長壽命半剛性基層瀝青路面的設計原理及方法探討

谷志軍

（河北省唐山市豐潤區交通運輸局 唐山 064000）

半剛性基層瀝青路面是我國公路路面的主要結構形式，要實現我國的長壽命半剛性基層瀝青路面，路面設計是第一位的，因此，必須掌握長壽命半剛性基層瀝青路面設計的核心技術。

我國傳統的瀝青路面設計方法存在缺陷，即缺少路面結構動載性能分析，把汽車荷載當作靜載，運用彈性層狀連續體系理論進行計算，往往造成路面結構動載性能不良，這樣的半剛性基層瀝青路面很難達到長壽命，容易發生結構性損壞。因此，在瀝青路面設計中對結構層與組合設計要把汽車荷載當作動載，增加路面結構動載性能分析這一關鍵環節。

1 路面結構動載性能分析

對路面結構的動載性能進行分析，首先要把汽車荷載看作動載，分析汽車駛過路面時，汽車荷載在路面各結構層的傳遞、擴散；分析路面各結構層的結合狀態，是趨于連續狀態還是滑動狀態；路面結構動載性能分析不采用彈性層狀連續體系理論，忽略路面結構體的豎向壓縮變形，把路面結構體當作柔性剛體（試驗證明半剛性基層瀝青路面80%以上的彎沉（撓度）來自于路基變形）。

（1）路面結構實質是一種“介質”，一方面承受結構自身及汽車荷載的壓力，另一方面把汽車動載快捷、均勻地傳遞給路基，即擴散傳遞荷載的作用；習慣上認為半剛性基層是主要承重層，半剛性底基層是次承重層，而忽略了對路基承重的理解和認識，路基是最終的“承重層”。路面結構中的基層、底基層的承重作用是與橋梁中的梁板的承重作用有著本質區別的。公路路面與鐵路在結構上異曲同工，火車的載重量要比汽車大，速度也快，鐵路表現出了良好的使用性能，這說明鐵路結構設計是很成功的。鐵路結構很簡單，從下至上依次是路基、道碴、枕木、鐵軌，這也給公路結構設計提供了新思路。

（2）半剛性材料優缺點再認識，要揚長避短。半剛性材料優點是板體性好、剛度大，承載能力強，半剛性基層瀝青路面彎沉小，有時甚至接近于0（貝克曼梁法測回彈彎沉）。半剛性材料能有效地提高路面的剛度和承載能力。缺點是結構層間滑動性大，而且不同半剛性材料間滑動性更大，路面結構動載性能不好。例如，河北高速公路普遍采用以下結構形式：

4 c m AC-13細粒式瀝青混凝土上面層；

0.2 c m SBS改性瀝青上封層；

6 c m AC-20中粒式瀝青混凝土中面層；

8 c m AC-25粗粒式瀝青混凝土下面層；

18 c m 4 MPa（7 d無側限抗壓強度）水泥穩定碎石上基層；

18 c m 0.8 MPa（7 d無側限抗壓強度）石灰粉煤灰穩定碎石下基層；

18 c m 0.6 MPa（7 d無側限抗壓強度）二灰土底基層；

路基。

該路面設計使用年限為15年。

筆者認為該路面結構動載性能不良。汽車荷載要通過4層板體即瀝青層、水泥穩定碎石上基層、二灰碎石下基層、二灰土底基層，最后傳遞、擴散到路基。上基層、下基層、底基層3層半剛性板體間滑動性大，不能形成一個連續的整體半剛性板來承受荷載。汽車動載在不同材料的半剛性板間擴散傳遞不良，會使該路面結構發生結構性破壞。首先疲勞損壞的層次是水穩碎石上基層，上基層和瀝青層被銑刨，留下二灰碎石。這不是正常的瀝青路面疲勞損壞，正常的疲勞損壞是瀝青路面在預期的使用壽命期限內，首先在底基層底部發生疲勞裂縫，緩慢向上延深到水穩碎石上基層和瀝青層，直到整個路面結構破壞。

2 路面結構形式新設想

（1）采用水穩碎石半剛性材料作基層路面結構設想［1］。結構形式如下：

4 c m AC-13細粒式瀝青混凝土上面層；

0.2 c m SBS改性瀝青上封層；

6 c m AC-20中粒式瀝青混凝土中面層；

8 c m AC-25粗粒式瀝青混凝土下面層；

18 c m 4 MPa（7 d無側限抗壓強度）水泥穩定碎石上基層；

18 c m 4 MPa（7 d無側限抗壓強度）水泥穩定碎石下基層；

18 c m 2.5 MPa（7 d無側限抗壓強度）水泥穩定碎石底基層；

15 c m骨架弱空隙型級配碎石墊層；

路基。

這個路面結構動載性能好，基層、底基層由于采用同一種半剛性材料，使3層半剛性板更趨于一個連續的整體承受汽車動載作用。其路面結構受力見圖1。

圖1 路面結構受力圖

半剛性材料直接鋪筑在土基上效果不好，半剛性材料為剛體性質，土基為柔性材料，因此底基層下設置15 c m骨架弱空隙型級配碎石墊層是有必要的，另一方面這也是借鑒了鐵路道碴的設置，它使整個路面結構更有彈性，路面結構動載性能更好。骨架弱空隙型級配碎石指摻加少量細集料（石屑），尤其要嚴格控制0.075 mm以下顆粒含量，集料內部有少量空隙的級配碎石，骨架弱空隙型級配碎石是介于骨架密實型級配碎石與骨架空隙型級配碎石之間的一種級配碎石，作者認為天然級配砂礫就屬于骨架弱空隙型結構。骨架密實型級配碎石和懸浮密實型級配碎石都具有“土”的性質，傳遞擴散汽車動載的能力差；而骨架弱空隙型級配碎石則能克服前二者的缺點，又具有足夠的穩定性。在路面結構底部設置15～30 c m厚的骨架弱空隙型級配碎石墊層的目的和作用就是使路面結構更快捷均勻地把汽車動載擴散傳遞給路基，使路面結構具有良好的動載性能。當基層、底基層采用同種半剛性材料且上基下基層采用相同的材料時，便能克服半剛性板體間滑動狀態的缺點。骨架弱空隙型級配碎石還有待進一步實驗論證。

（2）采用二灰碎石半剛性材料作基層路面結構設想。對于粉煤灰資源豐富的地區，高速公路、一級公路的路面結構形式如下：

4 c m AC-13細粒式瀝青混凝土上面層；

0.2 c m SBS改性瀝青上封層；

6 c mAC-20中粒式瀝青混凝土中面層；

10 c mATB-25密級配瀝青碎石下面層；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰穩定碎石上基層（7 d無側限強度2 MPa）；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰穩定碎石中基層（7 d無側限強度2 MPa）；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰穩定碎石下基層（7 d無側限強度2 MPa）；

15 c m骨架弱空隙型級配碎石墊層。

路基。

其受力為從面層傳遞到基層，再傳遞到墊層，最后傳遞到路基。

該路面基層3層采用相同的材料，即采用全厚式基層的形式。基層摻加2%的水泥以彌補石灰粉煤灰穩定碎石早期強度不足的缺陷。

（3）路面結構形式越簡單其使用性能和路面結構的動載性能往往會更好。我國著名道路專家沈金安在其著作《高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策》中介紹：美國愛荷華州20世紀60年代修建的洲際道路I-80上的2段道路被APA授予2002年永久性路面獎，1條在Cedar，另一條在Johnson。Cedar路段修建于1962年，結構為12.5 c mH MA（熱拌瀝青混凝土）面層＋40.6 c mATB（密級配瀝青碎石），直接鋪筑到細粒土上。Cedar全厚式瀝青路面結構簡單，路面結構動載性能良好，整個瀝青層形成一個厚路面結構板體，下面是路基。汽車動載通過厚瀝青層板體均勻傳遞擴散到路基。

3 利用國外永久性瀝青路面設計理論設計我國的長壽命半剛性基層瀝青路面

國外研究發現當瀝青層厚度超過一定厚度時，良好施工的路面結構不會產生源于層底的疲勞開裂和結構性車轍。在此基礎上建立了厚度設計圖，當標準軸次超過80×106次后，瀝青層厚度無需增加。這就成為一個新的設計范例：增加交通量無需機械地增加瀝青層厚度。這是由于有一個彎拉應變臨界點，當路面結構彎拉應變低于此值時，H MA（瀝青層）層底就不會產生疲勞損傷，因此繼續增加瀝青層厚度降低瀝青層底的彎拉應變就變成多余了，這個拉應變臨界點對應的疲勞壽命就是疲勞極限［2－3］。

雖然半剛性材料和H MA瀝青混凝土在材料性質上存在很大差別，但和H MA瀝青混凝土一樣，半剛性材料也必然存在著彎拉應變（或應力）臨界點，當半剛性材料底部受到的彎拉應變（或應力）低于半剛性材料的彎拉應變（或應力）臨界點，半剛性材料的底部就不會產生疲勞損傷。我們完全可以利用國外永久性瀝青路面的設計原理開發我國的長壽命半剛性基層瀝青路面，使我國的瀝青路面達到20年甚至更長的使用壽命。

以下為筆者的長壽命半剛性基層瀝青路面的設計思路：當半剛性基層瀝青路面具有合理的結構層組合和良好的動載性能的時候，當路面總厚度達到一定厚度時，“厚度”會有效地降低半剛性板底部的拉應力；當半剛性板底部受到的拉應力小于半剛性材料的彎拉應力臨界點時，半剛性材料底部就不會產生疲勞損傷。需要特別指出的是半剛性基層瀝青路面需要以該道路的重載車輛作為驗算荷載，使重載車輛下各結構層底部的拉應力小于容許值。如果把整個半剛性基層瀝青路面看作一塊柔性剛體板，其受力從路面體傳到骨架空隙型級配碎石墊層再傳遞到路基。

骨架弱空隙型級配碎石墊層起到類似鐵路道碴的作用。從能量傳遞的角度講，級配碎石墊層的設置是為了把汽車動載產生的能量最大限度地傳遞給路基。反過來骨架弱空隙型級配碎石墊層對半剛性板體的支撐更加穩固、均勻和緊密。

汽車駛過路面的時間為0.1～0.01 s，汽車荷載是瞬時荷載，也是一種“振動荷載”，與骨架密實型級配碎石和懸浮密實型級配碎石相比，骨架弱空隙型級配碎石做墊層鋪筑在半剛性板體下面更適合于汽車的“振動荷載”。骨架弱空隙型級配碎石墊層能夠與汽車的“振動荷載”達到一種“耦合”。

4 長壽命半剛性基層瀝青路面結構模型

長壽命半剛性基層瀝青路面結構模型見圖2。

圖2 長壽命半剛性基層瀝青路面結構模型圖

5 結語

半剛性材料在我國道路上應用已經有50多年的歷史，由于經濟、技術、歷史和我國的實際情況，半剛性基層瀝青路面在以后相當長的時期里仍將是我國公路的主要結構形式。在科學技術高速發展的今天，我國的瀝青路面應該有所突破和創新，也許有一天半剛性基層瀝青路面能夠使用20～30年。

［1］ 唐云偉，陸永軍，李明澤.瀝青路面裂縫產生的原因及防治措施［J］.交通科技，2006（4）：41-43.

［2］ 沈金安，李福普，陳 景.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 李美玲，冉 晉，任瑞波，等.基于F WD的瀝青路面結構單層模量反算研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2011（2）：365-369.