長壽命瀝青路面結構設計關鍵技術研究

韓永林,曹磊

摘 要：通過分析材料剛度參數（回彈模量）的問題、強度理論與失效準則的問題、疲勞強度與疲勞破壞準則的問題，闡述了長壽命瀝青路面結構的核心技術，分析表明：為了計算結構的荷載響應，需要首先選定力學理論與計算模型，確定荷載標準（荷載模型）以及與計算模型對應的材料參數，據此揭示結構在全壽命周期中的力學響應 及其演化規律。要確定結構的抗力，則需預先掌握設計標準（設計年限）、材料的強度參數、疲勞損傷的演化規律以及結構的失效準則（強度理論），并掌握材料失效與結構失效的關聯性與差異性。根據山西省的實際交通提出一種長壽命瀝青路面結構，以達到省內路面不發生結構性破壞，損壞只發生在表面，使路面到達損壞的時間延長，將極大的緩解道路維修所帶來的巨大交通壓力，這將是對我國長壽命瀝青路面事業的一次大幅度的提升。

關鍵詞：長壽命;瀝青;路面結構

0 引言

目前，世界各國大多采用力學經驗法進行瀝青路面結構設計，其設計準則為結構的荷載響應結構抗力，其中，響應和抗力是廣義的，可以是應力、應變、變形，也可以是其他物理量。所謂的力學經驗法是指用力學的理論與方法計算結構的荷載響應，用經驗的方法確定結構抗力。

1 研究背景和必要性

1.1 研究目的、意義

長壽命路面按照美國瀝青路面聯合會（APA，Asphalt Pavement Alliance）的原 始定義，是指瀝青路面設計和建設后至少30～50年無結構性修復和重建，僅需針對面層損壞進行周期性修復。長壽命瀝青混凝土路面是近年提出的發展趨勢，但具有長期服務性能的瀝青混凝土路面概念并不是全新的。國外20世紀60年代以來修建了大量全厚式瀝青混凝土路面和深層高強瀝青混凝土路面。調查發現，這些自20世紀60年代修建的瀝青混凝土路面無結構性損壞的原因，在于基本上消除了傳統的面層底部產生的疲勞損壞，路面的損壞只發生在路面的上部。美國學者Monismith先生提出了極限應變的設想，認為瀝青路面厚度超過一定值，荷載產生的應變小于材料本身的極限應變，材料就不會產生疲勞破壞，因此，研究人員以此為基礎提出長壽命路面的概念。我國“十四五”發展規劃中，提出了堅定不移貫徹創新、協調、綠色、開放、共享新發展理念，努力提高公路事業對經濟社會高質量發展的貢獻率。為貫徹落實國家相關法律法規和技術政策，推進公路行業的綠色、節能發展，促進公路行業可持續發展，助力落實交通強國建設綱要，路面長壽命化將是將來發展的主要方向。

1.2 長壽命路面特點

目前國內長壽命瀝青路面主要有3種結構形式：復合路面、傳統的半剛性基層瀝青路面以及厚瀝青層路面。長壽命路面特點為：

（1）初期修建費用高，日常養護費用少，總費用效益比大。

（2）設計年限長，50年以上。

（3）損壞模式上，路面的損壞僅發生在表面層，不存在結構性破壞。

（4）在養護維修上，只需要日常養護，不需要進行結構性大修。

1.3 長壽命路面的必要性

隨著我國交通事業的快速發展，無論是公路還是城市道路，都呈現出蒸蒸日上的景象，特別是我國1978年改革開放40多年的時間里，隨著國家對基礎設施的重視和投入的加大，道路建設從無到有，從低等級到高等級，截止到2018年我國高速公路通車里程達14萬公里位居世界第一。截止到2019年，我國36個城市，城市路網總體平均密度為

5.85 km/km2，南方城市路網密度總體平均值為6. 62 km/km2，

北方的為5.07 km/km2，超過世界上各個城市的路網密度。隨著經濟的發展，交通量、荷載不斷增長，給我國瀝青路面都帶來嚴峻的挑戰。雖然我國道路里程不斷創下新高，但是路面的早期破壞現象也日益突出，道路的使用壽命大大縮短。主要是由于近些年汽車數量和重型車比例急劇增加，導致道路設計中的累計標準軸載次數增加，傳統瀝青路面，跟不上交通發展的需求。同時道路壽命得不到保證，大維修次數增多也導致道路擁堵，造成延遲費用。獲得較長的道路使用壽命一直是道路研究者所追求的。國外研究人員認為，長壽命就是只要維修及時，瀝青路面是可以長時間的使用。即保證路面結構不發生結構性的破壞，破壞只發生在表面層，那么瀝青路面就能獲得較長的使用年限，在這種背景下長壽命道路應運而生。我國瀝青路面發生破壞導致道路使用壽命大大減少，使得大量的國家資產受損。因此，延長瀝青路的使用壽命，也是我國道路工作者的初衷。為此，國內很多單位針對提高瀝青路面使用性能、延長使用壽命進行大量研究。雖然取得一些成果，但是瀝青路面的使用壽命仍離設計壽命相差甚遠，究其原因主要是我國針對地區特定的氣候環境的大多憑經驗進行套用，現有的道路結構層的材料性能大多沒有結合實際道路情況進行研究選取，并且研究不夠，加之我國氣候分區都是大區域劃分，每個地區都有各自的氣候特點，大區域氣候劃分下道路參數的選取不能做到那么的精細，將其應用于大流量交通和氣候各異地區的路面設計，從設計和施工來說是完全不能容許的，這使得設計和實際應用情況脫節，導致路面頻繁出現破壞。雖然近些年對路面材料的性能進行改善，但瀝青面層的嚴重水損壞和車轍仍然很常見。基于此，研究特定地區長壽命瀝青路面就顯得尤為重要。

1.4 研究的意義

研究的意義主要體現在以下3個方面：（1）經濟方面。與常規路面相比較而言，雖然在修筑前期的投入比較大，但是后期在道路養護與重筑上投入減少。總體更加的經濟。（2）可持續發展方面。表面以下的結構層可以一直使用無需更換，減少了路用材料更換的次數，從而減少路用材料資源的浪費，使之更環保和具有可持續發展理念。（3）推廣、借鑒意義。進一步完善我國長壽命瀝青路面事業，對推廣山西省以及其他地區的長壽命瀝青路面具有指導和借鑒意義。

2 長壽命路面的設計關鍵問題

2.1 材料剛度參數（回彈模量）的問題

由于路面材料是一種通過壓實成形的多相、多組分、多尺度的混合料，其抗拉剛度與抗壓剛度具有顯著的差異性，導致拉、壓、彎等力學試驗方法得到的模量值不同，導致路面材料參數的不唯一性，以及參數選擇時人為的任意性和路面結構設計結論的不確定性。

2.2 強度理論與失效準則的問題

國內外力學經驗法所采用的強度理論主要有最大拉應力理論和最大拉應變理論，即認為當荷載在路面材料中所產生的最大拉應力（或最大拉應變）達到材料所能承受的極限拉應力（或極限拉應變）時材料就會破壞，從而誘發路面結構的破壞。因此，強度理論是建立材料和結構失效準則的依據。然而，最大拉應力和最大拉應變失效準則均只考慮了單向拉應力（或拉應變）的破壞效應，而實際路面結構卻處于三維應力、應變狀態。試驗證明，三維應力狀態下，應力、應變張量各分量的變化都會顯著影響極限拉應力和極限拉應變。然而，到目前為止，國內外仍廣泛以此作為瀝青路面的設計依據。

2.3 疲勞強度與疲勞破壞準則的問題

疲勞強度是指在確定的周期性荷載作用下，材料不發生結構性破壞所能承受的最大應力水平。目前，國內外的疲勞破壞準則均只考慮了單向應力或單向應變產生的疲勞破壞效應。路面處于三維應力狀態，應力張量或應變張量的各個分量都會對材料的疲勞壽命產生影響，正是這一原因導致拉、壓、彎、劈不同試驗方法得到的疲勞壽命不同。因此，建立三維應力狀態下材料和結構的疲勞破壞準則具有顛覆性意義。此外，瀝青混合料的黏彈性效應導致其強度與速度相關，所以用應力表示的疲勞方程不能反映極限拉應力破壞特征，且不同加載頻率所獲得的疲勞方程不同。同樣地，用應變表征的疲勞不能反映極限拉應變破壞特征，破壞準則需采用剛度模量和瀝青飽和度（空隙率）進行修正，這些問題均有待研究解決。

2.4 路基剛度參數（回彈模量）的問題

國內外獲取路基回彈模量的方法不外乎兩類：一類是現場試驗，經典的方法是承載板試驗，也有采用彎沉法或CBR（California Bearing Ratio）推算法的做法;另一類則是室內試驗。現場試驗是獲得路基結構剛度參數最直接的方法，但費時費力，試驗樣本數少，且離散性大;室內試驗方便、快捷，但得到的是標準密度、標準濕度下路基土的剛度參數，而路基內不同深度的壓實標準不同，所以其干密度和含水率均有差異，很難準確反映路基結構的剛度。此外，工程建設中，施工單位為確保工程質量，大多盡可能地提高路基的壓實度，導致路基回彈模量遠高于設計值，變相地降低了路面的質量要求。隨著使用年限的延長，在當地氣候的長期作用下，大部分地區的路基濕度會逐漸增大，模量逐漸降低，從而降低了路面的承載能力和使用壽命。可見，路基的回彈模量應按照設計值控制，關鍵是要確保其與氣候環境的一致性。

3 路面力學響應的理論預測與工程實測的差異性

3.1 力學模型進行路面結構分析

按照瀝青路面設計規范的力學模型進行路面結構分析，計算得到的力學響應和實測結果一直存在較大的差異。以彎沉為例，理論值與實測彎沉之比少則1～2倍，多則4～5倍，顯然這已不是誤差的問題，而是力學模型正確與否的問題，前面所提到的剛度參數問題、破壞準則問題、疲勞強度問題、路基剛度問題、設計理念問題等都是導致理論與實測差異性的直接原因。當然，一直無法科學預測瀝青路面的車轍也是力學模型與模型參數方面一個長久的痛。

3.2 更新等壽命的設計理念

長期以來，國內外在進行路面疲勞壽命設計時，一直采用等壽命的設計理念，即無論是面層還是基層均按照相同的壽命進行設計。然而，實際工程中，路面的上面層直接承受車輛荷載的作用和復雜多變的氣候環境作用，其受力狀態惡劣，卻具有維修方便的優勢;而下面層和基層承受著擴散后的荷載作用，氣候環境作用也已大幅衰減，但維修卻極為不便。另一方面，現行設計方法沒有提出有效控制路基關于環境的設計思想，導致路基剛度在全壽命周期中衰變顯著，影響了路面的使用壽命。在國內現有長壽命瀝青路面服役性能調查與分析上，研究長壽命瀝青路面材料、結構設計參數標準，提出適應于山西省的長壽命路面典型結構，進一步研究長壽命路面施工技術，最后進行長壽命路面結構全壽命周期效益分析。

3.3 長壽命路面設計新理念

長壽命路面，是指路面設計壽命不低于40年，相對于現有的路面其日常養護要求總費用更低的路面結構。其設計基本理念是：結構設計要求考慮設計標準軸次、荷載及輪胎壓力及容易維修、施工適應性等，獲得40年及以上使用年限;設計年限內不是不允許發生破壞，而是確保路面破壞的形式只發生在表面層，不發生結構性的損壞，無需進行結構性的大修。長壽命路面結構工作者經過研究認為，瀝青路面結構層出現結構性破壞的原因為：

（1）在重復荷載作用下，結構層疲勞開裂導致貫穿整個結構層的裂縫。

（2）在重復荷載作用下，路基頂面產生不可恢復的壓應變，導致路面結構層發生永久性變形。

4 山西應用情況

山西地形較為復雜，是典型的黃土廣泛覆蓋的山地高原，地勢東北高西南低，境內有山地、丘陵、高原、盆地、臺地等多種地貌類型。山西省各地年平均氣溫介于4.2℃～14.2℃之間，總體分布趨勢為由北向南升高，由盆地向高山降低;全省各地年降水量介于358～621毫米之間，季節分布不均，夏季6～8月降水相對集中，約占全年降水量的60%，且省內降水分布受地形影響較大。山西采取的大區域氣候劃分，而在氣候各異的特定地區長壽命路面方面研究的空缺。改革開放40年來，我國的公路交通取得了令世界矚目的巨大成就，不同發展階段對應的路面設計理論與方法均功不可沒。但毫無疑問，亦存在諸多有待進一步完善之處。

5 結束語

我國一般瀝青道路的設計壽命為10～15年，能達到5年不發生破壞的少之甚少。跟隨長壽命路面的潮流，近年來，我國無論是在理論上的深入研究，還是工程實踐項目上，都取得了很大的成果。特別是在江蘇、山東、河南、等多地都修鋪了長壽命試驗路段，路面的結構形式采用不同的類型，所以，研究基于山西省地方環境的長壽命瀝青路面材料結構顯的十分重要。

參考文獻：

[1]張偉.前期策劃管理在公路工程全過程管理中的作用及應用[J].黑龍江交通科技，2020（8）：207+209.

[2]安華.公路施工技術及道路路面施工的質量控制措施[J].黑龍江交通科技，2020（7）：55-56.

[3]王金偉.公路設計中新技術及新方法研究[J].黑龍江交通科技，2020（8）：46+48.