瀝青路面設計方法及存在的問題

陳云騫

【摘 要】隨著公路建設的快速發(fā)展，瀝青路面結構形式的公路也越來越多，應該加強瀝青路面的設計研究工作，使瀝青路面在更大的范圍和更多的公路建設中得以運用。要結合公路瀝青路面設計的復雜性和特殊性，要針對公路瀝青路面設計的常見問題尋求良好運用設計的途徑，在加強公路管理的基礎上，提升公路瀝青路面的設計質(zhì)量進而確保行車舒適性與安全性。

【關鍵詞】公路建設；瀝青路面；設計方法；

引言

瀝青路面在我國公路的路面結構中非常普遍。據(jù)不完全統(tǒng)計，瀝青路面結構在已建成高速公路的路面結構占有率為85%～90%。并且，隨著高速公路網(wǎng)覆蓋面的不斷增大，瀝青路面的設計水平也在不斷發(fā)展，并取得了豐碩的成果。但是在已建成的高等級公路瀝青路面使用過程中發(fā)現(xiàn)，無論是采用國外混合料配比，還是傳統(tǒng)混合料配比，在投入運營一段時間后，瀝青路面均會出現(xiàn)破損現(xiàn)象。造成瀝青路面破損的原因很多，本文主要分析瀝青路面設計方法存在的一些缺陷，進而提出一些建議。

1、瀝青路面設計存在的問題分析

1.1現(xiàn)行的規(guī)范大多建立在半剛性基層受壓模型中，柔性基層上的瀝青面層疲勞壽命遠高于路面結構壽命，瀝青面層不會出現(xiàn)疲勞開裂，將路表設計彎沉值作為唯一控制指標，使路面結構設計與實際情況不符。

1.2設計中忽略了路面材料的低溫性能，對于低溫開裂和車轍問題考慮不足。1.3設計中沒有充分考慮到環(huán)境因素、經(jīng)濟因素，導致相應的控制指標比較單一，無法滿足現(xiàn)代公路設計的需求。

2、瀝青路面設計的方法研究

2.1 CBR設計

加州承載比CBR（CaliforniaBearingRatio）法，是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法。CBR法是美國加州工程師Porter在1929年提出的。CBR設計法用材料抵抗局部荷載壓入變形的能力來表征材料的承載能力，并且設定了標準碎石的承載能力為標準，以材料的承載能力與標準碎石的承載能力的比值百分數(shù)作為CBR值。CBR值后來也被用于評定土基的強度。通過CBR試驗得出路面的CBR值，再結合路面的實際狀況，可以得到CBR值與實際交通荷載以及路面結構之間的經(jīng)驗關系，并依此來進行路面結構設計。CBR法對于后來的瀝青路面設計方法最大的貢獻就是提出了CBR值作為表征路基土和路面材料的力學性質(zhì)的參數(shù)指標。因為此方法有比較完善的圖表來確定瀝青路面厚度，應用時非常便捷，所以受到了眾多工程技術人員的歡迎。美國陸軍工程兵部隊在二戰(zhàn)時曾采用CBR法，日本目前所采用的瀝青路面設計方法也是參照了CBR法制定的，而且目前CBR法仍然是美國聯(lián)邦航空局（FAA）的機場瀝青路面設計方法。但是，CBR設計法也有很大的局限性。CBR值不能直接度量材料的承載能力，因為它沒有直接的理論依據(jù)，僅僅是一個經(jīng)驗性的指標。而且在實際使用中，路基土的工作狀態(tài)通常是處于彈性范圍內(nèi)的，但是CBR值卻不能有效的反映彈性變形。

2.2力學-經(jīng)驗設計法

力學-經(jīng)驗設計法主要是分析荷載和環(huán)境作用下路面結構的力學反應量，根據(jù)這些力學反應量與破損模式之間的關系建立路面性能模型，從而設計出瀝青路面結構。自上世紀60年代，各國就致力于力學—經(jīng)驗設計法的研究工作，其中較為成熟的有AI法和Shell法。在第一屆瀝青路面設計結構國際會議中，殼牌公司的兩位科研人員提出了針對于瀝青路面設計的力學—經(jīng)驗設計法大體框架，隨后這一框架成為了Shell設計法的雛形。在隨后的20年中，各國的科研人員對力學—經(jīng)驗法進行了深入研究，并且取得了豐碩成果。

2.3Shell設計法

1962年，殼牌公司提出以彈性層狀體系代表路面結構，計算分析圓形均布荷載作用下的應力、應變和位移值，把面層底部的拉應變以及路基頂面的壓應力或壓應變作為設計指標，分別控制疲勞開裂和車轍[6]。對于路面結構以及材料，Shell法所考慮的參數(shù)主要有各層的厚度，材料的動態(tài)模量、泊松比以及體現(xiàn)材料粘彈性性質(zhì)的勁度模量。路基動態(tài)模量可以用動態(tài)彎沉試驗在現(xiàn)場測定，也可以在室內(nèi)通過三軸試驗測定。如果受試驗條件限制，也可以用CBR試驗法或承載板試驗法，并結合以往相關工程的經(jīng)驗進行選擇。溫度等環(huán)境因素的影響體現(xiàn)在其對瀝青混合料模量的影響上。取瀝青層底部和路基頂部的輪中心點下方和輪際中心點下方兩處為計算應力與應變的最不利位置。Shell設計法的兩項控制標準分別如下：Nf=[（0.856Vbit+Smix-0.36）/εr]5。Nf=（a/εz）4。其中，Nf為累計標準荷載作用次數(shù)；Vbit為結合料的體積比；Smix為瀝青的勁度模量。瀝青層永久變形為：Δh1-i=Cm×h1-i×（Z×δ0）/Sm-i。其中，Z為應力分布系數(shù)；δ0為軸載壓應力；Sm-i為第i層的勁度模量；Cm為修正系數(shù)，在Shell路面設計手冊中可以查得=。

3、目前我國的瀝青路面設計方法

目前，我國的瀝青路面設計采用力學—經(jīng)驗法，以雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系為計算模型，各層面之間的接觸狀況按照連續(xù)體系處理。在彈性層狀體系理論的基礎上，以路表回彈彎沉值和整體性材料層底彎拉應力為主要設計指標。路表回彈彎沉表征了路面整體的強度與剛度特性，整體性材料層底的彎拉應力則用來控制疲勞開裂。路表回彈彎沉的計算點選在輪隙中心點，瀝青混凝土面層和半剛性材料層底拉應力計算點的位置為單圓中心點、單圓半徑的1/2點、單圓內(nèi)側邊緣點以及雙圓間隙中心點。設計時，首先以路表回彈彎沉作為首要指標進行設計，然后再用瀝青混凝土面層和半剛性材料層底彎拉應力來驗算并加以修正。交通荷載采用重量為100kN的雙輪組單軸軸載為標準軸載。在計算中，各層材料的模量均采用不利季節(jié)的抗壓回彈模量。瀝青混凝土和半剛性材料的抗拉強度采用劈裂試驗得到的劈裂強度。

4、對我國瀝青路面設計方法的建議

4.1設計標準

在現(xiàn)有的瀝青路面設計規(guī)范中，應該適當增加一些控制指標，如能夠較好反映車轍問題的路基垂直壓應變與重復荷載的關系指標。在設計中適當引入一些環(huán)境、經(jīng)濟指標，使設計方法更趨于完善。該指標體系不僅能夠反映出瀝青路面的結構和材料特征，更能真實地反映出環(huán)境因素（溫度和濕度）對于各級公路瀝青路面性能的影響。

4.2材料參數(shù)

我國現(xiàn)行的設計規(guī)范中，材料的回彈模量采用靜態(tài)抗壓模量E代替。但是在實際情況中，動態(tài)回彈模量也是可以通過儀器進行測量，因此，應該適當考慮增加動態(tài)模量，從而使設計參數(shù)更加合理。瀝青混合料參數(shù)在選定的過程中也存在一定的局限性，其回彈模量僅考慮了靜態(tài)下的回彈模量值，忽略了動荷載作用下的動態(tài)模量。此外，在路表的抗滑能力方面，設計規(guī)范中也沒有能夠充分體現(xiàn)出來。

5、提升瀝青路面設計水平的方案

當前的設計和施工環(huán)節(jié)可謂是環(huán)環(huán)相扣，其中一個項目的工作出現(xiàn)了缺陷，則會導致后期的工作出現(xiàn)巨大的波動和影響。所以還應當加強對相關設計指標的完善和控制。在實踐的工作當中可以通過對路面路基垂直壓力變化情況以及重復荷載的作用力分析，得出車轍的設計方案。另外，針對水平的應變拉力進行全面的分析，也可以得出瀝青路面的表層開裂問題根本原因。在相關設計工作當中還應當全面的參考溫度、濕度、環(huán)境和經(jīng)濟方面的因素，加強相關指標的控制和探討，通過對控制指標體系的完善來加強設計水準。同時，還需要加強對材料參數(shù)的控制，一般情況之下靜態(tài)的模型不能夠真實并且全面的反饋出材料在各種變化因素之下的性能，諸如路基填土的回彈量，而通過承載板技術，只能夠開展靜態(tài)的測試，為了使得設計的參數(shù)更加科學合理，還應當采用動態(tài)彎沉儀器，來加以測定和分析，使得數(shù)據(jù)結果更加可靠。

結束語

總而言之，我國交通技術的不斷改進，也帶動了技術的全面發(fā)展。因此，在實踐的工作當中，應當首先對瀝青路面的設計方案和技術原則進行分析，從設計的角度著手，對改進的基本對策進行探討，同時結合當前的情況給予恰當?shù)慕鉀Q對策，為相關設計工作的全面發(fā)展提供基本的思路和方案，并且促進后期施工技術的完善，為養(yǎng)護工作和管理工作的健全奠定基礎。

參考文獻：

[1]徐鷗明.長壽命瀝青路面設計指標與設計方法研究[D].長安大學，2008.

[2]武建民.半剛性基層瀝青路面使用性能衰變規(guī)律研究[D].長安大學，2005.

[3]艾長發(fā).高寒地區(qū)瀝青路面行為特性與設計方法研究[D].西南交通大學，2008.