基于公路瀝青路面長壽命設(shè)計(jì)理念分析

文/熊文劍、詹春媛

1 前言

瀝青路面是主要的路面結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否達(dá)到科學(xué)性、合理性的要求，對于整個瀝青路面的運(yùn)行質(zhì)量存在著直接影響。為了延長瀝青路面使用壽命，降低養(yǎng)護(hù)成本，所以當(dāng)前提出了長壽命設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用到瀝青路面設(shè)計(jì)中可以產(chǎn)生非常好的效果。

2 長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)的本質(zhì)與目標(biāo)

2.1 本質(zhì)

長壽命路面設(shè)計(jì)是一種新的設(shè)計(jì)理念，在設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員需要依托傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行，同時在瀝青底部受彎拉應(yīng)力以及路基頂部壓應(yīng)變部分影響做出必要調(diào)整。對于此設(shè)計(jì)理念來說，很多國家都有不同的說法，但是本質(zhì)上是基本相同的，都做出如下表述：瀝青路面設(shè)計(jì)壽命超過50年，量面層的厚度比較大，形成柔性結(jié)構(gòu)形式，可以有效預(yù)防開裂、車轍等一系列病害問題。另外，在瀝青路面的運(yùn)行壽命時間范圍內(nèi)，工作人員需要做好表面銑刨、罩面修復(fù)等相應(yīng)工作，確保在整個施工壽命期間不會產(chǎn)生較大的損壞和問題。應(yīng)用長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)，可以有效消除存在的損害問題，延長使用壽命，提升整體應(yīng)用效果[1]。

2.2 目標(biāo)

根據(jù)當(dāng)前的瀝青路面工程分析，長壽命瀝青設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包含如下三點(diǎn)：其一，路面表層發(fā)生損壞問題后，可以立即做出修復(fù)處理；其二，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞的問題，比如結(jié)構(gòu)裂縫；其三，應(yīng)用定期養(yǎng)護(hù)、修復(fù)等處理方式，可以延長壽命，達(dá)到50年以上。

3 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)理念

3.1 材料設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)理念在進(jìn)行各個結(jié)構(gòu)層的材料設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員應(yīng)提起足夠的重視，保證各個結(jié)構(gòu)層的性能符合要求，以達(dá)到功能性的標(biāo)準(zhǔn)，遵循如下理念：各結(jié)構(gòu)層功能。磨耗層應(yīng)該具備較高的耐磨性，達(dá)到抗車轍、耐老化等效果；中間層應(yīng)該達(dá)到抵抗車轍、傳遞以及分散載荷的作用；基層結(jié)構(gòu)受到底部彎拉應(yīng)變作用保持穩(wěn)定。各結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)。中間層在設(shè)計(jì)時應(yīng)該選擇具備一定耐久性、耐疲勞、抗車轍等效果，在長期運(yùn)行下也不會產(chǎn)生嚴(yán)重的危害和問題。耐久性符合要求，需要達(dá)到水穩(wěn)定性、抗老化性能的標(biāo)準(zhǔn)，這和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙率存在著必然的聯(lián)系。通過提升中間層結(jié)構(gòu)的耐久性、選擇最佳的工程材料以及增大骨料表面瀝青膜厚度的方式可以保證結(jié)構(gòu)性能合格[2]。從粗骨料之間的骨料結(jié)構(gòu)選擇符合實(shí)際運(yùn)行需要的高等級瀝青材料可以符合要求，這與上部150mm 的結(jié)構(gòu)是存在著必然聯(lián)系的。抗車轍材料設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，采用橡膠瀝青、塑料格柵進(jìn)行，混合料主要使用的是骨架嵌鎖的結(jié)構(gòu)形式。此時，應(yīng)該保證粗集料混合料沒有發(fā)生離析問題。基層結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)需要滿足抗車轍、耐久性、抗疲勞等性能的要求，且符合長期運(yùn)行下不會產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞的標(biāo)準(zhǔn)。基層抗疲勞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，分析底部的彎拉應(yīng)該低于材料的疲勞極限，從而可以防止結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞問題發(fā)生。一般情況下，可以通過提升混合料柔性、增大厚度、基層抗疲勞設(shè)計(jì)等方面實(shí)現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)性能的提升。長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理念，應(yīng)該從土基、墊層、底基層等結(jié)構(gòu)出發(fā)，全部達(dá)到長壽命設(shè)計(jì)理念的要求才能滿足標(biāo)準(zhǔn)。路基結(jié)構(gòu)需要達(dá)到穩(wěn)定性、強(qiáng)度以及均勻性的標(biāo)準(zhǔn)，另外設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還要重視排水性的要求，保證路基的剛性合格，這是提高結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵所在[3]。

3.2 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)一體化研究

該方面主要是將材料路面性能作為設(shè)計(jì)的根本，確保結(jié)構(gòu)達(dá)到實(shí)用性的標(biāo)準(zhǔn)要求，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)融合到一起，同時可以在室內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能與材料性能的模擬和分析，保證其符合現(xiàn)場實(shí)際使用的需要，從而消除不利的影響。另外，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該結(jié)合具體的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，確保結(jié)構(gòu)性能得到真正的提升。

4 長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)實(shí)例

某高速公路項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)里程為78km，為目前我國有代表性的長壽命設(shè)計(jì)理念路面形式，具體結(jié)構(gòu)為“柔+剛+柔”(瀝青混凝土+水泥混凝土面層+瀝青聯(lián)結(jié)層，簡稱A·P·A)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式可見下圖1 所示[4]。

圖1 路面結(jié)構(gòu)圖

4.1 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

公路瀝青路面長壽命設(shè)計(jì)是從基礎(chǔ)力學(xué)的角度出發(fā)，做好瀝青底層彎拉疲勞應(yīng)力的分析，確保底層不出現(xiàn)彎拉疲勞開裂的問題，這是達(dá)到長壽命設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵所在。為了達(dá)到這一方面的要求，主要的力學(xué)方式就是在明確具體的荷載條件下分析結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變，保證瀝青底層彎拉疲勞應(yīng)力參數(shù)符合要求。美國率先提出和應(yīng)用長壽命實(shí)際理念，且美國道路科研院所研發(fā)出一個以力學(xué)作為基礎(chǔ)理論的設(shè)計(jì)指南，其具體流程可見下圖2。

根據(jù)圖2 內(nèi)容，道路結(jié)構(gòu)會受到材料、交通、環(huán)境、服務(wù)型等方面的影響，所以在路面建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員要做好各個因素的考慮和分析。

圖2 道路路面設(shè)計(jì)基本流程圖

當(dāng)前，瀝青路面疲勞方程應(yīng)用的是瀝青層彎拉應(yīng)變以及既定壓應(yīng)變的方式，這兩項(xiàng)指標(biāo)在預(yù)防疲勞損壞方面有著一定的影響，可以估算和分析瀝青路面結(jié)構(gòu)壽命。瀝青層底部彎拉應(yīng)變，可以預(yù)防疲勞損壞問題出現(xiàn)，延長瀝青底層結(jié)構(gòu)使用壽命，提升總體應(yīng)用性能。另外，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)壽命因?yàn)閺澙瓚?yīng)變產(chǎn)生影響，因此，工作人員一般會利用彎拉應(yīng)變分析瀝青混凝土層疲勞特性，在計(jì)算確定瀝青混凝土壽命時，通過彎拉應(yīng)變以及基頂應(yīng)變的指標(biāo)，有效延長使用壽命。需要注意的是，在抗疲勞設(shè)計(jì)的過程中，工作人員還要綜合公路瀝青路面的實(shí)際應(yīng)用功能，合理設(shè)計(jì)墊層的厚度，同時選擇的材料要具備一定的強(qiáng)度[5]。

4.2 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)

瀝青路面材料可以有效提升瀝青路面結(jié)構(gòu)性能，延長使用壽命，所以相關(guān)人員要結(jié)合瀝青路面結(jié)構(gòu)性能開展結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)，達(dá)到材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足當(dāng)前瀝青路面使用質(zhì)量的要求。考慮到長壽命設(shè)計(jì)理念的要求，同時結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，明確具體的瀝青結(jié)構(gòu)面層材料指標(biāo)，主要如下：磨耗層應(yīng)達(dá)到抗老化、抗車轍、預(yù)防裂縫的標(biāo)準(zhǔn)要求，一般選擇使用OGFC 混合料、密級配混合料等；中間層應(yīng)該具備一定的抗車轍、荷載傳遞以及分散等效果，達(dá)到耐久性與穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。為了使得中間層耐久性合格，應(yīng)該在瀝青路面設(shè)計(jì)中選擇最佳的使用材料，使骨料性能合格，另外也可以根據(jù)實(shí)際情況增加中間層厚度。穩(wěn)定性會對整個瀝青路面的性能和使用壽命產(chǎn)生影響，為了大幅提升其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，工作人員可以選擇高等級瀝青材料，保證骨架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量符合要求；底層結(jié)構(gòu)要達(dá)到抗層底彎拉應(yīng)變的效果，可以選擇使用HMA 基層材料。此外，進(jìn)行HMA 基層材料設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該保證底層彎拉應(yīng)變不會小于材料的抗疲勞極限性能，可以有效緩解嚴(yán)重的損害問題，延長使用壽命。在瀝青路面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，車轍是極易產(chǎn)生質(zhì)量問題的結(jié)構(gòu)，為了預(yù)防這一問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該做好抗車轍材料的設(shè)計(jì)工作，最好選擇使用改性瀝青或者塑料格柵的結(jié)構(gòu)形式。

4.3 長壽命瀝青路面厚度設(shè)計(jì)

公路瀝青路面長壽命設(shè)計(jì)中，路面結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算非常重要，一般要按照荷載作用、應(yīng)變力學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是基本相同的。長壽命瀝青路面厚度計(jì)算方法如下：

4.3.1 首先要結(jié)合路面結(jié)構(gòu)明確具體的結(jié)構(gòu)組合形式，保證各個層結(jié)構(gòu)厚度符合要求，比如底層、中間層、磨耗層等。

4.3.2 確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，比如材料參數(shù)、路基頂面應(yīng)變參數(shù)等。

4.3.3 根據(jù)相應(yīng)參數(shù)以及設(shè)計(jì)方案，明確計(jì)算分析該荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變參數(shù)。在計(jì)算結(jié)果之下，保證厚度符合使用的要求。如果不能符合要求，應(yīng)該再次進(jìn)行厚度調(diào)整，最終達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。對于厚度計(jì)算時，TRRL 提出了諾謨圖，通過瀝青粘度、類型等做好厚度的確定。經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，在瀝青路面受到八千次以上的沖擊，增加厚度也是毫無意義的。因此，確定合適厚度，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)即可。

5 結(jié)語

綜上所述，公路瀝青路面質(zhì)量的高低會直接影響到車輛通行的安全性以及舒適性，而在瀝青路面設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)用長壽命設(shè)計(jì)理念，能夠提高整體瀝青路面的使用性能，本文對長壽設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用方式進(jìn)行了探討，目的在于提高公路瀝青路面的使用性能。