重载交通长寿命沥青路面设计方法

白子建，贺 海，周骊巍

（天津市市政工程设计研究院，天津市300051）

0 引言

沥青路面具有施工方便快捷、行车平稳舒适、噪音低且易于养护维修的优点，因此其作为高级路面的主要结构类型而在国内外公路和城市道路建设中被应用。在我国的道路建设中有90%的道路是沥青路面结构。但我们也应该清楚认识到，我国公路的建设起步较晚，技术力量薄弱，同时由于我国气候和交通荷载条件复杂多变，车辆超载严重，优质路用石油沥青等筑路材料缺乏的原因，许多公路路面结构还存在种种问题，一些路段的建设水平并不如人意，甚至通车没几年就发生了车辙、开裂、泛油、坑槽等早期损坏现象，不得不进行大面积维修甚至重新新罩面。随着我国公路建设的发展，特别是近年来，国民经济高速发展，在大交通量、高比例重载车以及高胎压的不利作用下，沥青路面病害问题逐渐凸显出来，在公路养护维修方面的投入不断加大，因此重载交通作用下的长寿命沥青路面设计被提了出来。

1 沥青路面分层及层位功能

行车荷载和自然因素对路面的影响，随深度的增加而逐渐减弱。因此，对路面材料的强度、抗变形能力和稳定性的要求也随深度的增加而逐渐降低。为了适应这特点，路面结构通常分层铺筑，按照使用要求、受力状况、土基支撑条件和自然因素影响程度的不同，分成若干层次。通常划分为三个层次，即面层、基层和垫层。

1.1 面层

面层是直接同车辆和大气接触的表面层次，它承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用，同时还受到降水的浸蚀和气温变化的影响。因此，同其他层次相比，面层应具备较高的结构强度，抗变形能力，较好的水、温稳定性，而且应耐磨、不透水，其表面应有良好的抗滑性和平整度。

修筑面层所用的材料主要有：水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎石混合料、沙砾和碎石及块料等等。面层有时分两层或三层铺筑，如高速公路面层总厚度18～20 cm，可分为上、中、下三层铺筑，并根据各分层的要求采用不同的级配等级。水泥混凝土路面也可以分上下两层铺筑，分别采用不同标号的水泥混凝土材料。水泥混凝土路面上加铺4 cm沥青混凝土这样的复合式结构也是常见的。但是沙石路面上铺2～3 cm的磨耗层或1 cm厚的保护层以及厚度不超过1 cm的简易沥青表面处治，不能作为一个独立的层次，只能看作是面层的一部分。

1.2 基层

基层主要是承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基中去。实际上基层是路面结构中的承重层，它应具有足够的强度和刚度，并具有良好的扩散应力的能力。基层受大气因素的影响比面层小，但是仍然有可能经受地下水和通过面层渗入的雨水的浸蚀，所以，基层结构应具有足够的水稳定性。基层表面虽不直接供车辆行驶，但是要有足够的平整度，这是保证面层平整度的基本条件。

修筑基层的材料主要有各种结合料（如石灰、水泥和沥青等）稳定土或稳定碎石、贫水泥混凝土、天然沙砾、各种碎石或砾石、片石或圆石，各种工业废渣（如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰渣等）和土、砂、石所组成的混合料等。

1.3 垫层

垫层介于土基和基层之间，它的功能是改善土基的湿度和温度状况，以保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温状况变化的影响。另一方面的功能是将基层传下的车辆荷载应力加以扩散、以减小土基产生的应力和变形，同时也能阻止路基土挤入基层中，影响基层结构的性能。

修筑垫层的材料，强度要求不一定高，但水稳定性和隔温性能要好，常用的垫层材料分为两类，一类是由松散粒料，如砂、砾石、炉渣等等组成的透水性垫层，另一类是用水泥或石灰稳定土等修筑的稳定类垫层。

2 沥青路面设计方法概述

2.1 传统沥青路面设计方法

随着半刚性沥青路面在我国高等级公路的大量使用，沥青路面已经遍布我国大江南北。但纵观近些年修建的重载交通的高等级公路，传统的沥青路面往往在较短的时间内就产生严重的破坏，如水损害、车辙等，远没有达到道路的设计年限。这些损坏不仅降低了道路使用性能，增加了路面寿命周期成本，给道路建设和养护造成了巨大的经济损失，同时也对现行路面设计、施工技术提出了挑战，对于我国沥青路面结构的性能提出了更高的要求。从世界范围看，柔性路面结构和半刚性路面结构（包括复合式路面结构）是沥青路面的两大类型。欧美国家、日本、澳大利亚等以柔性路面结构为主，而我国、前苏联等则以半刚性路面结构为主．奉行“强基、薄面、稳路基”方针的半刚性基层沥青路面是我国沥青路面的主要形式。

2.2 传统沥青路面设计方法的缺陷

路面结构设计的基本思想是路面结构的承载能力主要依靠半刚性基层,路面结构破坏就意味着是基层破坏。实际上现在许多高速公路的弯沉值都非常小。似乎路面不应该被破坏,可是实际却坏了;另一方面,一旦水渗入基层、路基,弯沉又会变得很大。也就是说,传统沥青路面设计存在不可克服的缺陷：

（1）设计指标单一

尽管沥青路面结构设计中包含弯沉和弯拉应力验算指标,但实际在沥青路面结构设计中,弯沉成为路面结构设计的唯一指标,也就是说按照现有规范方法,在路面设计弯沉满足的条件下,弯拉应力验算肯定是通过的,使得设计指标成为唯一。

（2）设计指标不可控制

设计指标应该是路面结构可能产生损坏的控制指标,即设计模型与路面结构损坏模型应该一致。但实际情况是弯沉指标无法与多种破坏类型和破坏标准相统一、协调。现有沥青路面的损坏与设计模式大不相同,设计指标形同虚设。路面设计的宗旨是防止在设计年限内总交通量反复荷载作用引起路面疲劳破坏,实际上绝大部分路面是在交通量远未达到设计交通量的早期已经发生了破坏,疲劳破坏的指标没有起到控制作用。

（3）理论验算假定条件不准确

按照现有公路沥青路面设计规范,在进行沥青路面结构弯拉应力验算时,假定层间接触条件是连续接触,在这种条件下进行应力验算,半刚性基层顶面的沥青面层处于受压状态,所以沥青面层不会发生弯拉疲劳破坏。实际上,很难做到沥青层与半刚性基层的连续,即使是沥青的上、中、下面层之间,由于施工污染、施工的非连续性等原因,沥青层之间都有可能是部分连续或者滑动的,在荷载、水等外界因素的作用下,层间界面连接状态的改变是必然的,因此路面结构设计时的假定条件是不准确的,在这种情况下,理论验算结果的准确性可想而知。路面材料设计参数与实际路用性能缺乏关联性路面设计采用理论计算方法,看似很先进,实际上材料设计参数一般只是通过室内试验确定。国外很多研究表明,路面材料在实际使用过程中,其室内性能与路用性能之间的关系并没有很好的相关性,而设计人员在路面结构设计过程中,一般使用规范推荐的材料参数中值的简单办法进行设计,更谈不上去建立路面材料室内力学性能与野外路用性能的关系,所以其设计过程实际上只是个形式。通过对沥青路面结构设计中存在问题的分析可以看出,在设计上,沥青路面发生早期损坏现象是必然的。也就是说,沥青路面结构设计本身就是矛盾的,设计模型与沥青路面早期损坏模式没有较好的相关关系。

（4）实际交通荷载与设计荷载出入较大

根据交通荷载情况的调查,目前我国汽车后轴轴重一般在60～150 kN,胎压一般在16～111 MPa;而设计标准轴载为单轴双轮胎100 kN,胎压一股不超过17 MPa。近几年重载车、超载车大量增长,有的标定30 t的车辆,实际达到150 t以上,尽管有关部门进行了超限超载治理,车辆超载的现象还是时有发生,造成了路面早期损坏,使路面使用寿命大大缩短。长寿命路面仅是一种新的设计理念,而非新的设计理论,设计时仍然采用传统的设计理论,只是将沥青层底部的弯拉疲劳应变和路基顶面的压应变控制在一定数值以下。

2.3 长寿命沥青路面概念及理论

长寿命沥青路面(Long-Life Asphalt Pavement)是当前世界各国沥青路面最热门的研究内容,近几年EAPA和ISAP组织的国际会议中长寿命沥青路面是个最重要的议题。长寿命沥青路面将成为未来的主要路面结构,特别在高速公路和重载道路中,是一个全新的境界。此研究以修建使用寿命30～40 a的长寿命路面为目的，要求路面具有足够承载力，无结构性破坏，路面无明显早期水损害，路面无早期泛油，无10～15 mm的早期车辙，路面具有满足要求的抗滑能力，其早期损坏率低于万分之一。

长寿命路面采用较厚层柔性路面,降低了传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙,损坏仅限于路面顶部(25～100 mm),在设计使用年限内无结构性修复和重建,仅需根据表面层损坏情况进行周期性修复。长寿命路面要采用抗车辙、不透水、抗磨耗的表面层,抗车辙的联结层以及抗疲劳的基层,该理念主要针对重交通量道路,也是适用于重、轻交通道路,因此长寿命路面适用于任何道路,而且该理念也可用于旧路的维修和重建之中。

公路路面出现早期损坏,除了超载因素(“第一杀手”),根本原因在于对高等级重交通沥青路面的主要行为特点还缺乏明确的认识,目前的路面设计理论和方法,只是以前轻交通路面设计理论和方法的简单外延,与重交通路面的要求尚有较大距离。重交通路面实践中有三类损坏是尤其需要重视的,一个是车辙;一个是新型龟裂(纵向平行裂缝);另一个则是混合料的均匀性,即离析，当轮压、轮载同时超载时,路面可能会发生一次性破坏;轮压、轮载同时超载的现象其实是很常见的。从我国大量修建的“强基薄面的半刚性沥青路面的使用性能以及施工检测数据可以看出,长寿命沥青路面结构设计的总体思想应是“强基厚面”,且不能以弯沉为设计指标,在路面结构上路面的各结构层较厚,不仅仅基、垫层要厚和强,面层也要厚。长寿命路面的目标为:(1)结构使用寿命50 a以上；(2)磨耗层、罩面层等可修复面层的结构寿命为 15～20 a；(3)耐久、平整、安全的行使表面；(4)环境协调、友好性(包括可再生性)；(5)避免结构性重建长寿命路面的破坏形式分析。

长寿命沥青路面设计的根本理念是实现路面损坏模式的转变,即从“自下而上”的损坏转变为“自上而下”转变。伴随着重载交通和交通量的增加,现行的路面设计体系和设计标准的路面达不到设计年限就需要“开膛破肚”进行大修。然而大修从寿命周期分析的角度来说是非常不经济的,长寿命路面正是基于总费用最经济的原则最早在欧洲提出来的。半刚性基层材料变形小、易断裂的缺点依然没有改变。反射裂缝仍然为半刚性基层路面的主要破坏模式,由此引起沥青路面的反射性裂缝程度不同的存在,得不到妥善的处理,甚至有更加严重的后果—水损坏和上下剪切和表面受拉。半刚性基层材料在行车荷载、水和温度梯度的综合作用下出现的基层唧泥现象,在重交通条件下出现的早期疲劳损坏现象等。半刚性基层沥青路面的排水性能不好,对大交通以及重在交通的敏感性大,层间的粘结困难,很难成为整体,而且损坏后维修很困难、表面处理和控制比较困难。就半刚性基层沥青路面而言,沥青层越厚,抗车辙的变形的能力就越差。

长寿命路面的设计理念代表了国外高等级公路路面结构选择和设计的新趋势。有关人士普遍认为,这种路面结构能有效地减少水损害.使路面结构的受力相协调,在重交通条件下具有较长的使用寿命,并有利于采用统一的沥青材料保证路面质量。当前研究成果支持:设计较厚的沥青层,能使精心施工的沥青路面损坏仅发生在表面层。长寿命沥青路面主要的破坏型式是一般始于面层车辙和自上而下的裂缝。车辙主要是由于路面结构处于反复剪切应力的状况下而产生的塑性蠕变累积,反应到表面,由沥青层、级配碎石层、土基中产生,中面层是重点。沥青层厚度大于180 mm的时候,车辙基本不受影响。当沥青面层厚度小于180 mm时,较大的交通量引起的土基应变对车辙的产生有着较大的影响。裂缝普遍存在于养生成熟的厚沥青路面上,通常以一条或多条纵向裂缝的形式存在。表面裂缝不一定会削弱路面的强度,对道路并不造成结构性损坏,是长寿命路面设计的一项重要理论依据。由于沥青材的粘弹性.路面内部所出现的微小裂缝往往能够自愈.而不致于像半刚性基层材料那样,在出现裂缝后.将迅速进入裂缝扩展阶段。这种功能性破坏,可以通过沥青罩面或铣刨加铺的方法,来保证路面的行车舒适性和良好的服务性能。

长寿命路面必须是施工良好、且修建在坚固基础上的，这样就不会因为施工和材料的质量问题引起道路结构的破坏。养生意味着道路铺筑初期，其结构特性本身还未形成，此时的道路最容易为交通荷载所损坏。只要道路有足够的初始强度，其主要结构层就不会被初始交通所破坏，养生便会逐渐提高道路扩散荷载的能力，并逐渐降低车辆所造成结构性破坏。在某一最小强度阈值之上的道路预期可获得40 a的使用寿命甚至更多。

3 结语

（1）我国沥青路面设计方法从无到有,经历了多次变革,形成了以路面弯沉为主要指标的设计思想,以满足设计年限内、允许通过的预测交通量要求的路面整体刚度为目标,以提高路面结构的承载能力为主要目的,兼顾结构的抗疲劳能力的路面结构设计理念,极大地推动了我国公路建设事业,尤其是高速公路的发展。

（2）高速公路路面出现早期损坏问题,尽管原因很多,但绝大部分路面是在交通量远未达到设计交通量的早期甚至在弯沉值都非常小时已经发生了破坏,路面弯沉和疲劳破坏的主要指标并没有起到控制作用,许多学者和专家已经认识到我国路面结构设计与实际运用情况差距较大这一事实,开始反思现行设计规范的不足。因此适时引进长寿命沥青路面设计方法,改善我国路面结构类型,提高耐久性,已成为广大技术人员义不容辞的责任。

（3）近几年来,为推广新结构,交通部公路科研所以及各省先后对AASHTO和SUPERPAVE路面进行了大量的研究,并相继引进了适应这些结构形式的试验仪器,掌握了其设计、施工、试验方法,为推广新的结构提供了依据;并且现在我国经济每年以6%～10%的速度发展,经济实力增强,适当增加投资,选择重点路线、路段进行路面结构的变更,增加其厚度,按全寿命的思路设计,是可行的。综上所述,针对我国高速公路现状和经济、技术情况适时引进推广先进的设计方法,改善我国沥青路面设计结构组成,引进试验方法和手段,是完全必要的,也是目前解决我国沥青路面早期损坏的最好途径。

（4）随着交通量的增长和轴载的增大,永久性沥青路面将成为未来主要的路面结构,特别是在高速公路、重载交通中。我国正在进行大规模的道路交通基础建设,每年都有相当里程的高速公路等高等级道路建成通车。对于重交通道路,长寿命、低养护路面可以降低道路总的寿命周期费用,尽早进行长寿命路面的研究,具有重要的现实意义。

[1]张登良.沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.

[2]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版,2001.

[3]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.