城市长寿命沥青路面的设计与应用

■段文志，陈 锋 ■．北京市城市道路养护管理中心，北京 00000;．南京航空航天大学，江苏 南京 006

随着城市现代化建设的发展和人民生活水平的日益提高，我国城市道路建设取得了巨大的发展。然而城市道路的早期破坏现象十分普遍，多数道路通常达不到甚至远低于设计寿命就出现了损坏。目前，我国城市道路的设计年限一般为15年，但实际的使用年限均无法超过10年，甚至有的城市道路在通车初期2～3年就出现了较严重的破损［1］。部分道路几乎每隔几年就要进行一次大修，不仅要耗费巨大的财力和物力，而且造成严重的环境污染和资源的浪费。针对这种情况，城市沥青道路路面的设计可以借鉴长寿命路面在高速公路路面设计中的经验，以此来延长城市道路的实际使用寿命，获得间接地经济效益。

1 长寿命路面

长寿命路面指设计年限在40年以上的路面结构，它的设计寿命达到40年以上。在设计寿命期间，不发生结构性破坏，路面的损坏只发生在表面功能层，因此，只需进行日常养护，不需要对主要承重层大修;路面厚度较大，初期投资偏高，但运营过程中维修费用低，在寿命周期内最经济［3］。长寿命路面的具有合理的路面结构，能够充分发挥其整体性能，避免在寿命期内发生早期损坏;具有一定的结构层厚度，有效地降低各层层底弯拉应力;对各层材料的要求都很高，以确保结构层在较长的设计周期内不发生疲劳破坏;路基具有很强的承载能力，为其上路面结构层提供稳定与均匀的支承;排水设计合理，避免路面结构水损坏。

2 城市长寿命沥青路面的工程应用

目前国内外的长寿命路面主要针对新建公路而言，而在我国的研究主要集中在高速公路领域，对城市长寿命路面的研究与应用十分有限。下面以北京工体北路路面翻新改造工程为例来说明城市长寿道路的设计思路与实际应用。

2．1 路面设计思路

工体北路作为北京市城市主干路，以公交车辆为主的重交通特征显著，其路面基层主要由旧路不断改造形成。限于北京市道路改造交通管理限制，需保留原基层。因此，工体北路项目路面设计从以下三个方面进行统筹考虑(工体北路路面设计要素如图1):(1)引入国内外长寿命路面设计体系的破坏模式进行验算，使得沥青面层底面的拉应变被减少到不显著的水平，能够很好地抵抗由下至上的疲劳开裂;控制路基顶面压应变小于控制标准，路面结构不发生显著的永久变形。(2)按照我国沥青路面设计规范进行验算，参照设计寿命15年，路面承载能力(弯沉)充足，以各层底面层底拉应力小于材料容许拉应力控制，不发生设计期内的疲劳开裂。(3)通过前述结构和材料性能的一体化设计控制表面损坏、早期损坏问题。

图1 路面结构计算要素

2．2 路面设计过程

(1)路面结构层位设计

经现场测量，工体北路原道路主路结构及各层厚度和材料参数如表1。

利用我国沥青路面设计体系，根据实测数据及相关计算公式，验算得知此路段的弯沉平均值为31.19，标准差为11.32，路面现况弯沉值计算为49.81。根据计算现况工体北路的弯沉知道路强度不足，需对道路进行补强，综合分析后，路面设计最初定为:主路面层铣刨7cm后，加铺二层沥青混凝土结构，抬高路面4cm。根据规范按照该路面结构和设计交通量计算路面设计弯沉值为33.1(0．01mm)。根据《城镇道路养护技术规范》(CJJ 36－2006)，现况道路特重交通等级，碎砾石基层小于35结构强度足够，小于56大于35处于临界状态，大于56结构强度不足［5］。工体北路现况道路坑探结果显示，道路基层为二灰土基层，面层沥青混凝土与二灰土基层之间为10cm左右石渣垫层。综合道路实际情况，按碎砾石基层进行计算，目前道路结构强度为临界状态，需对现况道路进行补强处理。按照最初确定方案的设计，原路面铣刨7cm、加铺两层普通沥青混凝土，上面层为4cm，下面层为7cm，路面结构如表2所示，该结构计算弯沉为40，达不到设计要求。为了使路面结构达到规定的强度要求，须加大加铺层的厚度，经计算修改为加铺的下面层厚度要达到12cm，此时弯沉为33，方能达到设计的强度要求。则路面初次设计厚度与最终设计厚度如表2。

表2 工体北路翻修路面结构及厚度

由于本工程的特殊性，拟通过采用增强加铺层的结构强度(模量)方式实现较好的荷载分散能力，在较薄的厚度下减小路面弯沉。即在全厚式沥青路面实施受限的前提下，通过提高承重层模量来减小路基顶面垂直压应变，通过改善材料承受极限应变能力来延缓路面开裂破坏。

结合对材料性能的考虑，对工体北路路面结构和材料设计方案拟定如表3。

表3 路面结构和材料设计方案

按照初拟的结构层材料多次实测参数(近似值)进行计算如表4。

模量MPa层次 材料容许拉应力20℃ 15℃ 厚度cm层底拉应力MPa MPa旧路面 土基32.5 45 45 弯沉

根据该验算结果，路面弯沉基本满足设计要求(33.1，考虑路基取值较低的安全系数);假设掺加了抗车辙剂的SAC－20的极限劈裂强度(15℃)为2.5MPa，旧沥青路面材料的极限劈裂强度为1.0MPa，按15年计算得到累计轴载4847433次，由沥青混凝土的极限劈裂强度计算得到各层沥青混凝土的层底容许拉应力。该计算表明，本设计方案的层底拉应力均小于材料的容许拉应力。

(2)长寿命沥青路面结构计算

根据前述关于国内外长寿命路面技术体系和设计模式，本项目加铺层以下作为沥青类基层(石渣层作为类沥青碎石基层特性)，按照厚沥青面层(设计后为33cm)进行长寿命路面设计参数的验算。对加铺结构层底拉应变、路基顶面压应变计算如表5。

表5 初拟方案各结构层材料层底拉应变及顶面压应变计算结果

根据我国长寿命沥青路面验算控制指标，则路面的验算结果如下:①沥青层底拉应变极限指标:沥青层底拉应变(118)＜(控制的)120微应变;②土基顶面压应变极限指标:土基顶面压应变(278)＜280微应变。

3 结论

与常规沥青路面相比，城市长寿命沥青路面在设计上采用较厚的结构层和性能优越的材料，路面在设计年限内不会发生结构性破坏，因此只需进行日常的养护和及时的表面维修，下部结构基本不需要做任何处理就可一直使用，有效延长道路的使用寿命。相比常规沥青路面，这样的可持续发展模式和较长的使用寿命，可以减少处理废旧路用材料对环境造成的污染，因此具有显著的环保意义。

［1］姜爱民．浅析沥青路面的早期破损与防治［J］．公路交通科技(应用技术版)，2008(11):105 ～106．

［2］刘凤梅．简谈城市道路路面破坏原因及对策［J］．科技信息，2012(14):342．

［3］王选仓，侯荣国．长寿命路面结构设计［J］．交通运输工程学报，2007(6):46～49．

［4］冯治安，王选仓，李国胜．长寿命路面典型结构研究、设计与施工技术［M］．人民交通出版社，2007．

［5］CJJ 36－2006城镇道路养护技术规范．北京:人民交通出版社，2007．