長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

魏鵬

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市 300000）

0 引言

近年來，隨著公路上的汽車荷載和交通量的增加，許多公路常常達不到甚至遠遠低于設(shè)計壽命時就出現(xiàn)了損壞，需進行較大規(guī)模的維修養(yǎng)護甚至重建。目前，我國的高速公路設(shè)計年限通常為20～30 a，而實際的使用壽命卻只有8～10 a。有的高速公路甚至只營運了2～3 a就開始出現(xiàn)很嚴(yán)重的病害。對于城市間的重要道路、高速公路來說，公路的維修必然會對廣大民眾的出行造成不便，使人們的駕車時間延長，燃油消耗量增加，造成大量的用戶費用、維修費用的浪費等問題，同時也給社會帶來巨大的經(jīng)濟損失，從壽命周期費用分析的角度來看，毋庸置疑這是不經(jīng)濟的。如何延長公路的使用年限，這已成為我國乃至全世界公路建設(shè)者目前最為關(guān)心的問題之一[1-5]。

1 長壽命瀝青路面設(shè)計理念

1.1 長壽命瀝青路面設(shè)計理論基礎(chǔ)

（1）疲勞極限

傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法區(qū)別很大，傳統(tǒng)瀝青路面設(shè)計荷載的輸入?yún)?shù)是累計交通量，而長壽命瀝青路面的參數(shù)是設(shè)計交通軸載，其理論基礎(chǔ)是瀝青混合料疲勞極限理論，所謂疲勞極限就是指瀝青混合料存在一個彎拉應(yīng)變臨界點，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)的彎拉應(yīng)變低于這個值時，瀝青混合料層底就不會出現(xiàn)疲勞損傷，這個拉應(yīng)變臨界點對應(yīng)的就是疲勞極限。Long和Monismith建議控制瀝青混凝土層底的彎拉應(yīng)變不大于60 με。1許多科研人員認為改性瀝青混合料的疲勞極限可以提高到100 με。日本研究人員西澤認為瀝青混合料的疲勞極限應(yīng)小于200 με。

（2）基頂壓應(yīng)變

國外大量的高速公路車轍狀況調(diào)查顯示，當(dāng)瀝青結(jié)構(gòu)層厚小于18 cm時，車轍率較大；當(dāng)瀝青層厚大于18 cm時，車轍率將迅速降低。對于瀝青層較厚的道路，車轍集中發(fā)生在瀝青層表面，屬于表面車轍。這是表面功能層損壞，通過進一步罩面設(shè)計就能夠保證結(jié)構(gòu)良好。

但是，對于因結(jié)構(gòu)層的永久變形而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性車轍破壞，為了控制結(jié)構(gòu)性車轍的車轍深度可通過控制路基土的永久變形來實現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)層設(shè)計上，道路研究人員建議把基頂壓應(yīng)變作為控制路面總變形量的設(shè)計指標(biāo)。美國的長壽命路面建議路基土垂直壓應(yīng)變應(yīng)小于200 με，若容許壓應(yīng)變大于結(jié)構(gòu)層基頂壓應(yīng)變，則認為路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計年限內(nèi)不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍破壞，能夠達到長壽命要求。

1.2 長壽命瀝青路面的設(shè)計壽命

各個國家對于長壽命瀝青路面的壽命期望從30～50 a不等。英國公路署、瀝青協(xié)會和建設(shè)材料協(xié)會期望長壽命瀝青路面的使用壽命能夠達50 a以上；美國瀝青路面協(xié)會對于長壽命路面的定義為必須達35 a以上的設(shè)計壽命。美國各州對于長壽命路面的定義有所不同，各州期望的長壽命路面的設(shè)計壽命在30～50 a之間；日本則定義長壽命路面的使用壽命在40～60 a之間。我國學(xué)者根據(jù)我國實際情況認為，長壽命瀝青路面的使用年限應(yīng)大于30 a。

假設(shè)把40 a作為長壽命路面的使用年限，針對這一目標(biāo)，可以以主要承重層與表面功能層的設(shè)計壽命作為長壽命路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的主要控制指標(biāo)。然后針對長壽命瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的具體型式，選用相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來進行驗算、控制其設(shè)計壽命。結(jié)合國外設(shè)計相關(guān)規(guī)定，可以定義長壽命路面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）表面功能層設(shè)計壽命應(yīng)在8 a以上；

（2）主要承重層設(shè)計壽命應(yīng)該達40 a左右。

2 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計要求

2.1 普通瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計要求

2.1.1 適應(yīng)行車荷載的要求

作用在路面上的行車荷載一般包括水平力和垂直力，沿路表深度方向產(chǎn)生的剪應(yīng)力及壓應(yīng)力逐漸衰減。所以，首先要求路面面層具有足夠的抗變形能力和強度，其它各結(jié)構(gòu)層應(yīng)按照剛度和強度自上而下遞減的規(guī)律進行組合，以使結(jié)構(gòu)層充分發(fā)揮其效能。

根據(jù)這種原則，路面結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多，剛度和強度沿深度遞減的規(guī)律越能體現(xiàn)出來。但就路面施工工藝及整體受力而言，層數(shù)又不宜過多，即結(jié)構(gòu)層的厚度不能過小。適宜結(jié)構(gòu)層厚度需要綜合考慮施工工藝、強度要求、工程造價以及材料供應(yīng)等，應(yīng)從上到下由薄到厚。

瀝青路面厚度與瀝青品種和質(zhì)量、交通量以及公路等級有關(guān)，須對這些因素進行綜合考慮，瀝青層厚度的確定須滿足行車荷載的要求。選擇基層、底基層的厚度時應(yīng)考慮材料力學(xué)性能、交通特性和擴散應(yīng)力的效果，并使壓實機具的功能充分發(fā)揮出來且有利于施工。

路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布在很大程度上受到瀝青路面相鄰結(jié)構(gòu)層材料的模量比的影響，是選定適宜結(jié)構(gòu)層材料、合理確定結(jié)構(gòu)層層數(shù)的重要考慮因素。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2006）瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，瀝青面層與基層之間的模量比不宜小于3；底基層與基層之間的模量比不宜小于2.5；土基與底基層之間模量比不宜小于10。

2.1.2 具有良好的穩(wěn)定性

在各種因素的作用下，路面結(jié)構(gòu)須具備良好的穩(wěn)定性。在進行路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計時須保證瀝青路面的水穩(wěn)定性。當(dāng)瀝青路面修筑在中濕和潮濕路段上時，由于瀝青層透氣性能不好，使基層和路基中水份蒸發(fā)的通道被割斷，導(dǎo)致向基層聚積。如果基層材料中含土量較多，特別是土的塑性指數(shù)較大時，遇水則變軟，剛度和強度急劇下降，導(dǎo)致路面開裂破壞。所以瀝青路面的基層通常采用水穩(wěn)定較好的材料，特別是在中濕路段以及潮濕路段尤應(yīng)如此。

在季節(jié)性凍土地區(qū)，當(dāng)路基土為易凍脹土，凍深較大時，經(jīng)常產(chǎn)生翻漿和凍脹。在這種路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)設(shè)置防止翻漿和凍脹的墊層。確定路面總厚度時，應(yīng)同時滿足強度和防凍厚度的要求，以免較厚的聚冰帶出現(xiàn)在路基內(nèi)，防止導(dǎo)致路面開裂的不均勻凍脹的產(chǎn)生。防凍厚度與路基土質(zhì)、路基潮濕類型、路面結(jié)構(gòu)層材料熱物理性質(zhì)以及道路凍深有關(guān)。

在氣候干燥和冰凍地區(qū)地區(qū)，無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料類基層經(jīng)常產(chǎn)生收縮裂縫。如果在其上直接鋪筑瀝青層，會導(dǎo)致面層產(chǎn)生反射裂縫，為了解決這一問題可在其間加設(shè)者優(yōu)質(zhì)瀝青材料層或一層粒料，也可以適當(dāng)增加面層的厚度。

2.2 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合要求

除了滿足普通瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合原則外，長壽命瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合還需要考慮以下三個原則：

（1）滿足長壽命路面設(shè)計指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

借鑒國外長壽命瀝青路面設(shè)計指標(biāo)，瀝青層底的彎拉應(yīng)變應(yīng)小于70με，而基頂?shù)膲簯?yīng)變應(yīng)小于200με。為了滿足長壽命瀝青路面設(shè)計指標(biāo)，瀝青層的厚度與結(jié)構(gòu)層的總體厚度都有一定要求。

（2）結(jié)構(gòu)組合與路面結(jié)構(gòu)類型相匹配

根據(jù)基層的不同，長壽命路面分為半剛性基層長壽命路面與柔性基層長壽命路面。結(jié)構(gòu)類型不同，受力模式及特點不同，結(jié)構(gòu)層的組合要求也不同。對于半剛性基層長壽命瀝青路面而言，由于半剛性基層強度高，模量遠大于瀝青層，各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力應(yīng)變一般均可滿足長壽命路面的設(shè)計要求，因此控制半剛性基層的開裂成為關(guān)鍵問題。從結(jié)構(gòu)組合方面考慮，不僅需要設(shè)置抗疲勞層以提高瀝青路面的抗疲勞性能，而且需要設(shè)置高模量的瀝青層來提高抗剪切變形的能力和減小基頂壓應(yīng)變。另外，需要提高土基的承載能力來減少對瀝青層的要求。

（3）層間結(jié)合盡可能連續(xù)

為了提高瀝青路面整體承載力，必須加強長壽命瀝青路面層間結(jié)合，避免在荷載及高溫作用下產(chǎn)生層間滑移，這是長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。從結(jié)構(gòu)組合來看，基層上應(yīng)設(shè)置透層瀝青，在半剛性基層上應(yīng)設(shè)下封層，瀝青層之間應(yīng)設(shè)置粘層。

3 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計

3.1 設(shè)計方法

隨著交通量和軸載的增加，瀝青路面的諸多設(shè)計方法的局限性也愈加顯化，針對于解決此類問題誕生了基于力學(xué)的長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，運用力學(xué)方法來分析路面結(jié)構(gòu)對氣候和荷載的響應(yīng)。實質(zhì)上，此類設(shè)計方法與我國采用的傳統(tǒng)力學(xué)經(jīng)驗法并無明顯區(qū)別，仍然采用雙圓荷載作用下的層狀彈性理論體系。Monismith和Long1992年在TRB會議上提出了運用力學(xué)方法來分析路面結(jié)構(gòu)對氣候和荷載的響應(yīng)。

3.2 設(shè)計使用年限

基于經(jīng)濟性考慮，路面設(shè)計壽命一般超過30a。各國長壽命瀝青路面設(shè)計年限見表1。從表1中可見不同國家和地區(qū)長壽命路面設(shè)計年限選取標(biāo)準(zhǔn)從20～50 a不等，經(jīng)專家論證北京市長壽命路面設(shè)計年限選擇二者的中值35 a，作為長壽命路面設(shè)計使用年限。

表1 各國長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計年限a

3.3 國道G108長壽命路面示范工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟性，結(jié)合北京實際情況，國道G108長壽命路面采用如下設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計年限：基層35 a，面層12 a。

瀝青層極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)：一般瀝青層小于60με，改性抗疲勞層瀝青混合料小于120με。

對于半剛性基層，應(yīng)力強度比應(yīng)小于0.35。土基頂面壓應(yīng)變：小于200με。

3.4 路面結(jié)構(gòu)厚度計算

試驗段位于起點（南村立交）——奇蘿沱立交，各年交通量預(yù)測結(jié)果見表2。

車型調(diào)查結(jié)果顯示，客車約67%，貨車約33%。貨車中，大貨比例約占37.5%，居各貨車車型之首；拖掛比例也相對較高，約占25.5%；小貨、中貨、大貨、拖掛比例分別為17.5%，18.5%，37.5%，25.5%，重車（大貨和拖掛車）約占總交通量的21%。這表明區(qū)域大型車比例相當(dāng)高，長途過境車輛較多，貨運相對較發(fā)達。

表2 各年交通量預(yù)測結(jié)果 veh/d

國道108與京港澳（京石）高速作為北京市西南部通道，其車輛軸載譜的分布具有一定的可借鑒性。根據(jù)北京市首都公路發(fā)展有限公司2010年11月份京港澳(京石)高速大型車軸載調(diào)查成果，車輛的最大軸重達到了322 kN，見表3。若以此作為半剛性路面的設(shè)計荷載，顯然過于保守。

表3 京港澳高速公路最大軸重調(diào)查表

由圖1可以看出約95%軸重在150 kN以下，同時考慮到本工程起點將來會設(shè)置檢查站，因此，本次取150 kN軸載作為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計軸載。

圖1 京港澳高速公路貨車軸載超載率分布

采用我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計程序和Shell的瀝青路面計算程序Bisa3.0分別進行了計算，計算一致，結(jié)果見表4。

表4 組合路而結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

4 結(jié)語

長壽命瀝青路面是我國高速公路發(fā)展的趨勢，在路面設(shè)計中，應(yīng)該從路基、基層、面層等方面共同入手，采用合理的結(jié)構(gòu)形式和材料，延長其使用壽命，使其符合長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。