公路路面設(shè)計(jì)

摘 要：路面結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)因素一體化并以性能為中心的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)性使用性能和功能性使用性能的統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：路面； 性能； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Highway pavement design

Zhang wei

Abstract： The integration of the pavement structure， materials， environmental and economic factors on the basis of performance-centric pavement structural performance and functional performance of the unified.

Key words： road； performance； structural design

1.前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是近十幾年來(lái)，我國(guó)的高等級(jí)公路建設(shè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其中90%左右的路面鋪筑采用的是瀝青混凝土。平交道路口路面有其的特殊的工作環(huán)境和使用性能要求，然而相對(duì)一般路段來(lái)講，對(duì)平交道口路面結(jié)構(gòu)和材料研究比較薄弱，當(dāng)前平交道路口路面結(jié)構(gòu)和材料直接套用路面設(shè)計(jì)，忽略平交道口路面獨(dú)特的工作環(huán)境與使用性能要求，平交道口路面的損壞具有各種類(lèi)型和各種形態(tài)。一般而言，平交道口的路面損壞包括車(chē)轍、開(kāi)裂（疲勞開(kāi)裂、低溫開(kāi)裂和反射裂縫）、瀝青表面脫落以及目前出現(xiàn)的一些新的損壞類(lèi)型，過(guò)多的路面損壞意味著路面壽命的終結(jié)；限制、延遲這些損壞的發(fā)生和發(fā)展是路面設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

目前，瀝青路面的設(shè)計(jì)方法有許多種，但是不管哪種方法，都存在著一個(gè)問(wèn)題，那就是路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于估算實(shí)際使用時(shí)的路面應(yīng)力、應(yīng)變、彎沉；瀝青混合料組成設(shè)計(jì)的目的是為了得到各方面性能都比較優(yōu)良的混合料以滿(mǎn)足需要。盡管有些混合料當(dāng)生產(chǎn)的環(huán)境不同時(shí)其性能會(huì)有很大差異，但是不管怎樣，瀝青混凝土混合料設(shè)計(jì)和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總是分別進(jìn)行的，二者還沒(méi)有結(jié)合成一個(gè)整體。另外，在進(jìn)行瀝青路面的設(shè)計(jì)時(shí)，未能考慮材料的性能對(duì)疲勞和長(zhǎng)期變形抵抗能力的影響，對(duì)不同瀝青材料采用的疲勞或永久變形方程是相同的。雖然國(guó)際上對(duì)材料疲勞和變形性能的研究一直是一個(gè)十分重要的研究領(lǐng)域，也取得了許多研究成果，但由于設(shè)計(jì)框架的限制而一直未能納入設(shè)計(jì)方法中，材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直處于相分離的“雙軌”狀態(tài)，這是一個(gè)很大的缺陷。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中僅考慮了材料特性對(duì)力學(xué)參數(shù)的影響，未考慮不同材料對(duì)路面使用性能的影響。但是實(shí)際上，正如Monismith等人論述的那樣，某些特殊瀝青混合料的使用性能與實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況有很大關(guān)系，混合料的應(yīng)力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)層所處位置有關(guān)，并受其上、下面層材料的強(qiáng)度及交通軸載的特點(diǎn)影響，因此，混合料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)相互聯(lián)系。完整的路面設(shè)計(jì)應(yīng)是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)的統(tǒng)一體：材料設(shè)計(jì)的結(jié)果應(yīng)能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)組合所能達(dá)到的性能水平，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)能考慮到材料組成的基本要求。二者應(yīng)能充分體現(xiàn)對(duì)使用性能的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要反映結(jié)構(gòu)性能（結(jié)構(gòu)損壞和結(jié)構(gòu)承載力），而材料設(shè)計(jì)則主要體現(xiàn)功能性能（耐久、平整、抗滑、美觀等）；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，而材料設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的保障和體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)的和諧統(tǒng)一，就能達(dá)到使用性能的最佳效果。

瀝青路面材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，目的在于改善瀝青路面的結(jié)構(gòu)性使用性能以及功能性使用性能，使設(shè)計(jì)出的路面結(jié)構(gòu)和材料相對(duì)于使用性能而言是相容的、統(tǒng)一的，最終在兩方面都達(dá)到優(yōu)化。

兼顧瀝青混凝土路面的功能性與結(jié)構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與材料一體化設(shè)計(jì)，可使瀝青混凝土路面在建設(shè)造價(jià)基本不變的前提下，使用壽命明顯提高，并可保證良好的功能性使用性能，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是十分顯著的。

2.國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，瀝青路面損壞現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，高速公路、一級(jí)公路的設(shè)計(jì)使用年限為15年，二級(jí)公路的設(shè)計(jì)使用年限為12年。但是實(shí)際上，許多瀝青路面在使用1、2年后便出現(xiàn)大規(guī)模的破壞。從現(xiàn)有瀝青路面結(jié)構(gòu)早期損壞情況看，不可否認(rèn)，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在一定的不合理性。盡管瀝青路面破壞的現(xiàn)象和特征不盡相同，但對(duì)于水損壞、車(chē)轍、開(kāi)裂等與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)的早期損壞是普遍存在的。要解決瀝青路面結(jié)構(gòu)性損壞，提高路面長(zhǎng)期使用性能和使用壽命，就應(yīng)該從使路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)相互統(tǒng)一，優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，合理利用路面材料性能等方面著手。通過(guò)以路面壽命周期內(nèi)費(fèi)用最低為目標(biāo)，路面使用性能為約束條件進(jìn)行優(yōu)化，最終確定合理的路面結(jié)構(gòu)方案。

國(guó)內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土下面層在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求具有良好的抗疲勞和抗車(chē)轍性能，但傳統(tǒng)的粗粒式混凝土下面層的抗疲勞性能較差，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。瀝青混凝土上面層在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求具有良好的抗低溫縮裂、抗高溫車(chē)轍、抗水損害和抗老化性能，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足平整度、構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滾動(dòng)噪音等功能性方面的要求。我國(guó)以往經(jīng)常采用抗滑表層作為上面層，但其耐久性較差，容易出現(xiàn)早期損壞。國(guó)際上認(rèn)為多孔隙排水瀝青混凝土（OGFC）與瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）是兩種最有發(fā)展前景的瀝青混凝土上面層。在美國(guó)和日本發(fā)展的多孔隙排水瀝青混凝土（OGFC）在耐久性和空隙堵塞兩個(gè)方面仍存在缺點(diǎn)，目前正在研究改性瀝青和清洗技術(shù)以克服其缺點(diǎn)。德國(guó)提出的瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）雖采用骨架密實(shí)型級(jí)配，但這種混合料的設(shè)計(jì)方法是否真正適用于我國(guó)的地域條件，尚有待于大量驗(yàn)證。

國(guó)外的May.R.W.W（美地瀝青協(xié)會(huì)，肯塔基州）和Witczak（馬里蘭大學(xué)土木工程系）曾經(jīng)作過(guò)柔性路面材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化的研究，但資料不祥，并不適合中國(guó)的情況。美國(guó)SHRP計(jì)劃提出的SUPERPAVE優(yōu)質(zhì)路面設(shè)計(jì)方法，雖然考慮了瀝青路面的路用性能進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，并且試圖將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，但SUPERPAVE混合料的車(chē)轍模型和疲勞開(kāi)裂模型仍需改進(jìn)和修訂，因此其材料設(shè)計(jì)方法仍不十分完善，目前在美國(guó)也僅有20多個(gè)州正在試用，在我國(guó)對(duì)此研究的應(yīng)用剛起步。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念

路面早期損壞的原因是多方面的，有材料原因，有施工原因，也有管理方面的原因。一般認(rèn)為施工引起的原因（如路面厚度不夠，壓實(shí)度不夠等）是主要的，因?yàn)榭偪梢哉业揭恍┦┕し矫娴脑颉槭裁次覀儚牟牧?、施工和管理各方面都十分認(rèn)真，嚴(yán)格按規(guī)范要求去做，路面還會(huì)發(fā)生損壞？美國(guó)在二十世紀(jì)80年代按規(guī)范修筑的路面也發(fā)生了許多早期損壞，如車(chē)轍、剝落等等，這就是美國(guó)為什么會(huì)開(kāi)展美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃的原因他就是說(shuō)要從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)范向性能規(guī)范發(fā)展。我們應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，少走彎路。

對(duì)瀝青路面從結(jié)構(gòu)性使用性能和功能性使用性能兩方面進(jìn)行分析。對(duì)于結(jié)構(gòu)性使用性能，主要從疲勞、高溫車(chē)轍、低溫開(kāi)裂三方面考慮，分析了影響瀝青混合料的高低溫性和疲勞特性的因素。對(duì)于功能性使用性能，分析了影響路面平整度以及抗滑性能的因素。瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類(lèi)型應(yīng)相匹配，還常路面結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)是集料最大公稱(chēng)尺寸的3倍以上。

對(duì)面層、基層厚度以及上、下面層的分層厚度從路面受力狀態(tài)以及所選材料類(lèi)型兩方面進(jìn)行分析。對(duì)于面層厚度主要考慮面層、基層之間的層間剪應(yīng)力和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題；而在面層結(jié)構(gòu)分層時(shí)，要從層間剪應(yīng)力和面層厚度與所選用面層材料的最大工程粒徑的匹配性?xún)煞矫婵紤]；對(duì)于基層厚度來(lái)說(shuō)，從力學(xué)角度分析不小于15cm。

按照各結(jié)構(gòu)層的層位要求合理選用瀝青混合料，對(duì)于上面層抗滑密水的需要，瀝青混合料設(shè)計(jì)采用緊排骨架-密實(shí)原則的組成結(jié)構(gòu)；對(duì)于下面層易出現(xiàn)車(chē)轍變形的特點(diǎn)，適當(dāng)增加粗集料用量，使其既滿(mǎn)足密水又滿(mǎn)足抗車(chē)轍的要求。

在進(jìn)行基層混合料設(shè)計(jì)時(shí)，充分發(fā)揮粗集料的嵌擠作用，在形成一種理想的骨架以抵抗收縮裂縫的同時(shí)，填充骨架空隙的結(jié)合料所形成的適當(dāng)粘結(jié)力與骨架的嵌擠力，共同形成高強(qiáng)度的力學(xué)性質(zhì)。

世界瀝青路面技術(shù)日新月異，新材料、新結(jié)構(gòu)、新概念、不斷涌現(xiàn)，特別是美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）的研究成果-Sperpave技術(shù)更應(yīng)引起我們的重視，并認(rèn)真總結(jié)我們的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，將我國(guó)瀝青路面質(zhì)量提高到一個(gè)新水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范.（JTGF40-2004）.人民交通出版社，2005

【文章編號(hào)】1627-6868（2016）01-0072-02

【作者簡(jiǎn)介】張偉（1972-），男，山東日照人，工程師，從事公路工程施工與管理。