城市道路柔性基层沥青路面结构设计参数分析

赵昌胜

（商洛市交通设计院，陕西商洛726000）

0 引言

考虑到我国当前路面结构中无机结合材料分布广泛、优质沥青缺乏的实际，大多数高等级公路均采用半刚性基层沥青路面。但是随着使用年限的延长，高等级公路半刚性基层沥青路面先后出现各类病害，并逐渐进入大修期，无法保证路用功能的顺利发挥。半刚性基层沥青路面很难避免因半刚性材料收缩开裂而引发的路面反射裂缝，结构透水性差而造成表面严重积水，基层和沥青面层结合薄弱[1]。此外，半刚性基层沥青路面结构形式单一，难以适应各地不同的施工技术水平、原材料质量及交通量差异。近年来，柔性基层沥青路面在我国高等级公路中开始应用，并表现出较好的路用性能，也为我国高等级公路沥青路面早期病害问题提供了解决思路。由于出现时间较短，我国当前有关柔性路面设计标准缺乏，工程实践中也主要参照国外已有规范和实践经验。本文主要通过正交分析，对城市道路柔性基层沥青路面结构层厚度、级配碎石、土基模量等参数进行设计，并对此类参数对柔性路面结构性能的影响进行分析，为我国城市道路柔性基层路面结构设计提供借鉴参考。

1 工程概况

某城市道路位于我国南方地区，高温多雨，年降水量均值1250～1600mm，该道路段交通量巨大，如果采用常规的半刚性基层沥青路面，则会在交通荷载及运行环境等的综合影响下，很容易出现裂缝、坑槽、沉陷等病害。结合国际上常见的柔性基层沥青路面结构形式及国内已经铺筑完成的柔性基层路面结构，该城市道路试验段柔性基层沥青面层采用厚度9cm 的中粒式或细粒式沥青混凝土，基层为10～25cm 厚的ATB30 型沥青稳定碎石层，底基层为10～40cm 厚的级配碎石层。沥青混凝土以及沥青稳定基层均采取平均模量控制，级配碎石层则应加强弹性模量控制；考虑到土基模量受不同类型填料的影响，将土基模量范围控制在30～120MPa。

2 柔性基层路面结构性能

2.1 性能评价指标

柔性基层沥青路面结构设计的目的主要是确保路面使用性能。结合类似工程经验，沥青路面结构破坏形式主要有车辙、温度开裂、疲劳开裂等，有些病害形式与结构参数无关，只能通过材料性能设计进行防治。本文针对具体工程路面结构性能，选择层底拉应力、路表回弹弯沉两个指标进行评价。

沥青层在反复的行车荷载作用下，容易出现疲劳裂缝，在该城市道路工程路面结构中，沥青稳定基层层底拉应力比面层层底拉应力大；因沥青稳定碎石的作用，中粒式沥青混凝土疲劳裂缝会首先出现在沥青稳定基层底部，再由下至上扩展，所以以沥青稳定基层层底拉应力为路面疲劳开裂的主要控制指标。此外，路表回弹弯沉是路面受到行车荷载影响后竖向弹性位移量，是路面结构整体刚度的表征。借鉴工程经验及相关设计规范，路表回弹弯沉值与路面使用寿命存在直接关系，回弹弯沉值越大，路面结构所成承受的荷载重复作用次数越小。

2.2 性能影响因素

影响城市道路沥青路面路表回弹弯沉及沥青层层底拉应力的主要参数有沥青稳定基层厚度和模量、面层厚度、面层模量、级配碎石层厚、土基模量等。对于相同的温度条件，以上参数中沥青稳定碎石、级配碎石及沥青混凝土弹性模量均较为稳定；而路面结构层厚度、土基模量等参数会随运行条件的改变而发生较大变动。本文的正交分析主要以这些变动较大的因素为重点。

3 设计参数正交分析

3.1 正交表的选用

参考国外沥青柔性基层路面结构层参数设置，以沥青稳定基层厚度、级配碎石厚度及土基模量等三个因素为正交分析主要选用因素，各因素均设置4 个水平，选择L16(45)正交表。结合工程实际，以沥青层层底拉应力及路表回弹弯沉为两个考核指标。在确定出正交试验方案的基础上，通过BISAR 弹性层状体系理论计算程序进行该城市道路工程沥青路面结构沥青层层底拉应力及路表回弹弯沉值的计算，试验参数取值情况及计算结果见表1。

表1 正交试验参数取值

3.2 结果分析

采用直观分析法分析所得到的试验结果，并比较本文所提出的各影响因素对指标的具体影响程度，根据分析结果，在影响路表回弹弯沉的因素中土基模量影响程度最大，沥青稳定基层厚度和级配碎石厚度的影响程度较为接近。通过分析原因发现，在行车荷载的作用下，80%及以上的竖向弹性位移均出现在土基结构，故与半刚性基层沥青路面所不同，柔性基层路面传递至路基结构的应力更大。这就对柔性基层路面路基填料选择及压实度控制提出了更高要求，尤其对于土基结构较弱的情况，通过土基模量的提高能有效控制路表弯沉。但当沥青稳定基层厚度和级配碎石厚度分别超出15cm 和20cm 后，通过增大土基模量控制路表弯沉的效果将大大弱化[2]。

在影响沥青层底拉应力的因素中，影响程度最大的是沥青稳定基层厚度，其次为级配碎石厚度，影响最小的是土基模量。可见，为减小沥青层层底拉应力、延长沥青路面使用寿命，仍应通过增大沥青层厚度的方式；但是当沥青稳定层厚度超出15cm 后，通过增大其层厚以减小层底拉应力的作用将大大减弱。具体如图1所示。

图1 沥青层底拉应力变化率

4 结语

通过本文分析可知，与其他因素相比，土基模量对柔性基层路面路表回弹弯沉的影响更显著，所以柔性基层沥青路面对路基填料和压实度要求更高。沥青稳定层厚度对沥青层底拉应力影响最大，所以应主要通过增大沥青层厚度以降低层底拉应力，延长柔性路面使用寿命。但是以上措施均只适用于沥青稳定基层厚度及沥青层总厚度分别在15cm 和25cm 以内的情况，所以从技术可行性及经济性的角度出发，该城市道路柔性路面沥青稳定基层厚度应控制在15cm左右。