影响城市沥青路面结构耐久性能的若干问题

邱 蒙，孙 旭，丛 林

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉430023；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海市 201804）

影响城市沥青路面结构耐久性能的若干问题

邱 蒙1，孙 旭1，丛 林2

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉430023；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海市 201804）

城市道路沥青路面结构普遍难以达到相应的设计使用期限。通过分析耐久沥青路面结构设计原则及目前情况下沥青路面结构设计与建设过程中可能存在的制约因素，总结提出影响沥青路面结构耐久性能的关键问题，包括设计理论因素以及实际状态与理想状态的差异等，为解决城市沥青路面耐久性能等相关研究提供借鉴。

沥青路面结构；耐久性能；制约因素；设计体系；变异性

0 引言

优质沥青混凝土路面需要兼顾考虑路面的服务性能、耐久性能、建造成本、维护成本等方面，但这些方面的要求并不协调，甚至在大多数情况下是相互矛盾的。各方面内部涉及因素间实际上也常常处于对立状态：面层材料的高温稳定性与低温抗裂性之间，面层材料的耐久性与抗车辙能力之间，高模量与疲劳性能之间。这些都是成为优质沥青路面结构所必需解决的问题。目前我国城市沥青路面面临的很大一个问题是沥青路面的耐久性能的欠缺。

1 结构耐久性能设计原则

1.1 目标

根据城市道路调查，我国目前城区道路普遍难以达到相应的设计使用期限，在远未达到设计使用期时即发生破坏，或需要频繁养护手段维持合理的使用性能。

从交通荷载、设计标准、建设形式、典型结构等方面来说，我国目前的道路使用情况与发达国家相比最突出的特点在于半刚性基层的普遍使用和早期损坏的频繁发生。对于研究耐久性路面结构，首先要考虑解决现有沥青路面非设计控制的损坏形式的发生，使沥青路面在设计使用期内保持一定的服务水平；其次是降低路面的养护或维修成本，应控制破坏发生层位尽可能靠近表面层，下部结构层尽可能保持较好工作状态，功能性养护效果更好（因为下层结构良好），结构性补强或翻修工程量减少。

1.2 原则

（1）解决主要矛盾原则

道路致损因素繁多，损坏机理十分复杂，现阶段对路面损坏本质的研究基本停留在经验统计层次，而且由于路面结构组合的复杂多样性，一直以来都难以建立完善统一的路面使用性能与损伤体系。

因此，对于耐久性路面结构研究，应当把握不同路面结构组合、不同道路形式（等级、地位、属性等）、不同交通特点（荷载、交通行为、分布特点）下路面结构相对应的妨碍其耐久性能的主要矛盾，予以特殊关注，并加以解决或规避。

（2）结构补偿原则

路面结构组合确定后，路面结构设计即为路面材料参数和路面厚度的设计，这两方面多层次的多个参数对路面设计指标分别有不同程度的影响。武金婷[1]通过弹性层状体系力学计算，对三种结构组合形式分析了基层、底基层、路基模量和基层底基层厚度对路面设计各参数的影响。从其研究成果中可以看出，对于不同的路面组合形式，各参数对同一路面设计指标的影响程度重要性发生变动。以此可以推论，为达到同样的设计指标要求，可以通过变换不同结构层的厚度和模量参数来实现，对于某一参数的削弱可以加强其余参数来进行补偿。并且不同结构组合中各参数对设计指标的影响程度不同，因此可以通过削弱对指标影响小对成本影响大的参数，增强指标影响力强成本影响力相对弱的参数来灵活调整路面结构设计。

（3）自下而上原则

对下部结构层位的标准和质量严格要求是耐久性沥青路面的重要理念。在允许条件下提高同一结构层或者不同结构层中较下层位的参数和要求，带来的好处有：a.路面结构是一个类似堆栈结构，想要对任何层位结构进行修护都要先挖出在其上部的结构层。b.提高下部结构的质量和参数能保证其具有稳固的路基，对上部路面结构的支撑作用非常明显,基层、面层的层底疲劳开裂是非常典型的路面损坏形式。

以系统可靠度分析，路面结构层次为n层，从上往下第i层的可靠度为Ri。该层发生结构性破坏需要重修的概率即为1-Ri，第i层单层的重修成本为Mn。但倘若第i层发生损坏，需要重修，该层次以上的所有层次都要开挖重建。表1为路面结构各层位可靠度及重修概率。

表1 路面结构各层位可靠度及重修概率

因此整个路面结构发生的重修成本为：

由上式可以看出，对整个路面结构系统重修的花费，除去各层次本身材料的单位成本外，越往下层次的结构可靠度的影响越大。

路面损坏发生时，表面层的损坏易发现，易维护，养护手段及时高效，但基层损坏，甚至路基失衡反映到路表损坏发生时，几乎无法修复，翻挖重建的成本浩大。

2 路面耐久性的制约因素

2.1 设计理论因素

2.1.1 “木桶”原理

道路工程中对路面性能的决定因素很多，各因素相互间组成“木桶”原理中的木板。路面结构破坏中，局部损坏会导致整体损坏加速。传统道路设计的主流思想中，没有正视路面结构的此种体系特点，具体体现在：包括现行规范在内的设计理论中都是通过疲劳模型使结构疲劳寿命超过设计基准期疲劳作用次数，这种疲劳寿命的估计依托于结构内应力应变状态，也建立在结构各层材料参数达到设计使用参数的假定下。根据实践经验，路面的工作状态并不是如设计假定时那样始终处于完好状态，如很多半刚性基层的状态在设计寿命期限内已然开裂。一方面疲劳寿命提前终结，另一方面这种状态下基层的有效模量无法达到假定水平，结构内应力应变重新分布，影响其他层次的疲劳寿命。

2.1.2 我国沥青路面设计体系不足

2.1.2.1 指标

我国现行沥青路面设计规范以路表弯沉为主要设计指标，以沥青面层底部的拉应力或拉应变和半刚性基层底部的拉应力为控制指标。从对应损坏形式来讲，沥青层底拉应力或拉应变对应的沥青层自下而上发展的疲劳开裂，半刚性基层底部的拉应力指标对应的是无机结合料的疲劳开裂。

表面上看各分项指标各司其职，然后用弯沉指标作为总体刚度和承载力的综合指标控制。但实际上路表弯沉并不能与结构层底部拉应力或拉应变组成一个有机整体，也无法达到精确控制路面结构设计的目的。

以杨学良[2，3]的计算结果演示各指标在结构设计中发挥的作用。但实际计算对比后发现：

（1）沥青面层底面的容许拉应力无法发挥作用。在完好半刚性基层的支撑下面层底部基本处于受压状态，该指标无法反映并控制沥青面层底部的疲劳开裂破坏。

（2）路表弯沉无法发挥作用。在此类半刚性基层结构中，按照弯沉控制计算得出的基层厚度总是小于按照基层底面容许拉应力控制计算得出的基层厚度，也就是弯沉指标在基层厚度控制上不起作用。

2.1.2.2 模型

我国沥青路面设计规范中所采用的疲劳损坏模型有沥青混合料疲劳损坏模型和无机结合料疲劳损坏模型。疲劳模型存在的问题在于，通过试验建立起应力、应变、材料参数等之间的统计学关系，由于缺乏对疲劳本质的剖析，且相应试验方法、加载模式、应力级位、考虑因素的特殊性，疲劳模型在试验条件下的高度相关性并不能完美转化到实际结构应用中去。

我国广泛使用半刚性基层，无机结合料的疲劳模型对于实际应用十分重要，但现有的无机结合料的疲劳开裂理论仍有不完善之处。根据贾侃[5]对水泥稳定砂砾、水泥稳定碎石、水泥稳定土和二灰稳定碎石等常用无机结合料进行的梁试件弯拉疲劳试验，其研究结果建立了具有一定保证率的疲劳方程，如水泥稳定碎石的50%保证率疲劳方程为：

悬浮密实：lgN=13.269-12.687（σr/fr）

骨架密实：lgN=11.618-10.421（σr/fr）

在试验室成型条件下，在不同应力级位条件下，同种试件的疲劳寿命的离散性有较大差异。以水稳碎石的疲劳试验结果为例（见表2）。随着应力级位的增加，疲劳结果的离散性也快速增大。

表2 水泥稳定碎石不同应力水平下弯拉疲劳试验结果

2.1.2.3 材料参数

我国路面设计结构分析中采用的是弹性层状体系假设，但实际上路面材料中除去无机结合料类材料外，一般为弹塑性或者黏弹性材料，具有应力与环境依赖性。现有的材料性质测定方法在受力环境和环境条件吻合方面还需要加以改进。

实际上我国沥青路面设计规范在材料参数试验上一直进行着尝试与改进。如现行的城镇道路设计规范[4]吸收了近年来国内外的研究成果，对沥青混合料的动态模量和抗剪强度的测试方法都进行了采纳与规范。

2.2 实际状态与理想状态的差异

2.2.1 轴载作用

沥青路面结构设计中对于轴载参数输入换算为设计基准期内设计车道的累计当量轴次。累计当量轴次又可对应于损坏模型中的疲劳作用次数。以重复疲劳试验研究为例，疲劳寿命还受到应力水平、加载模式、加载频率等因素的影响。

其中应力水平对应路面结构和荷载重量；加载模式对应结构层组合和支撑状态；加载频率对应车辆运行速度和行为。

以城市道路交通荷载分析结果来看，城区道路之间不仅累计轴次有明显差距，在混合交通流中轴重分布也有相当大的差异。典型的弯拉疲劳和直接、间接拉伸疲劳试验与结构层在路面结构中的支撑状态也有明显差别，主要体现在裂缝扩展阶段，试验中试件缺乏约束，裂缝发展过程极为迅速，而实际路面结构中，由于下卧层的支撑作用，裂缝处变形受到约束，因此实际路面中的疲劳损坏中应分为两阶段。裂缝出现前为应力控制状态，裂缝产生后近似于应变控制状态，但这两种状态的切换是由于该层位“有效模量”变化造成的自发转变，试验模拟难度较大。理论研究中的加载频率对于高速公路或快速路等车流运行稳定道路轴载有较好的模拟效果。根据城市道路交通特点分析，由于限速、拥堵、干扰的影响，车辆运行速度较低，对应加载频率较低，加载周期较长，实际损伤量也需要进一步研究。

标准轴次分别转化和忽视了混合轴载比例信息、车辆速度这两个能反映轴载对路面结构损伤量的重要参数。其中混合轴载转换为标准轴载中的等效原则仅能针对某一项指标进行等效。标准轴次换算的理论基础为疲劳损伤理论，无论实际轴重是多少，都可以通过控制结构刚度和厚度来调节结构层内部应力或者整体刚度，也因此可以通过疲劳模型中的应力应变与疲劳寿命的关系设定结构内部应力应变容许值，以满足路面换算标准轴次。但实际损坏形式并非全部可以通过疲劳理论解释，或者极限轴载下的极限状态超出了疲劳模型的适用范围。可以总结为两点：标准轴次几乎是轴载方面反映到结构设计中的所有信息；结构层材料疲劳寿命试验研究的加载形式与路面在荷载作用下实际状态不同。

2.2.2 多因素共同作用

实际运行状态中的多种因素的共同作用下导致的损坏发生速度要比简化模型中单独因素的损坏速度快得多，这也是导致出现非设计预期损坏的一大原因。简单地说，对材料性能衰减的研究，环境因素的影响与荷载作用的影响等之间缺乏统一的多因素的路面性能损坏（衰减）模型。

国外部分路面设计方法中将基层模量衰减和荷载疲劳损坏结合起来。材料模量的衰减会导致结构应力的变化，相对应的疲劳应力级位也发生变化，两者结合后计算得出的设计疲劳寿命会大大减少。对道路设计中各输入要素之间的相互作用的研究构成了整个道路设计理论体系。各分类涵盖：

（1）环境：温度（高温、低温）、水、阳光等；

（2）荷载：轴型、轴重、作用次数等；

（3）材料性质：模量（劲度）、黏附性、变形等；

（4）结构：结构厚度、结构组合。

相互作用对象关系如图1所示。

图1 沥青路面设计输入要素间交互作用

道路研究工作中，对两因素关系研究做了大量工作，例如，温度与材料模量间的关系；各应力状态下的材料参数；水对沥青黏附性的影响；各环境因素与沥青老化；应力与疲劳损坏；低温与疲劳损坏；高温与沥青混合料剪切破坏；等等。

根据现有路面的损坏形式和对结构损坏机理的研究，对路面损坏影响较大的共同作用组合包括：低温开裂与轮载共同作用下的疲劳或极限损坏；模量衰减与荷载共同作用产生的疲劳损坏；浸水或动水与疲劳损坏共同作用下的结构损坏；沥青老化与水的作用共同导致的材料性能衰减。

2.2.3 系统变异性

排除施工质量问题，本文认为变异性是正常施工手段和应用材料的客观条件限制在系统中存在的变异性。变异往往会导致薄弱环节的存在，造成路面结构局部强度损坏或者结构耐久性能下降。

从施工变异性对沥青路面耐久性能的影响考虑，有以下两点：

（1）路面混合料离析

此处排除施工质量问题，在实际施工中混合料会发生系统性离析。离析出现后会造成部分路面缺乏细集料，空隙率较大，耐久性下降；部分路面充斥细集料，缺乏骨料构架，无法提供足够的矿料间隙，抗剪强度较弱，易出现泛油和车辙损坏。

（2）无机结合料寿命变异性

根据无机结合料疲劳性能试验的试验结果，其室内成型试件在强度检验中具有较好的稳定性，水泥稳定碎石悬浮密实结构和骨架密实结构的抗压强度结果的变异系数分别为5%和7%，但其疲劳寿命的变异性却普遍达到了40%以上，见表2。

3 结语

（1）阐述了本文研究耐久性路面结构的研究目的。a.减少设计使用期内发生结构损坏的可能性，使路面使用性能保持在一定水准；b.路面损坏尽可能发生在靠近上部层位，修复难度与成本较低。总结了耐久性路面的设计原则，包括：解决主要矛盾原则、结构补偿原则和自下而上原则。

（2）道路路面损坏形式是由薄弱损坏引发扩大到整体结构破坏，而且由于路面结构组成和建设的复杂性，其薄弱环节不可避免。因此从根本思路上需要将路面结构考虑成一个“带损伤”的工作系统。

（3）从指标、模型和材料参数三个方面分析了我国沥青路面设计体系中的缺陷，其中现行公路路面设计规范中的三项设计指标在多数情况下仅有半刚性基层的层底拉应力指标发挥控制作用，无法达到综合设计的目的；无机结合料疲劳损伤模型从试验模拟状态、考虑因素以及结果保证率等方面存在很大不足；材料参数具有应力和环境依赖特性等。

（4）除去设计理论存在的不完善之外，道路工程损坏中存在部分系统本身或客观规律方面的假设误差，对路面结构和材料的耐久性有重要影响，并且一直以来没有引起足够的重视。其中可分为轴载作用、多因素共同作用以及系统变异性三个方面。

[1]武金婷.半刚性基层合理层位与合理厚度研究[D].西安：长安大学，2009.

[2]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范 [S].

[3]姚祖康.沥青路面结构设计[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]CJJ169-2012,城镇道路路面设计规范 [S].

[5]贾侃.半刚性基层材料的疲劳特性研究[D].西安：长安大学，2008.

U416.217

B

1009-7716（2016）05-0046-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.013

2016-01-16

邱蒙(1988-)，男，安徽宿州人，硕士，助理工程师，从事城市道路工程咨询及设计工作。