長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)方法研究

程婧

（浙江長興縣交通勘測(cè)設(shè)計(jì)所，浙江 長興 313100）

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，公路建設(shè)事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，由于我國的公路建設(shè)起步晚，專業(yè)技術(shù)人才缺乏，經(jīng)濟(jì)投入還不能滿足現(xiàn)實(shí)需求，再加上不斷增加的交通量等原因，很多鋪筑的公路路面在通車一、二年內(nèi)就出現(xiàn)不同程度的損壞現(xiàn)象，嚴(yán)重的還影響到路面的正常使用和壽命。這不僅造成惡劣的交通影響，也帶來經(jīng)濟(jì)上的嚴(yán)重?fù)p失，因此，如何延長公路的使用壽命，防止公路的早期損害已經(jīng)得到全社會(huì)的廣泛關(guān)注。長壽命瀝青路面是指設(shè)計(jì)使用壽命大于四十年的瀝青路面，其優(yōu)點(diǎn)是在使用期內(nèi)不會(huì)路面結(jié)構(gòu)性的破壞，維修時(shí)只需要把表面層瀝青混合料更換成新的混合料，維修經(jīng)濟(jì)、方便。近年來，一些新材料、新工藝和新技術(shù)在長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)上得到了比較成功的應(yīng)用，為了提高長壽命瀝青路面的工程質(zhì)量、完善使用性能、提高使用壽命和節(jié)約投資，我們應(yīng)該放眼未來，改變觀念，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)出符合我國國情的長壽命瀝青路面。

2 長壽命瀝青路面破壞模式研究

我國公路瀝青路面主要存在兩個(gè)類型的破壞，第一類是發(fā)生在通車不久的1～3年內(nèi)，該類破壞主要是局部表現(xiàn)為車轍、坑槽和松散，第二類是深層次原因引發(fā)的破壞，該類破壞是即使設(shè)計(jì)合理、管理嚴(yán)格、材料合格，仍然是使用不到設(shè)計(jì)年限時(shí)就需大修。由于長壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)理念是建立在對(duì)路面破壞模式的假定上，因此我們首先要展開對(duì)長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)和破壞模式的研究。

2.1 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)

由于長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的破壞都是由應(yīng)力、應(yīng)變和位移累計(jì)產(chǎn)生，以前，大家一般都是以路表彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。該指標(biāo)主要反映路面結(jié)構(gòu)整體的抗變能力，對(duì)于同一個(gè)路面結(jié)構(gòu)而言，該指標(biāo)越小路面結(jié)構(gòu)的承載能力越強(qiáng)，使用壽命越長。隨著路面結(jié)構(gòu)新材料和新類型的出現(xiàn)，把路表彎沉作為主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)已經(jīng)不能滿足實(shí)際的需要，目前我國主要采用基底拉應(yīng)變作為長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的疲勞公式。

2.2 不同連續(xù)狀況下應(yīng)力應(yīng)變分析

在長壽命瀝青路面的結(jié)構(gòu)中，基層一般都是半剛性基層，各類材料之間的層間接觸具有一定的連續(xù)性，而瀝青面層中各層的材料都是瀝青混凝土，不具有很好的連續(xù)性。本文只對(duì)瀝青層和半剛性基層之間的層間不連續(xù)性進(jìn)行分析，通過分析得出：隨著不連續(xù)程度的增加，瀝青層的層底拉應(yīng)變的變化速度最快，而其他層中底層拉應(yīng)變的變化則不是很大。

2.3 瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)確定

對(duì)于由不同材料類型和結(jié)構(gòu)層組合的路面結(jié)構(gòu)而言，其路面結(jié)構(gòu)破壞的臨界狀態(tài)的確定方法也多種多樣，目前，在長壽命瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中?？紤]的臨界破壞情況主要有以下三種情況：

⑴瀝青面層的疲勞開裂。疲勞開裂是一種主要的結(jié)構(gòu)損壞形式，它是指在載荷不斷作用下瀝青混凝土面層底面彎拉應(yīng)變引起的開裂，長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)在使用年限內(nèi)疲勞開裂是允許出現(xiàn)的。通常情況下，路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂的臨界狀態(tài)由混合材料的疲勞極限決定，瀝青混合材料的疲勞壽命方程為：

其中k、n是和混合材料有關(guān)的常數(shù)。

⑵半剛性基層的開裂。目前，半剛性基層的開裂是瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的一個(gè)主要的臨界狀態(tài)。基層開裂是指路面結(jié)構(gòu)的半剛性基層底面的拉應(yīng)力超過其容許值時(shí)出現(xiàn)的裂縫，半剛性基層具有強(qiáng)度大，有利于荷載的分布的特點(diǎn)，但是由于其柔韌性能差，一旦超過其容許拉應(yīng)力，容易出現(xiàn)裂縫，并造成整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。一般情況下，半剛性材料的疲勞方程用荷載作用次數(shù)表示：

其中k2，n2為疲勞參數(shù)。

⑶車轍。車轍是路面結(jié)構(gòu)層在車輛載荷的不斷作用下產(chǎn)生的永久變形。車轍又分為只發(fā)生在瀝青面層的表面車轍和發(fā)生于土地基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)性變形兩種。在進(jìn)行長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)我們首先考慮的是結(jié)構(gòu)性車轍，在85%的置信水平和標(biāo)準(zhǔn)載荷作用下，路基容許的垂直壓應(yīng)變的計(jì)算公式如下：

通過上述公式可以計(jì)算出長壽命路基可以承受的最大作用次數(shù)，當(dāng)實(shí)際車輛通行次數(shù)超過該數(shù)值時(shí)，則判定該路基產(chǎn)生破壞。

3 長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)方法研究

目前我國公路建設(shè)的觀念、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等還不能與實(shí)際需求相適應(yīng)，長壽命瀝青路面的建設(shè)存在設(shè)計(jì)不合理、建設(shè)不規(guī)范和養(yǎng)護(hù)不到位的情況，因此要想改變這樣不利局面，首先要從理念上解決長壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)問題。

3.1 長壽命瀝青路面的定義

長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)由多個(gè)復(fù)雜的層狀組成，由于其具有良好的設(shè)計(jì)、施工表現(xiàn)，早在20世紀(jì)60年代在北美地區(qū)開始廣泛修建。該路面與普通柔性路面相比具有全新的設(shè)計(jì)理論，就是在保證路面厚度的基礎(chǔ)上把病害限制在路面的表層，通過定期的維修保證路面在50年內(nèi)的設(shè)計(jì)年限內(nèi)不發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞。長壽命瀝青路面和傳統(tǒng)路面相比就有顯著的特點(diǎn)：路面裂縫減少，維修方便；路面結(jié)構(gòu)總厚度比用粒料基層??；使用壽命長，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。

3.2 長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)確定

在借鑒國外設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國路面結(jié)構(gòu)多采用半剛性基層的實(shí)際情況把半剛性基層層底拉應(yīng)力指標(biāo)確定為長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)。

半剛性基層材料一般有疲勞破壞和壓碎破壞兩種形式，壓碎破壞一般通過對(duì)材料性能的檢驗(yàn)進(jìn)行避免，一般很少發(fā)生在路面結(jié)構(gòu)中，因此在進(jìn)行長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮疲勞破壞。根據(jù)我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，以半剛性基層的層底拉應(yīng)力指標(biāo)來控制半剛性基層底面的開裂破壞，因此，在長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足半剛性基層的層底拉應(yīng)力小于材料的容許拉應(yīng)力值。

3.3 長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)方法

長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)方法可以分為經(jīng)驗(yàn)法和力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法兩種，由于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)有限，再加上新材料的層出不窮，伴隨著計(jì)算機(jī)水平的提高，目前力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法中力學(xué)分析的比重越來越大，在具體設(shè)計(jì)一般按照以下步驟進(jìn)行：

⑴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般采用采用彈性層狀體系理論作為理論基礎(chǔ)，即各層材料均勻、層間接觸連續(xù)、土基在深度和水平方向均無限等。為了保證長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和足夠的使用壽命，為了能夠客觀反映路面結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，需要對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中提供的雙圓均布垂直荷載進(jìn)行改進(jìn)。

⑵結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)。由于長壽命瀝青路面的損壞只發(fā)生在瀝青面層，因此，結(jié)構(gòu)層材料的選擇和混合料的設(shè)計(jì)就至關(guān)重要。其中瀝青面層應(yīng)該具有較高的穩(wěn)定性，為了抵抗車輛載荷帶來的變形，還應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度?；旌狭系脑O(shè)計(jì)方法應(yīng)該和路面損壞模式相結(jié)合，按照路面的實(shí)際性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

通過本文的分析可以看出，長壽面瀝青路面設(shè)計(jì)的理論是，在設(shè)計(jì)壽命的使用期限內(nèi)，限制路面可能發(fā)生的破壞主要在路面結(jié)構(gòu)上部。目前我國大規(guī)模公路網(wǎng)瀝青混凝土路面的損壞給交通帶來了嚴(yán)重的影響，因此為了減少路面的損壞和維修造成的損失，開展對(duì)長壽命瀝青路面的研究是非常必要的。

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