淺談公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)方法

張延智

（長春市公路規(guī)劃勘測設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021）

0 前言

我國的瀝青路面在使用實踐中所暴露的大量問題，使人們不得不對現(xiàn)有的路面設(shè)計理論、設(shè)計方法及設(shè)計指標進行反思。實際上目前大量出現(xiàn)的路面早期損壞是現(xiàn)行理論和規(guī)范所難以做出更深解釋的。對于不同的路面結(jié)構(gòu)，對其使用性能變化規(guī)律的認識不夠清楚，更缺少定量的研究。因此，必須用發(fā)展的眼光對重交通路面的損壞原因、機理重新進行認識，及時掌握新條件下的新變化，通過路面的合理化設(shè)計來控制路面的主要破壞型式，從而真正達到路面設(shè)計的目的[1]。

1 瀝青路面設(shè)計指標及標準

1.1 瀝青路面設(shè)計指標

對于高速、一級和二級公路的路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計指標為路表面回彈彎沉值和瀝青混凝土層層底拉應(yīng)力及半剛性材料層的層底拉應(yīng)力；對于三級、四級公路的路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計指標為路表面設(shè)計彎沉值。有條件時，對重載交通路面宜檢驗瀝青混合料的抗剪切強度，驗算其最大剪應(yīng)力是否滿足要求。

1.2 瀝青路面設(shè)計標準

相應(yīng)于設(shè)計指標，我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范采用以下三項設(shè)計標準確定路面結(jié)構(gòu)所需的厚度：（1）路面結(jié)構(gòu)表面在雙輪荷載作用下輪隙中心處的彎沉值不大于設(shè)計彎沉值；（2）瀝青面層底面的最大拉應(yīng)力不大于該層混合料的容許拉應(yīng)力；（3）半剛性基層或底基層底面的最大拉應(yīng)力不大于該層材料的容許拉應(yīng)力。彎沉和應(yīng)力計算分析時，將路面結(jié)構(gòu)看成為多層彈性體系，體系頂面作用有相當(dāng)于雙輪組P=50 kN的雙圓均布荷載，各層面間的接觸條件按完全連續(xù)處理。彎沉計算點的位置選在輪隙中心處。層底面拉應(yīng)力計算點的位置選在單圓中心點及單圓半徑的1/2點和單圓內(nèi)側(cè)邊緣點和雙圓輪隙中心點，取其中的最大值作為層底最大拉應(yīng)力。

2 瀝青路面設(shè)計標準的確定方法

2.1 設(shè)計彎沉值的確定

輪載作用下雙輪輪隙中心處的路表回彈彎沉值大小，反映了路基路面結(jié)構(gòu)的整體承載能力?；貜棌澇林敌〉慕Y(jié)構(gòu)整體承載能力大，能經(jīng)受輪載的很多次重復(fù)作用才出現(xiàn)損壞；而回彈彎沉值大的結(jié)構(gòu)，在經(jīng)受輪載不多次的重復(fù)作用后，路面即呈現(xiàn)某種形態(tài)的損壞。因而，在達到相同損壞程度時，回彈彎沉值的大小同該路面結(jié)構(gòu)的累計荷載重復(fù)作用次數(shù)成反比。若能求得回彈彎沉值與使用壽命間的關(guān)系，則可依據(jù)該路面結(jié)構(gòu)所要求的使用壽命，來確定路面結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)控制的路表回彈彎沉值。為此，就需要了解路面結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)的彎沉變化規(guī)律及其與路面結(jié)構(gòu)損壞狀態(tài)的關(guān)系。根據(jù)對已建成道路的多年實測資料分析，路表回彈彎沉值隨著時間的推移而變化。路表面的彎沉變化過程可分為三個階段:第一階段——路面竣工后第一、二年。由于交通荷載的壓密作用，以及半剛性基層材料的強度增長，路表彎沉逐漸減小，大致在竣工后第二年達最小值。第二階段——路面竣工后兩至四年。由于在交通荷載的重復(fù)作用、水溫狀況變化，以及材料不勻等因素影響下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微觀缺陷因局部范圍的應(yīng)力集中而擴展，形成小范圍的局部破損，使結(jié)構(gòu)整體剛度下降、彎沉增大。此階段以彎沉不斷增大為主要特征。第三階段——路面竣工后三、四年至路面達極限破壞狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，附近局部區(qū)域積蓄的高密度能量，已通過前階段缺陷的擴展而轉(zhuǎn)移，形成新的能量平衡，路面結(jié)構(gòu)的整體剛度達成較低水平的新的相對穩(wěn)定，路表彎沉進入一個比較穩(wěn)定的緩慢變化階段，即結(jié)構(gòu)疲勞破壞的穩(wěn)定發(fā)展階段，一直延續(xù)至結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞。大量實測調(diào)查表明，相同路面結(jié)構(gòu)的外觀狀況越差，路表呈現(xiàn)的回彈彎沉值越大。通常，按瀝青路面的外觀特征，將路面的外觀狀況分為五個等級，路面狀況在第四級時，路面已產(chǎn)生疲勞開裂，并伴有明顯的永久變形，若不及時采取養(yǎng)護或改建措施，路況將急劇下降，導(dǎo)致路面完全破壞，即路面已臨使用期末，所以，將第四級作為路達臨界損壞的狀態(tài)。此狀態(tài)時的實測彎沉值在不利季節(jié)時測得與該路面已經(jīng)受的累計標準軸次之間存在良好的對數(shù)關(guān)系。相對于不同的使用壽命，有一相應(yīng)的回彈彎沉與之相對應(yīng)，將路面于使用期末不利季節(jié)，在設(shè)計標準軸截作用下容許出現(xiàn)的最大回彈彎沉值定義為容許彎沉值。由于路面在使用期內(nèi)彎沉是變化的，使用期末的彎沉值與竣工時的彎沉值并不相同，不能直接用容許彎沉值作為竣工時驗收的標準?？紤]到半剛性基層材料的設(shè)計齡期為六個月，在路面竣工后第一年不利季節(jié)的彎沉值與最大剛度狀態(tài)所對應(yīng)的彎沉值比較接近，故將路面竣工后第一年不利季節(jié)的路面狀態(tài)近似假定為路面整體結(jié)構(gòu)的最大剛度狀態(tài)，并取其作為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài)。

2.2 容許拉應(yīng)力的計算

路面結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力是指路面結(jié)構(gòu)在行車荷載反復(fù)作用下達到臨界破壞狀態(tài)時容許的最大拉應(yīng)力。這一應(yīng)力值較一次荷載作用下的抗拉強度小，減小的程度同重復(fù)荷載次數(shù)及路面結(jié)構(gòu)層材料的性質(zhì)有關(guān)。對瀝青混凝土的極限抗拉強度，系指15℃時的極限抗拉強度；對水泥穩(wěn)定類材料，系指齡期為90 d的極限抗拉強度；對二灰穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類的材料，系指齡期為180 d的極限抗拉強度;對水泥粉煤灰穩(wěn)定類材料，系指120 d的極限抗拉強度。

3 瀝青路面設(shè)計軸載換算

路上行駛的車輛類型不盡相同，它們的軸載也不相同。在計算累計當(dāng)量軸次時，需將各級軸載換算為標準軸載。根據(jù)軸載等效換算的基本原則不同的疲勞損壞標準將有不同的換算公式。我國公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中提出了以下軸載換算公式。

3.1 以設(shè)計彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標

各級軸載包括車輛的前、后軸Pi的作用次數(shù)ni，按下式換算成標準軸載P的當(dāng)量作用次數(shù)N:

式中：N——標準軸載的當(dāng)量軸次，次/d；

ni——被換算車型的各級軸載作用次數(shù)，次/d；

P——標準軸載，kN；

Pi——被換算車型的各級（單根）軸載，kN；

C1’i——被換算車型各級軸載的軸數(shù)系數(shù)，當(dāng)軸間距大于3 m時，按單獨的一個軸計算，軸數(shù)系數(shù)即為軸數(shù)m，當(dāng)軸間距小于3 m時，按雙軸或多軸計算;

C2’i——被換算軸載的輪組系數(shù)，單輪組為6.4，雙輪組為1.0，四輪組為0.38;

K——被換算車型的軸載級別。

3.2 以半剛性層層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標

各級軸載包括車輛的前、后軸Pi的作用次數(shù)ni均按下式換算成標準軸載P的當(dāng)量作用次數(shù)N’:

上述軸載換算公式僅適用于單軸軸載小于130 kN的軸載換算。

4 路面實際彎沉值和層底拉應(yīng)力的計算

4.1 路面實際彎沉值的計算

應(yīng)用彈性層狀體系理論可求得已知路面結(jié)構(gòu)表面在荷載作用下產(chǎn)生的彎沉，但大量試驗驗證結(jié)果表明，理論計算值與實測彎沉值之間存在一定偏差。此偏差呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，當(dāng)路基剛度較低時，由前述理論公式算得的面層厚度偏大；而當(dāng)路基剛度較高時，則由理論算得的面層厚度偏薄。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是因為路基路面材料并非線性彈性體，而所采用的評定材料抗變形能力(Eo和Ei)的測定方法，并不能反映它們在結(jié)構(gòu)層內(nèi)的真實工作狀態(tài)。為使理論計算和實測結(jié)果相符，目前在規(guī)范中引入了一個彎沉綜合修正系數(shù)F:

式中：l，al——分別為理論彎沉值和理論彎沉系數(shù)；

ls,as——分別為實際彎沉值和實際彎沉系數(shù)。

當(dāng)設(shè)計計算路面厚度時，實際彎沉值可取為設(shè)計彎沉值，由大量試驗驗證資料分析得知，彎沉綜合修正系數(shù)F同實際彎沉值、土基回彈模量及輪載參數(shù)的相關(guān)關(guān)系較密切。

4.2 整體性材料層層底拉應(yīng)力的計算

為防止瀝青層和半剛性基（墊）層因?qū)拥桌瓚?yīng)力過大而產(chǎn)生疲勞開裂，設(shè)計時需驗算瀝青層及半剛性基層底面的拉應(yīng)力值是否滿足要求。瀝青層及半剛性基層底面各計算點的拉應(yīng)力值，可直接由計算機軟件求得。比較計算層各計算點的應(yīng)力值，取最大值作為該層的最大拉應(yīng)力。將最大拉應(yīng)力與該層的容許拉應(yīng)力進行比較，以判斷拉應(yīng)力是否滿足要求或據(jù)此控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。計算時注意材料參數(shù)的選擇和確定，不同材料有不同的選擇要求，具體應(yīng)用時需注意。

5 路基土和路面材料設(shè)計參數(shù)

按彈性層狀體系理論求解路表彎沉或面層和基、墊層底面的彎拉應(yīng)力應(yīng)變時，必須知道路基土和路面材料的彈性模量值。無論是路基土還是路面材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系都或多或少呈現(xiàn)出非線性性質(zhì)，因而表征其關(guān)系的彈性模量值都是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)。同時，它們又是材料組成、壓實狀態(tài)及環(huán)境的函數(shù)。工程上通常采用承載板試驗和抗壓試驗得到的荷載-回彈彎沉變形關(guān)系確定回彈模量值，并將它作為彈性模量。

5.1 路基土回彈模量值

路基土的回彈模量值，除了受加荷方式和應(yīng)力狀態(tài)等因素影響外，主要取決于土的類型和性質(zhì)，以及土的濕度和密實度。路面設(shè)計時，應(yīng)在最不利季節(jié)通過實測確定回彈模量值。但在路基尚未修建的情況下，往往只能通過經(jīng)驗方法來估定。由室內(nèi)試驗結(jié)果得知，路基土的回彈模量同土的性質(zhì)和狀態(tài)之間存在著下述經(jīng)驗關(guān)系：

式中：K——土的壓實度；

A，a，b——隨所在地區(qū)和土的類型而異的試驗參數(shù)。

通過在全國各地進行的大量實測b和分析工作，提出了各地區(qū)不同土組的E0-K-ω c關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，擬訂了土基回彈模量建議值表供初步設(shè)計時參考使用。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗或路基臨界高度，判斷各路段土基干濕類型，利用論證得到各路段土的平均稠度值預(yù)估土基回彈模量值。當(dāng)采用重型擊實標準時，可將土組土基回彈模量參考值提高15%～30%。

5.2 路面材料回彈模量值

無結(jié)合料的粒料墊層和基層的回彈模量值，可采用重復(fù)加載的三軸試驗進行測定。試驗時，須按墊層或基層所受到的實際應(yīng)力狀況施加側(cè)限應(yīng)力，以確定相應(yīng)的回彈模量值,現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中提出的常用粒料基層和墊層的回彈模量值參考范圍。無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料或土的回彈模量值，可采用圓柱體或小梁試件進行壓縮或彎曲試驗，測定各級應(yīng)力作用下的壓縮應(yīng)變或彎拉應(yīng)變后計算確定。

6 結(jié)語

路面設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)組合、材料組成設(shè)計和厚度確定三個方面。雖然路面結(jié)構(gòu)設(shè)計主要討論結(jié)構(gòu)組合和厚度確定，但結(jié)構(gòu)組合時必須考慮各結(jié)構(gòu)層組成材料的特性和要求，而確定所需厚度時離不開合理選取材料參數(shù)。合理的路面結(jié)構(gòu)組合是保證路面使用性能的基礎(chǔ)。組合時，必須綜合考慮交通荷載、環(huán)境、支承條件、組成材料特性、各結(jié)構(gòu)層的功能要求和協(xié)調(diào)作用等各個方面，并充分吸收已有的設(shè)計和使用經(jīng)驗。瀝青路面的損壞現(xiàn)象、機理和肇因十分復(fù)雜，因此路面結(jié)構(gòu)設(shè)計只能選用多種指標，分別控制不同的損壞模式。不同設(shè)計方法根據(jù)對路面主要損壞現(xiàn)象的認識和分析，選用不同的設(shè)計指標。公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中采納的設(shè)計方法是以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)的力學(xué)與經(jīng)驗設(shè)計法。該法以路表彎沉作為路基路面整體承載能力的控制指標，以整體性材料層底的拉應(yīng)力作為疲勞開裂的控制指標，進行結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計。要使設(shè)計結(jié)果能同實際相符，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法就要能全面地反映材料、環(huán)境、荷載和土基狀況等因素對結(jié)構(gòu)性能的影響，所以，必須收集足夠的交通、土質(zhì)、氣象和水文資料，并在同實際工作環(huán)境相符的條件下對所用材料進行物理力學(xué)性質(zhì)試驗，獲取可靠的材料參數(shù)。而要做到這一點，是非常困難的。因此，現(xiàn)有設(shè)計方法都存在不完善之處，還有待隨著研究工作的深入和實踐經(jīng)驗的積累，不斷地進行修正、補充和完善。

[1]李繼紅，等.瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法探討[J],交通標準化,2012，（10）:50-53.