沥青路面设计的基本原则

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责任编辑/谢博识 美术编辑/李仪灵

公路的使用功能由路面呈现。路面是公路直接承受车辆与环境作用的层状结构体。沥青路面作为多元复杂的经济社会技术系统，具有运动性，充满矛盾性。对沥青路面发展起决定性作用的是路面设计的基本原则，反映经济社会技术的综合要求。备受关注的力学响应问题，实际上是技术层面的一个点，其随时间动态变化构成线，表现于材料、结构、荷载、环境等构成面。点线面体协调平衡，取决于路面设计的基本原则，包括安全性、舒适性、适用性、经济性、耐久性、环保与可持续性等原则。

发展历程回顾

1902年伊利诺伊大学的贝克尔（IRA O.BAKER）教授在著作《道路与路面》的前言中指出，道路建造和养护的科学是基于确立的基本原则，艺术取决于来自这些原则的正确推理，而不是遵从施工的规则和方法。

路面设计的基本原则及其落地实施，最直接的体现是在设计标准规范中，且随历史发展不断演变。沥青路面在我国的使用仅有百年，高速公路三十几年。新中国成立前，受当时经济技术条件限制，涉及沥青路面的标准规范少且粗疏。1958年发布实施的《路面设计规范》（草案）提出了路面等级及种类选择的因素，1978年《公路柔性路面设计规范》（内部试行）首次明确了路面设计应遵循的原则，随后1986年版、1997年版和2006年版中有所调整，而在2017年版《公路沥青路面设计规范》中改变了表述。

民国时期

1919年《修治道路条例》规定了国道、省道、县道、里道分类及其宽度要求，未涉及路面；这一年，美国《公路工程师手册》历经3年编纂完成，全面介绍了沥青、沥青面层、沥青碎石路面和沥青混凝土路面等技术及其发展。1929年《国道工程标准及规则》规定国道路面分类四种，其中丙种路面必要时得施用柏油材料。1934年《公路工程准则》提出路面建筑分为六级，有压实厚度规定要求，但指出“六级路面，如水泥、柏油等高级路面非绝对需要及有国产材料可利用时不宜建筑以节费用。”1941年《公路工程设计准则》将路面种类分为高级、中级、低级，高级包括沥青路面，中级包括沥青类材料表面处置路面，并规定路面等级视交通量及财政状况而定，依据当地所产路面材料及各路段路床土壤状况设计之，以期合用与经济。

1947年版路面规范

1958年版路面设计规范

1978年版柔性路面设计规范

京台高速公路路面铺筑

作为首个路面设计规范，1947年的《公路路面规范草案初稿》提出，决定选择和采用何种路面之因素为：（1）运量及运量之性质；（2）土壤及气候情形；（3）现行之可用材料；（4）分期筑路；（5）经济观点；（6）财力情形；（7）保养组织及方法；（8）声音；（9）行车舒适；（10）外观；（11）尘埃；（12）附近土地所有权人之意见。在“柔性路面之设计”部分，介绍了确定路面厚度的一些理论公式、经验公式和通用方法。

新中国成立后

1951年版《公路工程设计准则》（草案）提出了公路标准分等即一等路到五等路，同时将路面分成三级即高级路面、中级路面、低级路面，并规定“在设计时，应就经济状况、行车密度、载重等级、土壤性质、材料供应、未来发展等统筹决定。”1954年版《公路工程设计准则》中，路面结构的铺砌层由磨耗层、防护层和承重层组成，路面分类为柔性路面、刚性路面、半刚性路面，路面等级细分为I、II、III三等九级，并规定“选择路面等级时，应以就地取材为原则，并就行车密度、行车速率、荷载类型、土壤性质、气候条件及未来发展等统筹决定，以符合于经济和技术的合理性。”1956年版《公路工程设计准则》（修订草案）中，路面又可分为高级路面、简易式高级路面、过渡式路面和低级路面，路面之选择应根据使用任务、就地取材、经济条件、自然条件等方面的原则在技术经济上进行比较决定之。1981年版《公路工程技术标准》首次提出高速公路、一级公路应采用高级路面。

1958年发布实施的《路面设计规范》（草案）将路面分为高级路面、次高级路面、过渡式路面和低级路面四个等级，以及柔性路面、刚性路面二类，并提出：“对路面等级及种类的选择，应根据技术经济计算、使用要求及下列各项因素确定：（1）公路路线等级和投资额的大小；（2）交通密度和交通性质；（3）当地筑路材料的性质；（4）当地气候，水文及土壤条件；（5）运输费用的降低和投资额的偿还期限；（6）将来养护费用的大小；（7）施工机具和运输工具的供应情况。”

1966年《公路路面设计规范》是对1958年版规范的部分修订，在修订说明中指出系根据“公路工程技术标准（第四次送审稿）中有关路面设计原则性的规定”，提出了在路面设计中应做到的五项要求。那时，渣油表处逐步推广使用，而路面设计原则仍主要来源于公路工程设计准则。

1976年以后

1976年，随着黑色路面迅猛增长，集中全国24个单位对研究成果进行交流讨论，委托交通部科学研究院编写《柔性路面设计方法及计算参数》报告，首次提出路面结构设计的技术经济原则，“为了既节约又适用，除贯彻就地取材、按材设计、分期修建等原则外，根据我国公路交通运输特点，当前可以按‘薄面强基稳土基’这个总的原则进行设计”，详细分析了理由，并认为“‘薄面强基稳土基’这三者是有机联系的三个环节，是考虑面层、基层、土基三者关系的指导原则，不能片面强调一方面而忽视另一方面，亦即没有‘稳土基’就不能获得‘强基’，没有‘强基’就不能用‘薄面’。”

落实到1978年《公路柔性路面设计规范》（内部试行）中，第1条提出，为实现新时期的总任务，做到精心设计，采用先进技术；提出经济合理、安全适用的设计方案。第2条规定，路面设计应遵循以下原则：（1）因地制宜，就地取材，方便施工，利于养护；（2）按路基稳定、基层坚实、面层耐用的要求进行综合设计；（3）加强调查研究，大搞技术革新和科学实验，认真总结经验，积极采用新技术、新材料、新工艺、新设备；（4）对分期修建的工程，应统一规划，使前期工程在后期能充分利用。

沥青铺面330m×300m

1997年版公路沥青路面设计规范

2017年版公路沥青路面设计规范

1986年《公路柔性路面设计规范》第1.0.3条“设计原则”规定，路面设计应根据使用要求及气候、水文、地质等自然条件，密切结合当地实践经验，进行路基路面综合设计；应遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护的原则，比选路面结构设计方案；在条件许可下，优先选用便于机械化和工厂化施工的方案。使设计具有技术先进、经济合理、安全适用，并与环境协调的综合效益。当时，高速公路建设已经起步，密实性的沥青混凝土开始应用，沥青层由柔变韧。

1997年以后

1997年《公路沥青路面设计规范》第1.0.1条指出，使路面在设计年限内满足各级公路相应的承载能力、耐久性、舒适性、安全性的要求，确保工程质量、降低工程造价。第1.0.4条“设计原则”规定：（1）路面设计应根据使用要求及气候、水文、地质等自然条件，密切结合当地实践经验，进行路基路面综合设计。（2）在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则，进行路面设计方案的技术经济比较，选择技术先进、经济合理、安全可靠、有利于机械化、工厂化施工的路面结构方案。（3）结合当地条件，积极推广成熟的科研成果，对行之有效的新材料、新工艺、新技术应在路面设计方案中积极、慎重地加以运用。（4）路面设计方案应注意环境保护和施工人员的健康和安全。

路面结构

沥青层厚度划分

2006年《公路沥青路面设计规范》第1.0.5条规定了沥青路面设计遵循的原则，包括：按照全寿命期成本的理念设计路面；进行路基路面综合设计；遵循因地制宜、合理选材、节约资源的原则，选择技术先进、经济合理、安全可靠、方便施工的路面结构方案；结合当地条件，积极、慎重地推广新技术、新结构、新材料、新工艺；符合国家环境保护的有关规定，保护相关人员的安全和健康，重视材料的再生利用与废弃料的处理。2012年我国高速公路通车里程跃居世界第一，多为沥青路面。至今，随着改性沥青、SMA沥青玛蹄脂混合料等的利用，沥青路面朝着高性能、多功能发展。

2017年《公路沥青路面设计规范》改变了路面材料的设计参数、调整了设计指标，建立了动态参数和多指标新设计体系。总则第1.0.3条规定，“应根据公路等级、路面使用性能要求和所需承担的交通荷载，结合当地气候、水文、地质、材料、建设和养护条件、工程实践经验和环境保护要求等，进行结构组合、材料设计和厚度设计，通过技术经济分析选定设计方案”。在结构组合设计中，第4.1.1条提出，路面结构组合设计应针对各种路面结构组合的力学特性、功能特性及其长期性能衰变规律和损坏特点，遵循路基路面综合设计的理念，保证路面结构的安全、耐久和全寿命周期经济合理。

路面铺筑

有关原则要求分析

总体上看，路面设计的基本原则可以分为经济、社会、技术等层面，设计、施工、养护等阶段。经济层面包括投资成本、效益等方面，社会层面包括使用安全、舒适、环保等方面，技术层面包括综合、材料、结构、荷载、环境条件等方面，现择其典型简要分析。

关于就地取材与合理选材

改革开放（1978年）以前，普遍表述为就地取材，此后随着高速公路、高等级公路路面的修建和发展，调整为合理选材。针对下一步的长寿命路面目标，从全寿命周期的角度择优用材。就地取材、合理选材、择优用材，既体现发展进步，又各有不同适用对象。

关于薄面强基稳土基

1976年作为技术经济原则正式提出以来，广为人知并产生了深远的影响，作为一定时期路面结构协调设计的体现，对形成有中国特色的半刚性基层沥青路面体系发挥了重要作用。中国半刚性基层沥青路面近30年发展的主要变化在于，沥青面层由薄面到厚面、强面、优面；半刚性基层由薄到厚、强度低到强度高；路基则由稳到强，最终应为优面强基强路基。

关于路面寿命与设计使用年限

京昆高速公路

公路的使用年限主要取决于路面。路面寿命是经济性、耐久性、综合效益的主要体现，在规范中称为设计年限，在不同时期有一些不同的表述，而以此作为全寿命周期则显然不合理。2017年版规范中，将路面设计使用年限定义为“在正常设计、施工、使用和养护条件下，路面不需结构性维修的预定使用年限”，回归了其路面寿命的本义。2006年版规范中，设计年限指在计算累计当量轴次时所取用的基准时间。1997年版规范中，高级路面的设计年限是指在规定期限内预测标准累计轴次所需承载力，并允许在该期限内进行一次恢复路表功能的维修（罩面），路面应具有的使用寿命。1978年规范给出了面层设计使用年限。1958年规范规定了铺砌层需要大修的期限，用于计算可能发展的远景交通量，高级路面10年至15年。1956年《公路工程设计准则》中，使用年限是指按表列交通量使用时，面层两次大修的相隔年限。

《公路工程技术标准》规定，高速公路、一级公路设计交通量预测年限为20年，二、三级公路设计交通量预测年限为15年。路面的设计使用年限显然与此并不一致。众所周知，路面寿命越长越好，但对路面设计来说，关键应该是要准、而不是一味地长。另外，路基、基层、面层，以及沥青面层的磨耗层、联结层等，使用寿命也要区别对待方见精细，如应路基永久、基层长久、面层耐久，需进一步明确。

第四代沥青路面及其特征

绿化因地制宜

品质路面理念

关于结构安全

路面的安全性应包括使用安全和结构安全，不同于其他工程。从社会层面的路面使用者角度来看，更关注的当然是使用即行车安全。所谓路面结构的安全，实际上是技术层面的可靠性，包含路面结构整体强度、抗疲劳耐久性，还有路表提供的抗滑耐久性。另外，舒适性也是用户对路面使用功能的一项基本、特殊要求，是区别于其他工程的一个独特标志。

关于设计理论

1986年版规范中指出，路面设计是以双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状体系理论为基础，以路表容许弯沉值作为路面整体刚度的控制指标计算结构厚度。1997年版规范中规定，路面设计应采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，计算路面结构厚度。2017年版规范中表述为，路面力学结构指标计算应采用双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状连续体系理论。实际上，所谓理论不过是固化了许多参数条件的力学响应标准化计算模型，其层间接触状态、参数内涵与测试方法、荷载模型等对结果影响很大。

关于平衡性原则

平衡性是系统设计的基本特征，平衡设计是一切路面设计的根本要求，是路面矛盾性的辩证解决之道，涉及原材料、混合料、结构、环境条件、地质因素、决策、控制等各个方面。例如，路基永久、基层长久、面层耐久，就是结构寿命平衡设计的相对性目标。路基是路面的基础、难以进行维修，半刚性基层是承重层、也不易养护，沥青面层及磨耗层决定表面使用性能、可以更新，不同层位的受力状态不同、破坏形态不同步，因此对其结构性能、使用功能和寿命要求应该有所区别。平衡性原则在各版次路面设计规范中体现都不够充分，也是沥青路面设计的难点之一。

结束语

加快建设交通强国，打造平安百年路面品质工程的背景下，路面设计的基本原则需要丰富完善发展提升。对应于以耐久高性能为主要特征的第五代路面体系，要注重总体性、安全性、舒适性、适用性、经济性、耐久性、环保与可持续性、创新性等原则要求，同时研究给出具体实施路径。如总体性方面，理念引领，创新、协调、绿色、开放、共享；目标导向，保证稳定性、提高耐久性，强化成本、效益分析的准确性；以耐久性为核心，路面设计使用年限翻一番、翻两番（长寿命）两步走；以系统性为基础，平衡设计，实现路基永久、基层长久、面层耐久。中国公路的奠基人之一、原交通部公路总局副局长赵祖康先生在1947年《公路路面规范初稿草案》序中说“公路路面之优劣，有关行车之舒适，车辆之寿命，养路之费用，行车之速度，以及公路两旁居民之福利安宁，至为重要。”要坚持以人民为中心思想，突出路面的社会性、公益性、服务性原则。如在其中的环保与可持续性方面，低碳节能减排、降噪抑尘解污、再生循环利用等，绿色路面工程亦大有可为。