沥青路面结构设计方法研究与发展

谢香莲

（湖南省高速公路管理局衡阳管理处，湖南衡阳 421000）

沥青路面结构设计方法研究与发展

谢香莲

（湖南省高速公路管理局衡阳管理处，湖南衡阳 421000）

通过借鉴国外的研究成果，中国构建了自己的沥青路面结构设计方法，但根据该方法设计的沥青路面通常在使用不到10年就需要进行大中修，更严重的仅使用2～3年就出现早期损坏，远未达到其设计使用期限。文中就国内沥青路面出现的问题作简要分析，指出现行路面结构设计方法的缺陷，并对沥青路面结构设计研究近况进行评述，最后对沥青路面结构设计新理念进行了展望。

公路；沥青路面；结构设计；路用性能

随着中国交通运输量的日益增加，普通沥青路面结构已不满足重载交通的特殊需求，不同程度的路面病害越来越多，浮现的时间也日益靠前，即使通过各种措施对设计、施工及养护进行改善，但因其设计方法自身的缺陷路面病害的提前发生成为一种必然趋势。中国现行沥青路面设计中，路面结构设计与材料组成设计互相分离，而结构设计上的缺陷只能通过提高材料性能的方法来弥补；设计指标过于单一，不能有效分析路面的结构破坏形式，没有明显的控制作用；设计参数不能代表真实的外在环境和荷载变化；路面厚度的选择局限于力学角度，没有完全从整个寿命周期的角度考虑后期养护、改建等成本。为此，必须对重交通路面的损坏机理和缘由进行深入调查与分析，及时把控新环境下的新变化，优化路面结构设计。

1 沥青路面结构设计方法的发展

沥青路面设计方法共经历了古典理论法、经验设计法和理论分析法3个阶段。古典理论法将土基层顶面的应力大小作为路面设计厚度的基本参数，随着路面力学理论、施工技术水平及路面结构形式和研究方法的不断进步，该方法逐渐走向末路。目前，经验法和理论分析法是最主要和使用频率最高的路面设计方法。

经验法是根据试验道路监测数据换算路面性能和结构及路面上覆荷载三者之间的关系，其中最有名的是美国CBR法。CBR法以试验所得加州承载比作为路面的基本性能参数，根据路面数据测量与调查结果，得出CBR值-轮载-路面结构层厚度之间的经验关系曲线，路面各结构层厚度可通过路面材料的CBR值进行轴当量换算得到。该方法以加州承载比作为路面材料的一种性能指标已得到广泛使用。

理论分析法或力学-经验法是基于经验的设计方法，它最开始研究路面在荷载和环境因素共同影响下的力学性能反应，将路面性能与应力应变建立模型，并从模型中分析它们之间的关系，最后根据设计初衷对其进行合理的结构规划。理论分析法的框架由壳牌公司的专家在第一届沥青路面结构设计国际会议上提出，并经过不断完善形成了多种不同设计方法。AI和柔性路面设计法（Shell）是其中的典型代表，世界上多数国家均借鉴这两种方法的研究成果制定本国的路面设计理论方法，且都是以裂缝和永久变形作为设计标准。中国沥青路面设计方法也属于理论分析法，路面模型的建立借鉴了Shell法，把路面看成多层弹性体系进行路面设计。

2 中国沥青路面结构设计方法的缺陷

2.1 路表弯沉指标的局限

路表弯沉是指在荷载作用下路面整体结构在竖直方向产生的位移，其大小表示路面整体构造在抵抗变形能力方面的强弱，具有整体性、表观性。路面是多层弹性体结构，是用类型各异的材料组成结构层，并将互不相同的结构层进行组合而成，各层结构可拥有相异的力学、几何属性，路面结构性能的好坏与各结构层组成的整体性能相关，也取决于各层结构性能的优劣。尤其是当结构层间的组合或材料选用不相适宜时，对于具有相同弯沉值的两个不同路面结构，会因结构层组合或材料类型上的迥异使其

使用期限或承载能力各异。因此，不能在路表弯沉指标与含有不同破坏类型及破坏标准的不同路面结构之间寻求一种密切的联系。同时，路表弯沉的大小主要取决于土基的变形量，但外部环境条件也对其有影响，特别是受路面内部结构中干湿情况影响很大，故把各不相同的路面结构强度由路表弯沉来评定不具有足够的说服力。路表弯沉指标对于复杂路面结构不能说明和囊括所有不同路面结构的差异与多种破坏类型，沥青路面主要设计参数有待完善。

2.2 粗放型路面设计

在影响沥青路面力学参数的众多因素中，环境的作用不可忽视。沥青路面使用性能的衰减不仅受外部荷载作用，也与温度、空气、阳光和降水等作用密切相关，而绝大部分路面设计方法忽略湿度或水的影响，对温度的影响也仅作粗略考虑，不能保证适用于每种不同情况。如在温差变化较剧烈的地区，由于应力大于沥青层抗拉强度而造成的低温缩裂问题在规范中并没有考虑。

2.3 结构设计与材料设计相脱离

沥青路面结构组合方式和路面材料选取并不具有协调性，缺乏对不同材料性能与路面使用性能间关系的考虑，对路面材料的选取着重于其本身的性能，没有考虑各层材料间的相互影响，只是单一地根据各层功能、特性选取相应的材料，未给予路面结构整体性的思量。同时没有确定路面材料性能评价指标与实际中其路用性能之间的相应联系。

2.4 未考虑经济因素

现行路面设计方法确定了路面结构和厚度组成，却未考虑路面结构的修建费用、维修费用、使用者费用和进行全寿命分析费用，这些因素均会造成路面结构可靠度严重下降。

在日益严俊的交通背景下，依据旧有方式设计的路面结构浮现出的问题逐渐增多，随着社会的发展，路面设计理念及方法需不断更新和完善。

3 基于路用性能的长寿命沥青路面设计新理念

3.1 长寿命沥青路面

重载货车交通量的大幅增长使路面通常在设计年限之前就出现严重损坏。为从根本上使沥青路面的性能得到改善，减少寿命周期费用，延长其使用年限，长寿命沥青路面设计理念应运而生，且自20世纪90年以来成为研究热点。

长寿命沥青路面设计理念是在不改变路面足够厚度的条件下，使路面病害限定在路面表层（25～100 mm），只需定期对路面表面进行养护，即可基本保证运营情况下路面结构稳定，确保在沥青路面使用期限里结构不会遭受过大损坏。图1为长寿命路面结构示意图。

图1 长寿命路面结构示意图

3.2 基于路用性能的全寿命周期设计理念

从全寿命沥青路面的路用性能出发，将材料、环境、荷载及结构等各种因素综合考虑，选取一个全方位且符合设计规范的设计方法。在沥青路面结构设计的决定因素中，一般会考虑荷载、环境、结构及材料4个指标的综合影响，把路用性能作为路面结构设计的宗旨，结合路面建设及养护维修等基本费用，探讨全寿命周期内路面的效益，从中选取经济效益最大的路面结构组合方案。此即基于路用性能的沥青路面设计全寿命周期理念。

在路面结构方案选定过程中，除要考虑路面建设期初的各项性能、费用外，还要考虑路面在运营、改建、养护中的经济效益和性能指标，即在路面的整个寿命周期里选取经济效益较为显著的路面结构组合方案。

一般采取效益-费用比法、现值法和年费用法等，将效益费用所占比例最大的方案或时机选为最适宜方案。例如基于效益-费用比法，对比分析不同路面结构设计方式，选取不同路面的最佳养护方案及时机，得出每种设计方法在全寿命周期里的费用-效益指标，进而选出在全寿命周期内的最佳路面方案。

3.3 长寿命沥青路面结构层设计特点

（1）长寿命沥青路面结构层回弹模量及厚度值是基于理论分析法，结合弹性层状体系理论观察各结构层应力和应变变化情况，由控制地基顶面压应变、沥青层层底拉应变等主要参数所得出。

（2）长寿命沥青路面思想是依据原水泥砼路面

设计理念提出的，对抗疲劳层的设置并没有特别考虑，但长寿命沥青路面基层沥青混合料通常具有较大油石比，所以其在抗疲劳方面表现优秀。

（3）为防止反射裂缝的出现，长寿命沥青路面通常用级配碎石或沥青碎石等组成其底基层或基层的结构。

（4）世界上大多数国家均基于实际调查和统计总结出长寿命路面结构设计方式，长寿命沥青路面结构设计方法尚未完善。

4 结语

沥青路面结构设计期限通常为15～20年，而中国沥青路面实际运营不足10年便需进行大型检测修整，有的甚至运营2～3年就出现早期破坏。中国沥青路面结构设计中，依据弹性层状体系进行路面结构计算，把沥青面层底部弯拉应力、路表设计弯沉和基层底面弯拉应力作为主要设计参数。而随着道路交通事业的快速发展，当前路表弯沉等设计指标不能反映实际路面的损坏状况，也不符合重载交通背景下路面构造设计要求。由于沥青路面结构设计方式和选取路面材料的方法不协调，导致材料性能和路面性能之间构建不出直接的关联，对路面在高轴载、高轮压作用下的状况也考虑不够周全。总之，国内沥青路面设计方式尚存在一定缺陷，需不断改进和发展。

结合国内沥青路面结构设计现状，该文认为沥青路面设计方法应向路面设计性能方向发展，尽管当前该设计构造出的框架体系处于萌牙阶段，但若想从根本上解决沥青路面建设中遇到的问题，就必须丢弃目前简单的思维模式，根据路面性能的需要进行进一步研究，并参照先进、前卫的设计方式，如材料特性与结构相协调的设计、永久性路面结构的寿命匹配和路面经济型修复等理念，设计出性能优良的沥青路面。

［1］ 柯文豪，雷宇，陈团结，等.基于路用性能的沥青路面全寿命周期设计方法［J］.长安大学学报：自然科学版，2013，33（3）.

［2］ 李继红，李山，陈明，等.沥青路面结构设计方法探讨［R］.南昌：江西省公路桥梁工程监理咨询中心，2012.

［3］ 贾理杰.沥青路面结构设计方法综述［R］.重庆：重庆市市政设计研究院，2012.

［4］ 郑健龙.基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计新思想［J］.中国公路学报，2014，27（1）.

［5］ 姚祖康.沥青路面结构设计［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］ 银力，陈佳艺.长寿命沥青路面设计方法的探讨［J］.中国水运：下半月，2011（10）.

［7］ 刘宜平.永久性沥青路面结构设计理念及工程应用［J］.工程建设与设计，2014（4）.

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2016-05-10