长寿命沥青路面设计方法研究

程婧

（浙江长兴县交通勘测设计所，浙江 长兴 313100）

1 前言

随着我国经济建设的飞速发展，公路建设事业得到了迅猛发展，由于我国的公路建设起步晚，专业技术人才缺乏，经济投入还不能满足现实需求，再加上不断增加的交通量等原因，很多铺筑的公路路面在通车一、二年内就出现不同程度的损坏现象，严重的还影响到路面的正常使用和寿命。这不仅造成恶劣的交通影响，也带来经济上的严重损失，因此，如何延长公路的使用寿命，防止公路的早期损害已经得到全社会的广泛关注。长寿命沥青路面是指设计使用寿命大于四十年的沥青路面，其优点是在使用期内不会路面结构性的破坏，维修时只需要把表面层沥青混合料更换成新的混合料，维修经济、方便。近年来，一些新材料、新工艺和新技术在长寿命沥青路面设计上得到了比较成功的应用，为了提高长寿命沥青路面的工程质量、完善使用性能、提高使用寿命和节约投资，我们应该放眼未来，改变观念，借鉴国外的先进技术，设计出符合我国国情的长寿命沥青路面。

2 长寿命沥青路面破坏模式研究

我国公路沥青路面主要存在两个类型的破坏，第一类是发生在通车不久的1～3年内，该类破坏主要是局部表现为车辙、坑槽和松散，第二类是深层次原因引发的破坏，该类破坏是即使设计合理、管理严格、材料合格，仍然是使用不到设计年限时就需大修。由于长寿命沥青路面的设计理念是建立在对路面破坏模式的假定上，因此我们首先要展开对长寿命沥青路面设计指标和破坏模式的研究。

2.1 长寿命沥青路面结构设计指标

由于长寿命沥青路面结构的破坏都是由应力、应变和位移累计产生，以前，大家一般都是以路表弯沉作为设计指标。该指标主要反映路面结构整体的抗变能力，对于同一个路面结构而言，该指标越小路面结构的承载能力越强，使用寿命越长。随着路面结构新材料和新类型的出现，把路表弯沉作为主要的设计指标已经不能满足实际的需要，目前我国主要采用基底拉应变作为长寿命沥青路面设计控制指标的疲劳公式。

2.2 不同连续状况下应力应变分析

在长寿命沥青路面的结构中，基层一般都是半刚性基层，各类材料之间的层间接触具有一定的连续性，而沥青面层中各层的材料都是沥青混凝土，不具有很好的连续性。本文只对沥青层和半刚性基层之间的层间不连续性进行分析，通过分析得出：随着不连续程度的增加，沥青层的层底拉应变的变化速度最快，而其他层中底层拉应变的变化则不是很大。

2.3 沥青路面结构破坏临界状态确定

对于由不同材料类型和结构层组合的路面结构而言，其路面结构破坏的临界状态的确定方法也多种多样，目前，在长寿命沥青路面的结构设计中常考虑的临界破坏情况主要有以下三种情况：

⑴沥青面层的疲劳开裂。疲劳开裂是一种主要的结构损坏形式，它是指在载荷不断作用下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的开裂，长寿命沥青路面设计时在使用年限内疲劳开裂是允许出现的。通常情况下，路面结构疲劳开裂的临界状态由混合材料的疲劳极限决定，沥青混合材料的疲劳寿命方程为：

其中k、n是和混合材料有关的常数。

⑵半刚性基层的开裂。目前，半刚性基层的开裂是沥青路面结构破坏的一个主要的临界状态。基层开裂是指路面结构的半刚性基层底面的拉应力超过其容许值时出现的裂缝，半刚性基层具有强度大，有利于荷载的分布的特点，但是由于其柔韧性能差，一旦超过其容许拉应力，容易出现裂缝，并造成整个路面结构的严重破坏。一般情况下，半刚性材料的疲劳方程用荷载作用次数表示：

其中k2，n2为疲劳参数。

⑶车辙。车辙是路面结构层在车辆载荷的不断作用下产生的永久变形。车辙又分为只发生在沥青面层的表面车辙和发生于土地基础的结构性变形两种。在进行长寿命沥青路面结构设计时我们首先考虑的是结构性车辙，在85%的置信水平和标准载荷作用下，路基容许的垂直压应变的计算公式如下：

通过上述公式可以计算出长寿命路基可以承受的最大作用次数，当实际车辆通行次数超过该数值时，则判定该路基产生破坏。

3 长寿命沥青路面设计方法研究

目前我国公路建设的观念、设计、施工和维护等还不能与实际需求相适应，长寿命沥青路面的建设存在设计不合理、建设不规范和养护不到位的情况，因此要想改变这样不利局面，首先要从理念上解决长寿命沥青路面的设计问题。

3.1 长寿命沥青路面的定义

长寿命沥青路面结构由多个复杂的层状组成，由于其具有良好的设计、施工表现，早在20世纪60年代在北美地区开始广泛修建。该路面与普通柔性路面相比具有全新的设计理论，就是在保证路面厚度的基础上把病害限制在路面的表层，通过定期的维修保证路面在50年内的设计年限内不发生结构性损坏。长寿命沥青路面和传统路面相比就有显著的特点：路面裂缝减少，维修方便；路面结构总厚度比用粒料基层薄；使用寿命长，经济价值高。

3.2 长寿命沥青路面设计指标确定

在借鉴国外设计理念的基础上，结合我国路面结构多采用半刚性基层的实际情况把半刚性基层层底拉应力指标确定为长寿命沥青路面设计指标。

半刚性基层材料一般有疲劳破坏和压碎破坏两种形式，压碎破坏一般通过对材料性能的检验进行避免，一般很少发生在路面结构中，因此在进行长寿命沥青路面设计时主要考虑疲劳破坏。根据我国《公路沥青路面设计规范》的规定，以半刚性基层的层底拉应力指标来控制半刚性基层底面的开裂破坏，因此，在长寿命沥青路面设计时，应满足半刚性基层的层底拉应力小于材料的容许拉应力值。

3.3 长寿命沥青路面设计方法

长寿命沥青路面设计方法可以分为经验法和力学经验法两种，由于设计人员的经验有限，再加上新材料的层出不穷，伴随着计算机水平的提高，目前力学经验法中力学分析的比重越来越大，在具体设计一般按照以下步骤进行：

⑴结构设计。进行结构设计时一般采用采用弹性层状体系理论作为理论基础，即各层材料均匀、层间接触连续、土基在深度和水平方向均无限等。为了保证长寿命沥青路面结构的安全、稳定和足够的使用寿命，为了能够客观反映路面结构的真实情况，需要对现行规范中提供的双圆均布垂直荷载进行改进。

⑵结构层材料设计。由于长寿命沥青路面的损坏只发生在沥青面层，因此，结构层材料的选择和混合料的设计就至关重要。其中沥青面层应该具有较高的稳定性，为了抵抗车辆载荷带来的变形，还应该具有较高的强度。混合料的设计方法应该和路面损坏模式相结合，按照路面的实际性能进行设计。

4 结束语

通过本文的分析可以看出，长寿面沥青路面设计的理论是，在设计寿命的使用期限内，限制路面可能发生的破坏主要在路面结构上部。目前我国大规模公路网沥青混凝土路面的损坏给交通带来了严重的影响，因此为了减少路面的损坏和维修造成的损失，开展对长寿命沥青路面的研究是非常必要的。

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