長效路面結構的設計探討

楊乾隆，何曉鳴，黃文娟

(武漢工業學院土木工程與建筑學院，湖北武漢430023)

隨著我國經濟的持續、穩定、快速發展，我國的道路交通事業發展迅猛、成就巨大。然而我們也清楚地看到，國內有些公路通常達不到甚至遠低于設計壽命就出現了損壞，早期破壞現象十分普遍，需要進行大規模的養護維修甚至重建。如何延長公路的使用年限，這已成為目前我國公路建設者最為關心的問題之一。本論文對此展開研究，以期達到大大延長路面的使用壽命，為高速公路路面結構設計提供有益的經驗。

1 “剛基優面”設計思想的提出

1.1 長效路面的定義

長效路面是在當今國際上受到普遍重視的一種新的路面設計理念。長效路面又稱長壽命路面、永久性路面、耐久性路面等。目前國內外定義還沒有統一［1，2］，但是本文認為認為40年是長效路面設計比較適中的一個年限，也就是說，長效路面是指路面設計壽命超過40年的路面結構。應具備以下特點：①設計壽命達到40年以上;②在設計壽命期內，不發生結構性破壞，不需要進行結構性大修，即不需要對主要承重層大修;③路面的損壞只發生在表面功能層，只需要進行日常養護、預防性養護以及周期性的功能層銑刨更換。

1.2 路面基層類型與選擇

傳統的路面基層分為半剛性基層和柔性基層，而半剛性基層本身存在難以克服的缺陷與不足，這類材料溫縮、易開裂，干縮變形大，屬于脆性材料，裂縫的產生不可避免。統計分析發現，開裂是半剛性基層瀝青路面的最主要破壞型式，占到各種病害的90%以上。柔性基層在我國有級配碎石柔性基層和瀝青穩定碎石基層，由于級配碎石層整體強度不足，抵抗變形能力差，在荷載多次重復作用下易產生塑性變形積累，為達到較高的壓實度一般采用重型壓實標準。然而當其厚度較大時，即使達到較高壓實度，在重復荷載作用下也會產生較大的殘余變形。

根據以上對半剛性基層、柔性基層優缺點的分析，不得不把目光投向剛性基層。剛性基層主要指以貧混凝土、水泥混凝土和連續配筋混凝土等材料作基層。這類基層強度高，抗沖刷能力強，耐久性好。加鋪瀝青面層材料后，可以綜合剛性路面和柔性路面的優勢，大大延長路面的使用壽命。

1.3 路面面層類型與選擇

水泥混凝土路面與瀝青路面都具有鮮明的優點同時又存在一些難以克服的問題，所以考慮將水泥混凝土路面和瀝青路面結合起來，用水泥混凝土路面做剛性基層，用瀝青路面做面層，形成復合路面，發揮各自的長處。這種新型的復合路面結構既解決了水泥混凝土路面養護維修困難、行車舒適性差等問題，又節省修建厚層瀝青路面所需的大量費用。

為達長壽命目的，要求瀝青混合料面層必須具備以下性能：①具有足夠的抗剪強度以抵抗剪切破壞;②具有足夠的抗拉強度和抗變形能力，足夠的抗水損壞能力，即具有比普通瀝青路面更為突出的高溫、低溫和水穩定性;③具有良好的平整度、耐磨、抗滑性能;④具有良好的擴散車輪荷載，減少沖擊振動以及降低溫度梯度能力。因此，所選用的瀝青混合料面層要求具有優良的性能，即“優面”。

2 長效路面結構層設計

按照“剛基優面”的思想，在設計路面結構時，按照標準標準軸載作用下，為綜合分析相關影響因素對瀝青面層底拉應力和普通水泥混凝土(PCC)板底彎拉應力的影響程度，采用正交分析安排各個因素組合是一種比較好的方法。

正交試驗設計是利用正交表來安排和分析多因素試驗的一種設計方法。它是在試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗，通過對這部分試驗結果的分析了解全面試驗的情況，找出最優的水平組合。正交試驗設計的基本特點是：用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結果的分析，了解全面試驗的情況。

2.1 因素參數范圍的確定

2.1.1 面層厚度

PCC+AC［3］(普通水泥混凝土+瀝青混凝土面層)復合式多功能長效路面的表面功能層直接承受車輛荷載的反復作用，主要為路面提供平整、舒適、抗滑、耐久的服務功能，對于降低水泥混凝土板荷載應力的效果有限，考慮設計基準期為8—10年，可初步確定其厚度為4—8 cm。

2.1.2 基層厚度

對于PCC+AC復合式多功能長效路面，水泥混凝土板是主要的承重結構層，是保證路面滿足使用年限的重要措施。現行水泥混凝土路面設計規范規定，對于特重高速公路，變異水平等級為低時，面層最小厚度為26 cm，確定水泥混凝土板厚度為26—30 cm，強度等級為C45，抗折強度≥5.0 MPa。

2.1.3 水泥穩定碎石層厚度

水泥穩定碎石層介于剛性基層和土基之間，起著承受和擴散基層傳來的荷載應力的作用，同時改善土基的溫度和濕度狀況，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。水泥穩定碎石基層集料級配采用《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034-2000)表3.2.2的3號基層級配。底基層水泥穩定碎石集料級配采用《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034-2000)表3.2.2的2號底基層級配，壓碎值不大于30%。水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥。設計配合比：基層水泥占5%(7天無側限抗壓強度3.5MPa);底基層水泥占3%(7天無側限抗壓強度2.5MPa)。初步確定水泥穩定碎石層厚度為30—40 cm。

2.1.4 地基模量

在應用彈性層狀體系理論進行路面計算時，必須確定路基土和路面材料的彈性模量值。土基回彈模量是路面結構設計的重要參數，其取值的大小對路面結構厚度有較大影響，土基回彈模量與土的性質、密實度、含水量、路基所處的干濕狀態以及測試方法有密切關系。根據查表法，確定臨界高度和擬定土的平均稠度，預測土基回彈模量，可以初步確定土基回彈模量為30—40 MPa。

2.2 長效路面力學指標正交試驗設計

2.2.1 考核指標、影響因素和因素水平的確定

本項目選取正交試驗的考核指標為PCC+AC復合式長效路面結構的力學設計指標，包括路表彎沉、瀝青面層底拉應力和水泥混凝土剛性基層底彎拉應力。力學指標運用BISAR軟件進行計算。

影響考核指標的因素從路面結構中的材料性能和各層厚度兩個方面來考慮，主要影響因素可歸納為瀝青面層厚度、水泥混凝土板厚度、水泥穩定碎石底基層厚度和地基模量4個因素。為了有效比較各個因素對于試驗結果的影響，各個因素取3個水平，如表1所示。

表1 正交試驗影響因素和因素水平表

2.2.2 正交表的選擇

正交試驗方案文獻［4］的是通過選取適當的正交設計表來構造。正交設計表選取的一般原則是：正交表中的水平數應與每個因素水平數相等，正交表中的因素數應大于或等于實際因素數，任兩列的所有水平組合都出現，使任意兩因素間的試驗組合為全面試驗。在符合原則的前提下，應盡可能選用試驗次數較小的正交表，以減少計算分析工作量。本項目正交分析為4因素3水平，根據正交表均衡分散和整齊可比的特點，選擇L9(34)的試驗方案，方案布置見表2所示。

表2 正交試驗設計表

2.3 長效路面結構的軟件計算結果

BISAR具有比較完善的計算和分析能力，分析的最大層數可達10層，能夠模擬從完全連續到完全滑動的各種層間接觸條件，能夠計算任何一點的應力、應變和位移，包括主應力、主應變及其作用方向。

BISAR程序所提供的荷載輸入方式靈活多樣，可以是集中荷載，也可以是圓形均布荷載，路面結構的輸入參數主要是回彈模量、泊松比和層厚。

運用BISAR軟件進行計算，其結構參數見表3所示。

表3 長效路面結構材各層料參數

根據BISAR軟件的計算結果，匯總到如表4所示。

2.4 試驗指標綜合比較分析

單獨分析各個指標得到的影響因素主次順序并不一致，必須綜合考慮各個指標來確定合理的長效路面結構。

對于瀝青面層厚度因素，其對瀝青層底拉應力指標影響大小排第1位，取第3個水平，即8 cm;而其對彎沉和PCC板底彎拉應力指標影響大小分別排在第4位和第3位，為次要因素;但考慮到當瀝青層比較薄時(4—12 cm)，瀝青面層基本處于受壓狀態，而且厚度變化對力學指標的影響并不明顯，故可考慮適當降低瀝青面層的厚度，取6—8 cm。

對于PCC板厚度因素，其對PCC板底彎拉應力指標影響大小排第1位，取第3個水平，即30 cm;其對瀝青層底拉應力指標影響大小排在第2位，取第2個水平，即28 cm;而其對彎沉指標影響大小排第3位，為次要因素，因此PCC板厚度可取為28 cm或30 cm，由表4可知，PCC板從28 cm增加到30 cm時，PCC板底彎拉應力減小的并不明顯，考慮到節省工程造價，故取PCC板厚度為28 cm。

表4 試驗結果表

對于水泥穩定碎石層厚度因素，其對彎沉和PCC板底彎拉影響大小均排第2位，都取第3個水平，即40 cm;而其對瀝青面層底拉應力指標影響大小排第4位，為次要因素，故取水泥穩定碎石層厚度為40 cm。

對于地基模量，其對彎沉指標影響大小排第1位，取第3個水平，即40 MPa;而其對瀝青層底拉應力和PCC板底彎拉應力影響大小分別排第3位和第4位，為次要因素，故取40 MPa。

3 工程應用實例

武漢(姑嫂樹至天河機場高速公路)(以下簡稱“本項目”)重點服務于武漢市及“武漢城市圈”快速進出機場的交通需求，也兼具出入境通道的功能。

3.1 路面結構設計

根據《公路自然區劃標準》(JTJ003-86)劃分，本項目位于公路自然區劃Ⅳ3區。設計采用瀝青混凝土路面，設計標準軸載為BZZ-100，路面設計使用年限15年，按彎沉和彎拉應力雙控指標進行控制，填方路段土基當量回彈模量要求E0≥40 MPa。根據交通量預測結果，在路面設計使用年限內，一個車道內累計當量軸次為1.289×107次，主線路面設計彎沉值經計算為0.234 mm。

本項目經過方案比選，最終確定如下方案［5］：

上面層：4 cm瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA-13)

中面層：6 cm厚中粒式瀝青混凝土(AC-20C)

下面層：8 cm厚粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)

封 層：乳化瀝青稀漿封層

基 層：40 cm厚水泥穩定碎石

底基層：20 cm厚低劑量水泥穩定碎石

3.2 路段試驗方案

根據武漢天河機場第二通道的設計說明書，該工程從起點至黃花澇互通主線的路基寬度為33.5 m，設計標準為100 km/h的雙向六車道高速公路，其長度總整個工程全長的2/3，所以試驗段選擇在該路段上鋪筑具有典型意義。本項目所研究的多功能長效路面面層分為兩種，在直線段鋪筑瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)，而在平曲線段鋪筑開級配瀝青抗滑磨耗層(OGFC)以提高其防滑性能。根據《規范》要求，試驗段的最小長度以1 km為宜，因此在六車道橫斷面位置各選擇1 km的直線和平曲線段做為本項目的試驗路段，分別鋪筑SMA和OGFC面層，其路面結構設計如表5所示。

表5 試驗段路面結構

用于鋪筑試驗路的材料性能的各項指標均要滿足有關規范規定，材料的來源主要由設計說明書提供的地點取用。多功能長效路面的面層、應力吸收層、水泥混凝土板和防水聯接層的施工要點均按照第五章提供的方法實施。本項目設計的全壽命周期為40年，在此期間原設計路面結構經過將近3個壽命周期，而長效路面只需要進行預防性養護和定期大中修，兩種路面結構經濟性比較的具體結論需要長期觀測和記錄方能得出。

4 結束語

本文提出了“剛基優面”的設計思想，為路面設計提供了新思路。并以之為指導，設計了多功能長效路面結構，充分發揮了剛、柔兩種路面的優點，為長壽面路面設計提供了一種新的路面結構型式。并以武漢市天河機場第二通道工程為依托工程，來驗證本觀點的可行性。但實現長效性的路面結構型式不只有一種，今后在理論研究與實踐探索中，還應豐富多種長效路面類型形式。

［1］ 孫志林，黃曉明.永久性瀝青路面研究綜述［J］.華中科技大學(城市科學版)，2007，24(3)：49-52.

［2］ Asphalt Pavement Alliance. Perpetual Pavements Synthesis［Z］，Asphalt Pavement Alliance Order Number APA 1011/02，2002.

［3］ 楊太欽.PCC-AC復合式路面典型結構研究［D］.南寧：廣西大學，2008.

［4］ 袁譜，王端宜.長壽命瀝青路面結構參數變化的三維有限元分析［J］.廣東公路交通，2006(2)：1-4.

［5］ 湖北省交通規劃設計院，武漢市公路勘察設計院.武漢天河機場第二通道初步設計說明［R］.2009.8.