不能以彎沉為設計指標,在路面結構上路面的各結構層較厚,不僅僅基、墊層要厚和強,面層也要厚。長壽命路面的目標為:(1)結構使用壽命50 a以上；(2)磨耗層、罩面層等可修復面層的結構壽命為 15～20 a；(3)耐久、平整、安全的行使表面；(4)環境協調、友好性(包括可再生性)；(5)避免結構性重建長壽命路面的破壞形式分析。

長壽命瀝青路面設計的根本理念是實現路面損壞模式的轉變,即從“自下而上”的損壞轉變為“自上而下”轉變。伴隨著重載交通和交通量的增加,現行的路面設計體系和設計標準的路面達不到設計年限就需要“開膛破肚”進行大修。然而大修從壽命周期分析的角度來說是非常不經濟的,長壽命路面正是基于總費用最經濟的原則最早在歐洲提出來的。半剛性基層材料變形小、易斷裂的缺點依然沒有改變。反射裂縫仍然為半剛性基層路面的主要破壞模式,由此引起瀝青路面的反射性裂縫程度不同的存在,得不到妥善的處理,甚至有更加嚴重的后果—水損壞和上下剪切和表面受拉。半剛性基層材料在行車荷載、水和溫度梯度的綜合作用下出現的基層唧泥現象,在重交通條件下出現的早期疲勞損壞現象等。半剛性基層瀝青路面的排水性能不好,對大交通以及重在交通的敏感性大,層間的粘結困難,很難成為整體,而且損壞后維修很困難、表面處理和控制比較困難。就半剛性基層瀝青路面而言,瀝青層越厚,抗車轍的變形的能力就越差。

長壽命路面的設計理念代表了國外高等級公路路面結構選擇和設計的新趨勢。有關人士普遍認為,這種路面結構能有效地減少水損害.使路面結構的受力相協調,在重交通條件下具有較長的使用壽命,并有利于采用統一的瀝青材料保證路面質量。當前研究成果支持:設計較厚的瀝青層,能使精心施工的瀝青路面損壞僅發生在表面層。長壽命瀝青路面主要的破壞型式是一般始于面層車轍和自上而下的裂縫。車轍主要是由于路面結構處于反復剪切應力的狀況下而產生的塑性蠕變累積,反應到表面,由瀝青層、級配碎石層、土基中產生,中面層是重點。瀝青層厚度大于180 mm的時候,車轍基本不受影響。當瀝青面層厚度小于180 mm時,較大的交通量引起的土基應變對車轍的產生有著較大的影響。裂縫普遍存在于養生成熟的厚瀝青路面上,通常以一條或多條縱向裂縫的形式存在。表面裂縫不一定會削弱路面的強度,對道路并不造成結構性損壞,是長壽命路面設計的一項重要理論依據。由于瀝青材的粘彈性.路面內部所出現的微小裂縫往往能夠自愈.而不致于像半剛性基層材料那樣,在出現裂縫后.將迅速進入裂縫擴展階段。這種功能性破壞,可以通過瀝青罩面或銑刨加鋪的方法,來保證路面的行車舒適性和良好的服務性能。

長壽命路面必須是施工良好、且修建在堅固基礎上的，這樣就不會因為施工和材料的質量問題引起道路結構的破壞。養生意味著道路鋪筑初期，其結構特性本身還未形成，此時的道路最容易為交通荷載所損壞。只要道路有足夠的初始強度，其主要結構層就不會被初始交通所破壞，養生便會逐漸提高道路擴散荷載的能力，并逐漸降低車輛所造成結構性破壞。在某一最小強度閾值之上的道路預期可獲得40 a的使用壽命甚至更多。

3 結語

（1）我國瀝青路面設計方法從無到有,經歷了多次變革,形成了以路面彎沉為主要指標的設計思想,以滿足設計年限內、允許通過的預測交通量要求的路面整體剛度為目標,以提高路面結構的承載能力為主要目的,兼顧結構的抗疲勞能力的路面結構設計理念,極大地推動了我國公路建設事業,尤其是高速公路的發展。

（2）高速公路路面出現早期損壞問題,盡管原因很多,但絕大部分路面是在交通量遠未達到設計交通量的早期甚至在彎沉值都非常小時已經發生了破壞,路面彎沉和疲勞破壞的主要指標并沒有起到控制作用,許多學者和專家已經認識到我國路面結構設計與實際運用情況差距較大這一事實,開始反思現行設計規范的不足。因此適時引進長壽命瀝青路面設計方法,改善我國路面結構類型,提高耐久性,已成為廣大技術人員義不容辭的責任。

（3）近幾年來,為推廣新結構,交通部公路科研所以及各省先后對AASHTO和SUPERPAVE路面進行了大量的研究,并相繼引進了適應這些結構形式的試驗儀器,掌握了其設計、施工、試驗方法,為推廣新的結構提供了依據;并且現在我國經濟每年以6%～10%的速度發展,經濟實力增強,適當增加投資,選擇重點路線、路段進行路面結構的變更,增加其厚度,按全壽命的思路設計,是可行的。綜上所述,針對我國高速公路現狀和經濟、技術情況適時引進推廣先進的設計方法,改善我國瀝青路面設計結構組成,引進試驗方法和手段,是完全必要的,也是目前解決我國瀝青路面早期損壞的最好途徑。

（4）隨著交通量的增長和軸載的增大,永久性瀝青路面將成為未來主要的路面結構,特別是在高速公路、重載交通中。我國正在進行大規模的道路交通基礎建設,每年都有相當里程的高速公路等高等級道路建成通車。對于重交通道路,長壽命、低養護路面可以降低道路總的壽命周期費用,盡早進行長壽命路面的研究,具有重要的現實意義。

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