长寿命沥青路面设计指标分析

刘纪锋

（邯郸市交通运输局公路工程一处，河北 邯郸 056000）

长寿命沥青路面，又称为长效性沥青路面、永久性沥青路面，是国际道路工程界基于寿命周期总费用最经济的原则提出的新技术，是指设计使用寿命大于40年的沥青路面，起源于欧洲。其特点是在较长的使用期内能够提供优质、稳定的运输服务，并且维修方便，较厚的沥青层减少了传统的沥青层底面开裂，并避免了结构性车辙，使路面损坏仅限于路面表层，因此只需要定期进行表面铣刨、罩面修复就能够使路面在较长的使用年限内不需要大型的结构性重建。这种沥青路面的设计及施工技术在国外是成熟的，然而，国内关于长寿命沥青路面的研究才刚刚起步，现行技术规范对长寿命沥青路面的设计方法与设计指标不匹配[1]。因此，为了解决长寿命沥青路面结构设计及施工中存在的诸多问题，需进行长寿命沥青路面设计指标的研究。

1 拉应力与拉应变

在我国沥青路面设计方法中，一直采用层底拉应力对路面结构的受力状态进行验算。而国外则一直采用拉应变进行验算。相关资料显示，长寿命沥青路面设计采用拉应变为设计指标验算沥青层的受力状态更合理；而半刚性基层仍以层底拉应力为设计指标。

1.1 沥青混合料疲劳极限是长寿命沥青路面设计中最重要的理论基础。欧洲和美国的大量调查发现，很多全厚式沥青路面和高强度沥青路面在服务期超出使用年限后，仍能提供令人满意的交通服务。针对这一现象，研究发现沥青混合料存在疲劳极限。疲劳极限理论能够很好地吻合实际工程状况，并且为长寿命沥青路面设计提供了理论依据，所以国外长寿命沥青路面设计均以拉应变为设计指标。

1.2 从路面力学分析可以明显看出：虽然路面结构中的微元体在某一个方向上承受压应力，但由于处于三向应力状态，在该方向上，微元体仍然可能产生拉应变。尽管理论分析认为受拉应力的点也可能产生压应变，但计算结果证明，在路面结构中不存在这样的点。沥青混合料是一种受压性能高于受拉性能的材料。研究人员和工程师通常更重视拉应力或拉应变。

1.3 道路的破坏通常是行车荷载多次作用后的结果，属于疲劳破坏。在100kN双圆均布荷载下路面结构的应力、应变数值与材料的破坏强度相差较大。理论经验设计方法根据材料的疲劳性能和结构层的受力状态来确定道路能够承受的标准轴载作用次数。材料的疲劳试验方法有很多种。采用最广泛的是小梁重复弯曲试验。疲劳试验结果决定了路面设计中应力、应变验算指标的大小[3]。然而，由于疲劳试验采用小梁试件，试件内应力、应变分布简单。计算时采用单向受力假设，即将梁设想成由众多平行于梁轴线的纵向纤维组成，在梁内各纵向纤维之间无积压，仅承受拉应力或压应力。

2 路基顶面竖向压应变

1962年， Pettie和Dormon提出了通过控制路基顶面的竖向压应力或压应变来限制路基土的永久变形，并进而限制路面结构永久变形的构想。其论点是：路面结构的功用是防止路基受到过量的应力，因为后者会使路基产生过量的永久变形，并使路面结构相应产生过大的永久变形或（和）开裂，材料的塑性应变与弹性应变成正比，弹性应变限定在规定的范围内，塑性应变也就可相应地被限定；而控制住路基的弹性应变水平，路基、路面结构的塑性应变以及永久变形量也可相应地得到控制。在整理分析时发现，采用路基压应变替代压应力可以使关系式不随路基模量而变化。这一压应变关系式随后成为Shell设计方法的一项设计指标。

但是，该设计指标能够限制路面结构永久变形的结论是基于路面结构的永久变形主要来源于路基的假设。对于沥青层较薄的柔性结构而言，路基和粒料基层的永久变形占大部分，这种假设同实际的偏差可能不太大，而对于承受重交通的厚沥青层，轴载应力不可能在路基和粒料层产生大的永久变形量，路表车辙量大部分产生于沥青层。控制基顶压应变不能限制沥青层压应变的大小，从而无法实现限制路面塑性变形的目的。因此，对于柔性结构和复合基层结构长寿命沥青路面，基顶压应变只能控制路基自身的塑性变形。

路基对长寿命沥青路面有着至关重要的作用。在道路铺筑过程中，坚实的路基为施工运输车辆、摊铺和压实设备提供了稳定的工作平台。道路服务期内，路基不仅要承受路面传递下来的车辆荷载，同时还要承受冻、融，干、湿等环境变化带来的不利作用。在道路设计过程中，一方面要加强路基自身的强度和稳定性，另一方面，要合理设计路面结构，为路基减负。前者不属于路面设计范畴。路基达到规定的强度要求后，在路面结构设计时，以路基顶面竖向压应变为设计指标，控制路面结构设计。通常采用的基顶压应变的设计值为200με。

3 路面弯沉指标分析

早期的路面结构形式相对单一，对于同一种路面结构（相同的结构层组合和材料类型），路表弯沉值的大小可以反映出路面结构的抗变形能力。路表弯沉值小的路面结构具有较大的承载能力和较长的使用寿命。因而，可依据相同的破坏标准判断其承载能力（标准轴载重复作用次数）。然而，随着科学的发展和施工技术手段的进步，新的路面结构形式层出不穷。对于不同种类的路面结构（不同的结构层组合和材料类型），路表弯沉值大的路面结构，其承载能力或使用寿命并不一定会比路表弯沉值小的路面结构差[3]；反之亦然。因而，不能仅依据这一指标值判断出路面结构的承载能力，或者比较出不同路面结构的承载能力的高低。在我国，路表弯沉指标成为广受争议的指标。

规范的修订者也意识到了这个问题。因此，各版规范中路表弯沉公式不断被修正：一方面修正公式中的常数项，另一方面增加公式中的系数项。前者随着轴载变重、路面等级提高和路面结构变厚而不断减小，即设计标准不断提高。后者则随着路面结构组合和材料类型的变化而通过增加系数项不断进行调整——由面层类型系数到公路等级系数再到基层类型系数，试图通过细化路面结构和材料类型的办法来克服弯沉指标非唯一性的缺点。然而，新的路面结构组合和材料类型总是会随着技术的发展而不断涌现，而设计规范的修订总是滞后于发展的。

半刚性基层沥青路面破坏的主要形式之一是反射裂缝，说明半刚性材料在整体的路面结构中是相对薄弱环节，而弯沉并不能控制半刚性材料的破坏。因此，对于半刚性基层沥青路面，路表弯沉不能起到控制作用。

鉴于以上分析，在长寿命沥青路面结构设计时，采用路表弯沉作为设计指标。对于半刚性基层沥青路面，虽然其对结构设计没有控制作用，但由于弯沉值是设计和施工验收相对应的唯一指标，为便于控制施工质量，不能取消这个指标。

4 结语

我国的沥青路面结构设计方法经历了一个相当长的演变过程，基本上是建立在缺乏沥青和经济基础较差的国情的基础上，自行发展起来的。可是高速公路沥青路面的早期破坏使得我们不得不对沥青路面的结构类型和设计方法进行反思。长寿命沥青路面作为一种新的路面结构类型，其设计指标必将不同于半刚性基层沥青路面。因此深入分析长寿命沥青路面的设计指标，对规范长寿命沥青路面的设计与施工具有重要意义。

[1]李峰，孙立军，胡晓.长寿命沥青路面设计方法与实践综述[J].公路， 2005， （5）： 122-127.

[2]JTG D50—2006， 公路沥 青路面设计规范[S].

[3]孙立军，胡圣，张小宁.路面弯沉盆上的惰性点[J].公路交通科技， 2001， 18（3）： 1-5.