瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究與發(fā)展

謝香蓮

（湖南省高速公路管理局衡陽管理處，湖南衡陽 421000）

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究與發(fā)展

謝香蓮

（湖南省高速公路管理局衡陽管理處，湖南衡陽 421000）

通過借鑒國外的研究成果，中國構(gòu)建了自己的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，但根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的瀝青路面通常在使用不到10年就需要進(jìn)行大中修，更嚴(yán)重的僅使用2～3年就出現(xiàn)早期損壞，遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計(jì)使用期限。文中就國內(nèi)瀝青路面出現(xiàn)的問題作簡要分析，指出現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的缺陷，并對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究近況進(jìn)行評述，最后對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理念進(jìn)行了展望。

公路；瀝青路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；路用性能

隨著中國交通運(yùn)輸量的日益增加，普通瀝青路面結(jié)構(gòu)已不滿足重載交通的特殊需求，不同程度的路面病害越來越多，浮現(xiàn)的時(shí)間也日益靠前，即使通過各種措施對設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)進(jìn)行改善，但因其設(shè)計(jì)方法自身的缺陷路面病害的提前發(fā)生成為一種必然趨勢。中國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)中，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料組成設(shè)計(jì)互相分離，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷只能通過提高材料性能的方法來彌補(bǔ)；設(shè)計(jì)指標(biāo)過于單一，不能有效分析路面的結(jié)構(gòu)破壞形式，沒有明顯的控制作用；設(shè)計(jì)參數(shù)不能代表真實(shí)的外在環(huán)境和荷載變化；路面厚度的選擇局限于力學(xué)角度，沒有完全從整個壽命周期的角度考慮后期養(yǎng)護(hù)、改建等成本。為此，必須對重交通路面的損壞機(jī)理和緣由進(jìn)行深入調(diào)查與分析，及時(shí)把控新環(huán)境下的新變化，優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

瀝青路面設(shè)計(jì)方法共經(jīng)歷了古典理論法、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和理論分析法3個階段。古典理論法將土基層頂面的應(yīng)力大小作為路面設(shè)計(jì)厚度的基本參數(shù)，隨著路面力學(xué)理論、施工技術(shù)水平及路面結(jié)構(gòu)形式和研究方法的不斷進(jìn)步，該方法逐漸走向末路。目前，經(jīng)驗(yàn)法和理論分析法是最主要和使用頻率最高的路面設(shè)計(jì)方法。

經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)試驗(yàn)道路監(jiān)測數(shù)據(jù)換算路面性能和結(jié)構(gòu)及路面上覆荷載三者之間的關(guān)系，其中最有名的是美國CBR法。CBR法以試驗(yàn)所得加州承載比作為路面的基本性能參數(shù)，根據(jù)路面數(shù)據(jù)測量與調(diào)查結(jié)果，得出CBR值-輪載-路面結(jié)構(gòu)層厚度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線，路面各結(jié)構(gòu)層厚度可通過路面材料的CBR值進(jìn)行軸當(dāng)量換算得到。該方法以加州承載比作為路面材料的一種性能指標(biāo)已得到廣泛使用。

理論分析法或力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法是基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，它最開始研究路面在荷載和環(huán)境因素共同影響下的力學(xué)性能反應(yīng)，將路面性能與應(yīng)力應(yīng)變建立模型，并從模型中分析它們之間的關(guān)系，最后根據(jù)設(shè)計(jì)初衷對其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)規(guī)劃。理論分析法的框架由殼牌公司的專家在第一屆瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國際會議上提出，并經(jīng)過不斷完善形成了多種不同設(shè)計(jì)方法。AI和柔性路面設(shè)計(jì)法（Shell）是其中的典型代表，世界上多數(shù)國家均借鑒這兩種方法的研究成果制定本國的路面設(shè)計(jì)理論方法，且都是以裂縫和永久變形作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。中國瀝青路面設(shè)計(jì)方法也屬于理論分析法，路面模型的建立借鑒了Shell法，把路面看成多層彈性體系進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。

2 中國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的缺陷

2.1 路表彎沉指標(biāo)的局限

路表彎沉是指在荷載作用下路面整體結(jié)構(gòu)在豎直方向產(chǎn)生的位移，其大小表示路面整體構(gòu)造在抵抗變形能力方面的強(qiáng)弱，具有整體性、表觀性。路面是多層彈性體結(jié)構(gòu)，是用類型各異的材料組成結(jié)構(gòu)層，并將互不相同的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行組合而成，各層結(jié)構(gòu)可擁有相異的力學(xué)、幾何屬性，路面結(jié)構(gòu)性能的好壞與各結(jié)構(gòu)層組成的整體性能相關(guān)，也取決于各層結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)層間的組合或材料選用不相適宜時(shí)，對于具有相同彎沉值的兩個不同路面結(jié)構(gòu)，會因結(jié)構(gòu)層組合或材料類型上的迥異使其

使用期限或承載能力各異。因此，不能在路表彎沉指標(biāo)與含有不同破壞類型及破壞標(biāo)準(zhǔn)的不同路面結(jié)構(gòu)之間尋求一種密切的聯(lián)系。同時(shí)，路表彎沉的大小主要取決于土基的變形量，但外部環(huán)境條件也對其有影響，特別是受路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)中干濕情況影響很大，故把各不相同的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由路表彎沉來評定不具有足夠的說服力。路表彎沉指標(biāo)對于復(fù)雜路面結(jié)構(gòu)不能說明和囊括所有不同路面結(jié)構(gòu)的差異與多種破壞類型，瀝青路面主要設(shè)計(jì)參數(shù)有待完善。

2.2 粗放型路面設(shè)計(jì)

在影響瀝青路面力學(xué)參數(shù)的眾多因素中，環(huán)境的作用不可忽視。瀝青路面使用性能的衰減不僅受外部荷載作用，也與溫度、空氣、陽光和降水等作用密切相關(guān)，而絕大部分路面設(shè)計(jì)方法忽略濕度或水的影響，對溫度的影響也僅作粗略考慮，不能保證適用于每種不同情況。如在溫差變化較劇烈的地區(qū)，由于應(yīng)力大于瀝青層抗拉強(qiáng)度而造成的低溫縮裂問題在規(guī)范中并沒有考慮。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)相脫離

瀝青路面結(jié)構(gòu)組合方式和路面材料選取并不具有協(xié)調(diào)性，缺乏對不同材料性能與路面使用性能間關(guān)系的考慮，對路面材料的選取著重于其本身的性能，沒有考慮各層材料間的相互影響，只是單一地根據(jù)各層功能、特性選取相應(yīng)的材料，未給予路面結(jié)構(gòu)整體性的思量。同時(shí)沒有確定路面材料性能評價(jià)指標(biāo)與實(shí)際中其路用性能之間的相應(yīng)聯(lián)系。

2.4 未考慮經(jīng)濟(jì)因素

現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)方法確定了路面結(jié)構(gòu)和厚度組成，卻未考慮路面結(jié)構(gòu)的修建費(fèi)用、維修費(fèi)用、使用者費(fèi)用和進(jìn)行全壽命分析費(fèi)用，這些因素均會造成路面結(jié)構(gòu)可靠度嚴(yán)重下降。

在日益嚴(yán)俊的交通背景下，依據(jù)舊有方式設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)浮現(xiàn)出的問題逐漸增多，隨著社會的發(fā)展，路面設(shè)計(jì)理念及方法需不斷更新和完善。

3 基于路用性能的長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)新理念

3.1 長壽命瀝青路面

重載貨車交通量的大幅增長使路面通常在設(shè)計(jì)年限之前就出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。為從根本上使瀝青路面的性能得到改善，減少壽命周期費(fèi)用，延長其使用年限，長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理念應(yīng)運(yùn)而生，且自20世紀(jì)90年以來成為研究熱點(diǎn)。

長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理念是在不改變路面足夠厚度的條件下，使路面病害限定在路面表層（25～100 mm），只需定期對路面表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，即可基本保證運(yùn)營情況下路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保在瀝青路面使用期限里結(jié)構(gòu)不會遭受過大損壞。圖1為長壽命路面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 長壽命路面結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 基于路用性能的全壽命周期設(shè)計(jì)理念

從全壽命瀝青路面的路用性能出發(fā)，將材料、環(huán)境、荷載及結(jié)構(gòu)等各種因素綜合考慮，選取一個全方位且符合設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)方法。在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定因素中，一般會考慮荷載、環(huán)境、結(jié)構(gòu)及材料4個指標(biāo)的綜合影響，把路用性能作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的宗旨，結(jié)合路面建設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修等基本費(fèi)用，探討全壽命周期內(nèi)路面的效益，從中選取經(jīng)濟(jì)效益最大的路面結(jié)構(gòu)組合方案。此即基于路用性能的瀝青路面設(shè)計(jì)全壽命周期理念。

在路面結(jié)構(gòu)方案選定過程中，除要考慮路面建設(shè)期初的各項(xiàng)性能、費(fèi)用外，還要考慮路面在運(yùn)營、改建、養(yǎng)護(hù)中的經(jīng)濟(jì)效益和性能指標(biāo)，即在路面的整個壽命周期里選取經(jīng)濟(jì)效益較為顯著的路面結(jié)構(gòu)組合方案。

一般采取效益-費(fèi)用比法、現(xiàn)值法和年費(fèi)用法等，將效益費(fèi)用所占比例最大的方案或時(shí)機(jī)選為最適宜方案。例如基于效益-費(fèi)用比法，對比分析不同路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，選取不同路面的最佳養(yǎng)護(hù)方案及時(shí)機(jī)，得出每種設(shè)計(jì)方法在全壽命周期里的費(fèi)用-效益指標(biāo)，進(jìn)而選出在全壽命周期內(nèi)的最佳路面方案。

3.3 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層回彈模量及厚度值是基于理論分析法，結(jié)合彈性層狀體系理論觀察各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力和應(yīng)變變化情況，由控制地基頂面壓應(yīng)變、瀝青層層底拉應(yīng)變等主要參數(shù)所得出。

（2）長壽命瀝青路面思想是依據(jù)原水泥砼路面

設(shè)計(jì)理念提出的，對抗疲勞層的設(shè)置并沒有特別考慮，但長壽命瀝青路面基層瀝青混合料通常具有較大油石比，所以其在抗疲勞方面表現(xiàn)優(yōu)秀。

（3）為防止反射裂縫的出現(xiàn)，長壽命瀝青路面通常用級配碎石或?yàn)r青碎石等組成其底基層或基層的結(jié)構(gòu)。

（4）世界上大多數(shù)國家均基于實(shí)際調(diào)查和統(tǒng)計(jì)總結(jié)出長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法尚未完善。

4 結(jié)語

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期限通常為15～20年，而中國瀝青路面實(shí)際運(yùn)營不足10年便需進(jìn)行大型檢測修整，有的甚至運(yùn)營2～3年就出現(xiàn)早期破壞。中國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，依據(jù)彈性層狀體系進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)計(jì)算，把瀝青面層底部彎拉應(yīng)力、路表設(shè)計(jì)彎沉和基層底面彎拉應(yīng)力作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)。而隨著道路交通事業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)前路表彎沉等設(shè)計(jì)指標(biāo)不能反映實(shí)際路面的損壞狀況，也不符合重載交通背景下路面構(gòu)造設(shè)計(jì)要求。由于瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式和選取路面材料的方法不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致材料性能和路面性能之間構(gòu)建不出直接的關(guān)聯(lián)，對路面在高軸載、高輪壓作用下的狀況也考慮不夠周全。總之，國內(nèi)瀝青路面設(shè)計(jì)方式尚存在一定缺陷，需不斷改進(jìn)和發(fā)展。

結(jié)合國內(nèi)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，該文認(rèn)為瀝青路面設(shè)計(jì)方法應(yīng)向路面設(shè)計(jì)性能方向發(fā)展，盡管當(dāng)前該設(shè)計(jì)構(gòu)造出的框架體系處于萌牙階段，但若想從根本上解決瀝青路面建設(shè)中遇到的問題，就必須丟棄目前簡單的思維模式，根據(jù)路面性能的需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，并參照先進(jìn)、前衛(wèi)的設(shè)計(jì)方式，如材料特性與結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)、永久性路面結(jié)構(gòu)的壽命匹配和路面經(jīng)濟(jì)型修復(fù)等理念，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的瀝青路面。

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1671-2668（2016）06-0124-03

2016-05-10