沥青路面设计方法及存在的问题

陈云骞

【摘 要】随着公路建设的快速发展，沥青路面结构形式的公路也越来越多，应该加强沥青路面的设计研究工作，使沥青路面在更大的范围和更多的公路建设中得以运用。要结合公路沥青路面设计的复杂性和特殊性，要针对公路沥青路面设计的常见问题寻求良好运用设计的途径，在加强公路管理的基础上，提升公路沥青路面的设计质量进而确保行车舒适性与安全性。

【关键词】公路建设；沥青路面；设计方法；

引言

沥青路面在我国公路的路面结构中非常普遍。据不完全统计，沥青路面结构在已建成高速公路的路面结构占有率为85%～90%。并且，随着高速公路网覆盖面的不断增大，沥青路面的设计水平也在不断发展，并取得了丰硕的成果。但是在已建成的高等级公路沥青路面使用过程中发现，无论是采用国外混合料配比，还是传统混合料配比，在投入运营一段时间后，沥青路面均会出现破损现象。造成沥青路面破损的原因很多，本文主要分析沥青路面设计方法存在的一些缺陷，进而提出一些建议。

1、沥青路面设计存在的问题分析

1.1现行的规范大多建立在半刚性基层受压模型中，柔性基层上的沥青面层疲劳寿命远高于路面结构寿命，沥青面层不会出现疲劳开裂，将路表设计弯沉值作为唯一控制指标，使路面结构设计与实际情况不符。

1.2设计中忽略了路面材料的低温性能，对于低温开裂和车辙问题考虑不足。1.3设计中没有充分考虑到环境因素、经济因素，导致相应的控制指标比较单一，无法满足现代公路设计的需求。

2、沥青路面设计的方法研究

2.1 CBR设计

加州承载比CBR（CaliforniaBearingRatio）法，是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。CBR法是美国加州工程师Porter在1929年提出的。CBR设计法用材料抵抗局部荷载压入变形的能力来表征材料的承载能力，并且设定了标准碎石的承载能力为标准，以材料的承载能力与标准碎石的承载能力的比值百分数作为CBR值。CBR值后来也被用于评定土基的强度。通过CBR试验得出路面的CBR值，再结合路面的实际状况，可以得到CBR值与实际交通荷载以及路面结构之间的经验关系，并依此来进行路面结构设计。CBR法对于后来的沥青路面设计方法最大的贡献就是提出了CBR值作为表征路基土和路面材料的力学性质的参数指标。因为此方法有比较完善的图表来确定沥青路面厚度，应用时非常便捷，所以受到了众多工程技术人员的欢迎。美国陆军工程兵部队在二战时曾采用CBR法，日本目前所采用的沥青路面设计方法也是参照了CBR法制定的，而且目前CBR法仍然是美国联邦航空局（FAA）的机场沥青路面设计方法。但是，CBR设计法也有很大的局限性。CBR值不能直接度量材料的承载能力，因为它没有直接的理论依据，仅仅是一个经验性的指标。而且在实际使用中，路基土的工作状态通常是处于弹性范围内的，但是CBR值却不能有效的反映弹性变形。

2.2力学-经验设计法

力学-经验设计法主要是分析荷载和环境作用下路面结构的力学反应量，根据这些力学反应量与破损模式之间的关系建立路面性能模型，从而设计出沥青路面结构。自上世纪60年代，各国就致力于力学—经验设计法的研究工作，其中较为成熟的有AI法和Shell法。在第一届沥青路面设计结构国际会议中，壳牌公司的两位科研人员提出了针对于沥青路面设计的力学—经验设计法大体框架，随后这一框架成为了Shell设计法的雏形。在随后的20年中，各国的科研人员对力学—经验法进行了深入研究，并且取得了丰硕成果。

2.3Shell设计法

1962年，壳牌公司提出以弹性层状体系代表路面结构，计算分析圆形均布荷载作用下的应力、应变和位移值，把面层底部的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标，分别控制疲劳开裂和车辙[6]。对于路面结构以及材料，Shell法所考虑的参数主要有各层的厚度，材料的动态模量、泊松比以及体现材料粘弹性性质的劲度模量。路基动态模量可以用动态弯沉试验在现场测定，也可以在室内通过三轴试验测定。如果受试验条件限制，也可以用CBR试验法或承载板试验法，并结合以往相关工程的经验进行选择。温度等环境因素的影响体现在其对沥青混合料模量的影响上。取沥青层底部和路基顶部的轮中心点下方和轮际中心点下方两处为计算应力与应变的最不利位置。Shell设计法的两项控制标准分别如下：Nf=[（0.856Vbit+Smix-0.36）/εr]5。Nf=（a/εz）4。其中，Nf为累计标准荷载作用次数；Vbit为结合料的体积比；Smix为沥青的劲度模量。沥青层永久变形为：Δh1-i=Cm×h1-i×（Z×δ0）/Sm-i。其中，Z为应力分布系数；δ0为轴载压应力；Sm-i为第i层的劲度模量；Cm为修正系数，在Shell路面设计手册中可以查得=。

3、目前我国的沥青路面设计方法

目前，我国的沥青路面设计采用力学—经验法，以双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系为计算模型，各层面之间的接触状况按照连续体系处理。在弹性层状体系理论的基础上，以路表回弹弯沉值和整体性材料层底弯拉应力为主要设计指标。路表回弹弯沉表征了路面整体的强度与刚度特性，整体性材料层底的弯拉应力则用来控制疲劳开裂。路表回弹弯沉的计算点选在轮隙中心点，沥青混凝土面层和半刚性材料层底拉应力计算点的位置为单圆中心点、单圆半径的1/2点、单圆内侧边缘点以及双圆间隙中心点。设计时，首先以路表回彈弯沉作为首要指标进行设计，然后再用沥青混凝土面层和半刚性材料层底弯拉应力来验算并加以修正。交通荷载采用重量为100kN的双轮组单轴轴载为标准轴载。在计算中，各层材料的模量均采用不利季节的抗压回弹模量。沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验得到的劈裂强度。

4、对我国沥青路面设计方法的建议

4.1设计标准

在现有的沥青路面设计规范中，应该适当增加一些控制指标，如能够较好反映车辙问题的路基垂直压应变与重复荷载的关系指标。在设计中适当引入一些环境、经济指标，使设计方法更趋于完善。该指标体系不仅能够反映出沥青路面的结构和材料特征，更能真实地反映出环境因素（温度和湿度）对于各级公路沥青路面性能的影响。

4.2材料参数

我国现行的设计规范中，材料的回弹模量采用静态抗压模量E代替。但是在实际情况中，动态回弹模量也是可以通过仪器进行测量，因此，应该适当考虑增加动态模量，从而使设计参数更加合理。沥青混合料参数在选定的过程中也存在一定的局限性，其回弹模量仅考虑了静态下的回弹模量值，忽略了动荷载作用下的动态模量。此外，在路表的抗滑能力方面，设计规范中也没有能够充分体现出来。

5、提升沥青路面设计水平的方案

当前的设计和施工环节可谓是环环相扣，其中一个项目的工作出现了缺陷，则会导致后期的工作出现巨大的波动和影响。所以还应当加强对相关设计指标的完善和控制。在实践的工作当中可以通过对路面路基垂直压力变化情况以及重复荷载的作用力分析，得出车辙的设计方案。另外，针对水平的应变拉力进行全面的分析，也可以得出沥青路面的表层开裂问题根本原因。在相关设计工作当中还应当全面的参考温度、湿度、环境和经济方面的因素，加强相关指标的控制和探讨，通过对控制指标体系的完善来加强设计水准。同时，还需要加强对材料參数的控制，一般情况之下静态的模型不能够真实并且全面的反馈出材料在各种变化因素之下的性能，诸如路基填土的回弹量，而通过承载板技术，只能够开展静态的测试，为了使得设计的参数更加科学合理，还应当采用动态弯沉仪器，来加以测定和分析，使得数据结果更加可靠。

结束语

总而言之，我国交通技术的不断改进，也带动了技术的全面发展。因此，在实践的工作当中，应当首先对沥青路面的设计方案和技术原则进行分析，从设计的角度着手，对改进的基本对策进行探讨，同时结合当前的情况给予恰当的解决对策，为相关设计工作的全面发展提供基本的思路和方案，并且促进后期施工技术的完善，为养护工作和管理工作的健全奠定基础。

参考文献：

[1]徐鸥明.长寿命沥青路面设计指标与设计方法研究[D].长安大学，2008.

[2]武建民.半刚性基层沥青路面使用性能衰变规律研究[D].长安大学，2005.

[3]艾长发.高寒地区沥青路面行为特性与设计方法研究[D].西南交通大学，2008.