城市長壽命瀝青路面的設計與應用

■段文志，陳 鋒 ■．北京市城市道路養護管理中心，北京 00000;．南京航空航天大學，江蘇 南京 006

隨著城市現代化建設的發展和人民生活水平的日益提高，我國城市道路建設取得了巨大的發展。然而城市道路的早期破壞現象十分普遍，多數道路通常達不到甚至遠低于設計壽命就出現了損壞。目前，我國城市道路的設計年限一般為15年，但實際的使用年限均無法超過10年，甚至有的城市道路在通車初期2～3年就出現了較嚴重的破損［1］。部分道路幾乎每隔幾年就要進行一次大修，不僅要耗費巨大的財力和物力，而且造成嚴重的環境污染和資源的浪費。針對這種情況，城市瀝青道路路面的設計可以借鑒長壽命路面在高速公路路面設計中的經驗，以此來延長城市道路的實際使用壽命，獲得間接地經濟效益。

1 長壽命路面

長壽命路面指設計年限在40年以上的路面結構，它的設計壽命達到40年以上。在設計壽命期間，不發生結構性破壞，路面的損壞只發生在表面功能層，因此，只需進行日常養護，不需要對主要承重層大修;路面厚度較大，初期投資偏高，但運營過程中維修費用低，在壽命周期內最經濟［3］。長壽命路面的具有合理的路面結構，能夠充分發揮其整體性能，避免在壽命期內發生早期損壞;具有一定的結構層厚度，有效地降低各層層底彎拉應力;對各層材料的要求都很高，以確保結構層在較長的設計周期內不發生疲勞破壞;路基具有很強的承載能力，為其上路面結構層提供穩定與均勻的支承;排水設計合理，避免路面結構水損壞。

2 城市長壽命瀝青路面的工程應用

目前國內外的長壽命路面主要針對新建公路而言，而在我國的研究主要集中在高速公路領域，對城市長壽命路面的研究與應用十分有限。下面以北京工體北路路面翻新改造工程為例來說明城市長壽道路的設計思路與實際應用。

2．1 路面設計思路

工體北路作為北京市城市主干路，以公交車輛為主的重交通特征顯著，其路面基層主要由舊路不斷改造形成。限于北京市道路改造交通管理限制，需保留原基層。因此，工體北路項目路面設計從以下三個方面進行統籌考慮(工體北路路面設計要素如圖1):(1)引入國內外長壽命路面設計體系的破壞模式進行驗算，使得瀝青面層底面的拉應變被減少到不顯著的水平，能夠很好地抵抗由下至上的疲勞開裂;控制路基頂面壓應變小于控制標準，路面結構不發生顯著的永久變形。(2)按照我國瀝青路面設計規范進行驗算，參照設計壽命15年，路面承載能力(彎沉)充足，以各層底面層底拉應力小于材料容許拉應力控制，不發生設計期內的疲勞開裂。(3)通過前述結構和材料性能的一體化設計控制表面損壞、早期損壞問題。

圖1 路面結構計算要素

2．2 路面設計過程

(1)路面結構層位設計

經現場測量，工體北路原道路主路結構及各層厚度和材料參數如表1。

利用我國瀝青路面設計體系，根據實測數據及相關計算公式，驗算得知此路段的彎沉平均值為31.19，標準差為11.32，路面現況彎沉值計算為49.81。根據計算現況工體北路的彎沉知道路強度不足，需對道路進行補強，綜合分析后，路面設計最初定為:主路面層銑刨7cm后，加鋪二層瀝青混凝土結構，抬高路面4cm。根據規范按照該路面結構和設計交通量計算路面設計彎沉值為33.1(0．01mm)。根據《城鎮道路養護技術規范》(CJJ 36－2006)，現況道路特重交通等級，碎礫石基層小于35結構強度足夠，小于56大于35處于臨界狀態，大于56結構強度不足［5］。工體北路現況道路坑探結果顯示，道路基層為二灰土基層，面層瀝青混凝土與二灰土基層之間為10cm左右石渣墊層。綜合道路實際情況，按碎礫石基層進行計算，目前道路結構強度為臨界狀態，需對現況道路進行補強處理。按照最初確定方案的設計，原路面銑刨7cm、加鋪兩層普通瀝青混凝土，上面層為4cm，下面層為7cm，路面結構如表2所示，該結構計算彎沉為40，達不到設計要求。為了使路面結構達到規定的強度要求，須加大加鋪層的厚度，經計算修改為加鋪的下面層厚度要達到12cm，此時彎沉為33，方能達到設計的強度要求。則路面初次設計厚度與最終設計厚度如表2。

表2 工體北路翻修路面結構及厚度

由于本工程的特殊性，擬通過采用增強加鋪層的結構強度(模量)方式實現較好的荷載分散能力，在較薄的厚度下減小路面彎沉。即在全厚式瀝青路面實施受限的前提下，通過提高承重層模量來減小路基頂面垂直壓應變，通過改善材料承受極限應變能力來延緩路面開裂破壞。

結合對材料性能的考慮，對工體北路路面結構和材料設計方案擬定如表3。

表3 路面結構和材料設計方案

按照初擬的結構層材料多次實測參數(近似值)進行計算如表4。

模量MPa層次 材料容許拉應力20℃ 15℃ 厚度cm層底拉應力MPa MPa舊路面 土基32.5 45 45 彎沉

根據該驗算結果，路面彎沉基本滿足設計要求(33.1，考慮路基取值較低的安全系數);假設摻加了抗車轍劑的SAC－20的極限劈裂強度(15℃)為2.5MPa，舊瀝青路面材料的極限劈裂強度為1.0MPa，按15年計算得到累計軸載4847433次，由瀝青混凝土的極限劈裂強度計算得到各層瀝青混凝土的層底容許拉應力。該計算表明，本設計方案的層底拉應力均小于材料的容許拉應力。

(2)長壽命瀝青路面結構計算

根據前述關于國內外長壽命路面技術體系和設計模式，本項目加鋪層以下作為瀝青類基層(石渣層作為類瀝青碎石基層特性)，按照厚瀝青面層(設計后為33cm)進行長壽命路面設計參數的驗算。對加鋪結構層底拉應變、路基頂面壓應變計算如表5。

表5 初擬方案各結構層材料層底拉應變及頂面壓應變計算結果

根據我國長壽命瀝青路面驗算控制指標，則路面的驗算結果如下:①瀝青層底拉應變極限指標:瀝青層底拉應變(118)＜(控制的)120微應變;②土基頂面壓應變極限指標:土基頂面壓應變(278)＜280微應變。

3 結論

與常規瀝青路面相比，城市長壽命瀝青路面在設計上采用較厚的結構層和性能優越的材料，路面在設計年限內不會發生結構性破壞，因此只需進行日常的養護和及時的表面維修，下部結構基本不需要做任何處理就可一直使用，有效延長道路的使用壽命。相比常規瀝青路面，這樣的可持續發展模式和較長的使用壽命，可以減少處理廢舊路用材料對環境造成的污染，因此具有顯著的環保意義。

［1］姜愛民．淺析瀝青路面的早期破損與防治［J］．公路交通科技(應用技術版)，2008(11):105 ～106．

［2］劉鳳梅．簡談城市道路路面破壞原因及對策［J］．科技信息，2012(14):342．

［3］王選倉，侯榮國．長壽命路面結構設計［J］．交通運輸工程學報，2007(6):46～49．

［4］馮治安，王選倉，李國勝．長壽命路面典型結構研究、設計與施工技術［M］．人民交通出版社，2007．

［5］CJJ 36－2006城鎮道路養護技術規范．北京:人民交通出版社，2007．