浅谈公路沥青路面结构设计技术方法

张延智

（长春市公路规划勘测设计院有限公司，吉林 长春 130021）

0 前言

我国的沥青路面在使用实践中所暴露的大量问题，使人们不得不对现有的路面设计理论、设计方法及设计指标进行反思。实际上目前大量出现的路面早期损坏是现行理论和规范所难以做出更深解释的。对于不同的路面结构，对其使用性能变化规律的认识不够清楚，更缺少定量的研究。因此，必须用发展的眼光对重交通路面的损坏原因、机理重新进行认识，及时掌握新条件下的新变化，通过路面的合理化设计来控制路面的主要破坏型式，从而真正达到路面设计的目的[1]。

1 沥青路面设计指标及标准

1.1 沥青路面设计指标

对于高速、一级和二级公路的路面结构，设计指标为路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力；对于三级、四级公路的路面结构，设计指标为路表面设计弯沉值。有条件时，对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度，验算其最大剪应力是否满足要求。

1.2 沥青路面设计标准

相应于设计指标，我国现行沥青路面设计规范采用以下三项设计标准确定路面结构所需的厚度：（1）路面结构表面在双轮荷载作用下轮隙中心处的弯沉值不大于设计弯沉值；（2）沥青面层底面的最大拉应力不大于该层混合料的容许拉应力；（3）半刚性基层或底基层底面的最大拉应力不大于该层材料的容许拉应力。弯沉和应力计算分析时，将路面结构看成为多层弹性体系，体系顶面作用有相当于双轮组P=50 kN的双圆均布荷载，各层面间的接触条件按完全连续处理。弯沉计算点的位置选在轮隙中心处。层底面拉应力计算点的位置选在单圆中心点及单圆半径的1/2点和单圆内侧边缘点和双圆轮隙中心点，取其中的最大值作为层底最大拉应力。

2 沥青路面设计标准的确定方法

2.1 设计弯沉值的确定

轮载作用下双轮轮隙中心处的路表回弹弯沉值大小，反映了路基路面结构的整体承载能力。回弹弯沉值小的结构整体承载能力大，能经受轮载的很多次重复作用才出现损坏；而回弹弯沉值大的结构，在经受轮载不多次的重复作用后，路面即呈现某种形态的损坏。因而，在达到相同损坏程度时，回弹弯沉值的大小同该路面结构的累计荷载重复作用次数成反比。若能求得回弹弯沉值与使用寿命间的关系，则可依据该路面结构所要求的使用寿命，来确定路面结构设计应控制的路表回弹弯沉值。为此，就需要了解路面结构在使用期内的弯沉变化规律及其与路面结构损坏状态的关系。根据对已建成道路的多年实测资料分析，路表回弹弯沉值随着时间的推移而变化。路表面的弯沉变化过程可分为三个阶段:第一阶段——路面竣工后第一、二年。由于交通荷载的压密作用，以及半刚性基层材料的强度增长，路表弯沉逐渐减小，大致在竣工后第二年达最小值。第二阶段——路面竣工后两至四年。由于在交通荷载的重复作用、水温状况变化，以及材料不匀等因素影响下，路面结构内部的微观缺陷因局部范围的应力集中而扩展，形成小范围的局部破损，使结构整体刚度下降、弯沉增大。此阶段以弯沉不断增大为主要特征。第三阶段——路面竣工后三、四年至路面达极限破坏状态。由于结构内部缺陷，附近局部区域积蓄的高密度能量，已通过前阶段缺陷的扩展而转移，形成新的能量平衡，路面结构的整体刚度达成较低水平的新的相对稳定，路表弯沉进入一个比较稳定的缓慢变化阶段，即结构疲劳破坏的稳定发展阶段，一直延续至结构出现疲劳破坏。大量实测调查表明，相同路面结构的外观状况越差，路表呈现的回弹弯沉值越大。通常，按沥青路面的外观特征，将路面的外观状况分为五个等级，路面状况在第四级时，路面已产生疲劳开裂，并伴有明显的永久变形，若不及时采取养护或改建措施，路况将急剧下降，导致路面完全破坏，即路面已临使用期末，所以，将第四级作为路达临界损坏的状态。此状态时的实测弯沉值在不利季节时测得与该路面已经受的累计标准轴次之间存在良好的对数关系。相对于不同的使用寿命，有一相应的回弹弯沉与之相对应，将路面于使用期末不利季节，在设计标准轴截作用下容许出现的最大回弹弯沉值定义为容许弯沉值。由于路面在使用期内弯沉是变化的，使用期末的弯沉值与竣工时的弯沉值并不相同，不能直接用容许弯沉值作为竣工时验收的标准。考虑到半刚性基层材料的设计龄期为六个月，在路面竣工后第一年不利季节的弯沉值与最大刚度状态所对应的弯沉值比较接近，故将路面竣工后第一年不利季节的路面状态近似假定为路面整体结构的最大刚度状态，并取其作为路面结构的设计状态。

2.2 容许拉应力的计算

路面结构层材料的容许拉应力是指路面结构在行车荷载反复作用下达到临界破坏状态时容许的最大拉应力。这一应力值较一次荷载作用下的抗拉强度小，减小的程度同重复荷载次数及路面结构层材料的性质有关。对沥青混凝土的极限抗拉强度，系指15℃时的极限抗拉强度；对水泥稳定类材料，系指龄期为90 d的极限抗拉强度；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料，系指龄期为180 d的极限抗拉强度;对水泥粉煤灰稳定类材料，系指120 d的极限抗拉强度。

3 沥青路面设计轴载换算

路上行驶的车辆类型不尽相同，它们的轴载也不相同。在计算累计当量轴次时，需将各级轴载换算为标准轴载。根据轴载等效换算的基本原则不同的疲劳损坏标准将有不同的换算公式。我国公路沥青路面设计规范中提出了以下轴载换算公式。

3.1 以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标

各级轴载包括车辆的前、后轴Pi的作用次数ni，按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N:

式中：N——标准轴载的当量轴次，次/d；

ni——被换算车型的各级轴载作用次数，次/d；

P——标准轴载，kN；

Pi——被换算车型的各级（单根）轴载，kN；

C1’i——被换算车型各级轴载的轴数系数，当轴间距大于3 m时，按单独的一个轴计算，轴数系数即为轴数m，当轴间距小于3 m时，按双轴或多轴计算;

C2’i——被换算轴载的轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1.0，四轮组为0.38;

K——被换算车型的轴载级别。

3.2 以半刚性层层底拉应力为设计指标

各级轴载包括车辆的前、后轴Pi的作用次数ni均按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N’:

上述轴载换算公式仅适用于单轴轴载小于130 kN的轴载换算。

4 路面实际弯沉值和层底拉应力的计算

4.1 路面实际弯沉值的计算

应用弹性层状体系理论可求得已知路面结构表面在荷载作用下产生的弯沉，但大量试验验证结果表明，理论计算值与实测弯沉值之间存在一定偏差。此偏差呈现出一定的规律性，当路基刚度较低时，由前述理论公式算得的面层厚度偏大；而当路基刚度较高时，则由理论算得的面层厚度偏薄。出现这种现象，主要是因为路基路面材料并非线性弹性体，而所采用的评定材料抗变形能力(Eo和Ei)的测定方法，并不能反映它们在结构层内的真实工作状态。为使理论计算和实测结果相符，目前在规范中引入了一个弯沉综合修正系数F:

式中：l，al——分别为理论弯沉值和理论弯沉系数；

ls,as——分别为实际弯沉值和实际弯沉系数。

当设计计算路面厚度时，实际弯沉值可取为设计弯沉值，由大量试验验证资料分析得知，弯沉综合修正系数F同实际弯沉值、土基回弹模量及轮载参数的相关关系较密切。

4.2 整体性材料层层底拉应力的计算

为防止沥青层和半刚性基（垫）层因层底拉应力过大而产生疲劳开裂，设计时需验算沥青层及半刚性基层底面的拉应力值是否满足要求。沥青层及半刚性基层底面各计算点的拉应力值，可直接由计算机软件求得。比较计算层各计算点的应力值，取最大值作为该层的最大拉应力。将最大拉应力与该层的容许拉应力进行比较，以判断拉应力是否满足要求或据此控制结构设计。计算时注意材料参数的选择和确定，不同材料有不同的选择要求，具体应用时需注意。

5 路基土和路面材料设计参数

按弹性层状体系理论求解路表弯沉或面层和基、垫层底面的弯拉应力应变时，必须知道路基土和路面材料的弹性模量值。无论是路基土还是路面材料，其应力-应变关系都或多或少呈现出非线性性质，因而表征其关系的弹性模量值都是应力状态的函数。同时，它们又是材料组成、压实状态及环境的函数。工程上通常采用承载板试验和抗压试验得到的荷载-回弹弯沉变形关系确定回弹模量值，并将它作为弹性模量。

5.1 路基土回弹模量值

路基土的回弹模量值，除了受加荷方式和应力状态等因素影响外，主要取决于土的类型和性质，以及土的湿度和密实度。路面设计时，应在最不利季节通过实测确定回弹模量值。但在路基尚未修建的情况下，往往只能通过经验方法来估定。由室内试验结果得知，路基土的回弹模量同土的性质和状态之间存在着下述经验关系：

式中：K——土的压实度；

A，a，b——随所在地区和土的类型而异的试验参数。

通过在全国各地进行的大量实测b和分析工作，提出了各地区不同土组的E0-K-ω c关系式。在此基础上，拟订了土基回弹模量建议值表供初步设计时参考使用。根据当地经验或路基临界高度，判断各路段土基干湿类型，利用论证得到各路段土的平均稠度值预估土基回弹模量值。当采用重型击实标准时，可将土组土基回弹模量参考值提高15%～30%。

5.2 路面材料回弹模量值

无结合料的粒料垫层和基层的回弹模量值，可采用重复加载的三轴试验进行测定。试验时，须按垫层或基层所受到的实际应力状况施加侧限应力，以确定相应的回弹模量值,现行公路沥青路面设计规范中提出的常用粒料基层和垫层的回弹模量值参考范围。无机结合料稳定粒料或土的回弹模量值，可采用圆柱体或小梁试件进行压缩或弯曲试验，测定各级应力作用下的压缩应变或弯拉应变后计算确定。

6 结语

路面设计主要包括结构组合、材料组成设计和厚度确定三个方面。虽然路面结构设计主要讨论结构组合和厚度确定，但结构组合时必须考虑各结构层组成材料的特性和要求，而确定所需厚度时离不开合理选取材料参数。合理的路面结构组合是保证路面使用性能的基础。组合时，必须综合考虑交通荷载、环境、支承条件、组成材料特性、各结构层的功能要求和协调作用等各个方面，并充分吸收已有的设计和使用经验。沥青路面的损坏现象、机理和肇因十分复杂，因此路面结构设计只能选用多种指标，分别控制不同的损坏模式。不同设计方法根据对路面主要损坏现象的认识和分析，选用不同的设计指标。公路沥青路面设计规范中采纳的设计方法是以弹性层状体系理论为基础的力学与经验设计法。该法以路表弯沉作为路基路面整体承载能力的控制指标，以整体性材料层底的拉应力作为疲劳开裂的控制指标，进行结构厚度的设计。要使设计结果能同实际相符，路面结构设计方法就要能全面地反映材料、环境、荷载和土基状况等因素对结构性能的影响，所以，必须收集足够的交通、土质、气象和水文资料，并在同实际工作环境相符的条件下对所用材料进行物理力学性质试验，获取可靠的材料参数。而要做到这一点，是非常困难的。因此，现有设计方法都存在不完善之处，还有待随着研究工作的深入和实践经验的积累，不断地进行修正、补充和完善。

[1]李继红，等.沥青路面结构设计方法探讨[J],交通标准化,2012，（10）:50-53.