長壽命瀝青路面結構設計研究

劉帥

摘 要：伴隨城市交通量的飛速增長，加之車輛的嚴重超載現象，導致我國部分道路在早期運營時就出現嚴重的路面損壞。因此，如何提高路面的使用壽命，一直是學者研究的熱點方向。本文總結了長壽命瀝青路面設計理論，提出了相對應的控制指標，合理推薦了組合式長壽命典型瀝青路面結構方案。

關鍵詞：長壽命路面;早期破壞;路面結構方案

1 長壽命瀝青路面概述

長壽命瀝青路面的概念最早起源于歐洲，指對路面進行簡單維修后，路面使用壽命延長至40年，隨后，美國提出永久性路面概念，即路面的使用壽命可達50年，且在使用年限內，主要結構層不會發生損壞，只需對表面層的病害進行簡單維修[1]。

長壽命道路的設計使用年限國內外各不相同，各國對長壽命路面的設計使用年限如表1。綜合國內外的研究，長壽命路面設計年限為40年是一個適中的年限，能夠使路面達到“長壽命”[2]。

2 長壽命瀝青路面結構層位分工理論

路面結構在承受車輛行車荷載影響的同時也承受各種自然因素的影響，各種影響因素隨著路面結構的深度增加而不斷變化[3]。由瀝青路面結構應力分析發現，路面荷載作用下垂直應力隨著路面結構深度的增大而變小，水平拉應力為表面受壓和底面受拉（圖1），剪切應力則隨結構深度先增大后減小。

為了適應不同結構層的力學特性要求，路面結構是分層鋪筑;按照結構層力學特性和自然因素對路面結構影響程度的大小，一般將其分成面層、基層、底基層和功能層等不同結構層。

面層是直接暴露在環境中的路面表層，其不僅要承受行車荷載在縱橫方向的反復作用，同時還受到氣溫和雨水的作用。

基層是位于面層之下，承擔著由面層傳遞過來的行車荷載作用，并將其垂直力擴散到底下的墊層和土基中，同時也要承受拉應力作用并擁有較好的耐久性。

基層下按需設置底基層，其在反復作用的行車荷載下，主要負責傳遞和擴散由基層來的較低的應力。

功能層則是為使面層及基層免受路基水溫變化所造成的不良影響。

3 長壽命瀝青路面早期破損類型及機理

當今，我國部分道路的使用壽命無法達到瀝青路面的設計壽命（10～15年）。通過調查，將瀝青路面結構的早期破損類型總結為裂縫、車轍和水損害性坑槽三類[4]。

3.1 裂縫

橫向裂縫，其一是由于行車荷載引起的面層拉應力（拉應變）超過其疲勞強度（應變）而產生的荷載型裂縫。其二主要為面層收縮開裂和基層反射裂縫的非荷載型裂縫。

縱向裂縫，一是因面層分攤施工時在路幅接茬處未處理好，導致的開裂。二是因施工路基壓實不均勻、壓實度不足或存在雨水侵蝕而產生開裂。三是行車荷載在輪帶邊緣引起的疲勞開裂。

網狀裂縫是由于荷載反復作用致使材料疲勞或雨水侵入已形成的縱、橫裂縫中，進一步加劇裂縫擴散。

3.2 車轍

失穩型車轍，由于路面結構在行車作用下產生錯位活動，發生相對位移。結構型車轍，是在行車反復作用下，路基出現的變形反射至面層致使的永久變形。磨耗型車轍，只要為結構在輪胎的反復磨耗以及在高溫雨水等作用下，面層材料不斷損失而形成。

3.3 水損害坑槽

水損害主要是由于在車輛荷載和凍融循環反復作用下，雨水不斷滲入結構層中，集料表面對水的吸附力遠大于對瀝青，從而集料與瀝青的接觸面變小，造成瀝青從集料表面剝落。

4 長壽命瀝青路面設計指標的選取

國內外對長壽命路面在設計參數、設計指標的容許值方面還沒有統一的標準，尚有爭論[5]。正確合理的結構設計控制指標關乎到路面結構設計方法的成功與否，同時也關乎到路面使用性能的完整性。因此，我們應“對癥下藥”，在根本設計上避免產生早期破壞，使路面達到長壽。

路表彎沉：指的是在標準軸載作用下，路面結構在豎直方向的發生的總位移。路表彎沉值可反映結構的整體剛度，但并不能完全綜合反映。雖然新規范中這一指標取消，但為了可以直觀反映路面性能，依舊選用了此指標。

瀝青層層底拉應變：為了使路面結構層不達到材料的疲勞極限，盡可能不讓裂縫產生。提出的拉應變控制指標，就能更好地反映瀝青混凝土的疲勞特性，有效避免疲勞開裂。

半剛性基層層底拉應力：反射裂縫是半剛性基層的瀝青路面最嚴重的損害形式。半剛性基層層底拉應力很好的反映了基層具有的強度和承載力。

瀝青面層豎向壓應力：路面結構承受著不斷交替的拉壓應力，極易產生疲勞破壞。垂直方向的各結構層，最大的應力出現在瀝青結構面層，瀝青面層豎向壓應力作為控制指標，可有效增加結構的設計壽命。

路基頂面豎向壓應變：在行車荷載反復作用下，路基結構的豎向抗變形能力及面層抗剪切變形能力不足，致使結構層產生不可恢復的永久變形（即車轍）。因此，采用路基頂面壓應變控制指標加以控制，達到“穩路基”的設計理念。

5 長壽命瀝青路面結構組合設計

5.1 長壽命路面結構組合設計理論

結構設計在長壽命瀝青路面的設計中處于舉足輕重的地位，“長壽命”的實現需要科學合理的設計，因此，長壽命路面結構組合須遵守基本的原則[6]。

5.1.1 穩路基

我國道路設計一直秉承“強基、薄面、穩路基”的設計理念，良好的路基承載力是路面結構強度的有力保障。更高的路基穩定性也是長壽命路面必不可少的。

5.1.2 優異的材料性能

材料性能的優異是保證結構層擁有較好強度、剛度和道路性能的必要基礎。因此，確保道路性能長壽命的關鍵是材料性能的優異。

5.1.3 適合的結構層厚度

過去因國情需要，我國路面厚度一直以“薄面”為主，但從使用壽命上看，較厚的面層可抵抗各種破壞，保證破壞僅發生在表面層，只需后期簡單維修養護，實現延長路面的使用壽命。但過厚路面不經濟，所以在設計的要平衡各方面。

5.1.4 較低的層底應力

為保證結構層的承載能力，各結構層層底應力應保持在較低的水平，使結構層的抗裂性能較好，很大程度上避免結構性損壞的發生，從而延長瀝青路面的使用壽命。

5.1.5 合理的結構層設計

結構層設計應滿足層位分工理論，充分將各結構層功能與整體結構性能相結合，合理進行組合設計。

5.1.6 考慮排水問題

水損害是瀝青路面破壞的重要形式，在長壽命道路設計時，有效的路面排水系統設施是必不可少的，有效降低路基路面的水損害。

5.2 長壽命路面結構推薦

對比國內長壽命瀝青路面各試驗路段，現推薦組合式基層長壽命瀝青路面結構，如圖2。結構不僅能達到長壽命路面的要求，而且相對費用較低，十分經濟。在受力上剛柔并濟、十分合理，同時鋪筑柔性基層可有效防止反射裂縫的產生。

6 結論

長壽命瀝青路面的設計時，應“對癥下藥”，采用相對應的控制指標從根本設計上避免這些破壞。科學合理的長壽命瀝青路面結構組合設計，須遵循一定的原則，同時根據長壽命設計特點，推薦合理的組合式長壽命瀝青路面結構形式。

參考文獻：

[1]付軍，雷力，劉潔.西班牙長壽命半剛性基層瀝青路面設計指南[J].中外公路，2018，38（4）：64-68.

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

[3]張兵.雙絞合鋼絲網加筋瀝青加鋪層合理層位研究[D].湖南大學，2015.

[4]肖飛.高速公路瀝青路面早期損壞原因分析與對策[J].科技視界，2016（12）：218-219.

[5]鄭健龍.基于結構層壽命遞增耐久性瀝青路面設計新思路[J].中國公路學路，2014，27（1）：1-7.

[6]董斌.長壽命瀝青路面結構設計研究[J].市政技術，2016

（2）：38-40+70.