長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉帥

摘 要：伴隨城市交通量的飛速增長(zhǎng)，加之車(chē)輛的嚴(yán)重超載現(xiàn)象，導(dǎo)致我國(guó)部分道路在早期運(yùn)營(yíng)時(shí)就出現(xiàn)嚴(yán)重的路面損壞。因此，如何提高路面的使用壽命，一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)方向。本文總結(jié)了長(zhǎng)壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理論，提出了相對(duì)應(yīng)的控制指標(biāo)，合理推薦了組合式長(zhǎng)壽命典型瀝青路面結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)壽命路面;早期破壞;路面結(jié)構(gòu)方案

1 長(zhǎng)壽命瀝青路面概述

長(zhǎng)壽命瀝青路面的概念最早起源于歐洲，指對(duì)路面進(jìn)行簡(jiǎn)單維修后，路面使用壽命延長(zhǎng)至40年，隨后，美國(guó)提出永久性路面概念，即路面的使用壽命可達(dá)50年，且在使用年限內(nèi)，主要結(jié)構(gòu)層不會(huì)發(fā)生損壞，只需對(duì)表面層的病害進(jìn)行簡(jiǎn)單維修[1]。

長(zhǎng)壽命道路的設(shè)計(jì)使用年限國(guó)內(nèi)外各不相同，各國(guó)對(duì)長(zhǎng)壽命路面的設(shè)計(jì)使用年限如表1。綜合國(guó)內(nèi)外的研究，長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)年限為40年是一個(gè)適中的年限，能夠使路面達(dá)到“長(zhǎng)壽命”[2]。

2 長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層位分工理論

路面結(jié)構(gòu)在承受車(chē)輛行車(chē)荷載影響的同時(shí)也承受各種自然因素的影響，各種影響因素隨著路面結(jié)構(gòu)的深度增加而不斷變化[3]。由瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，路面荷載作用下垂直應(yīng)力隨著路面結(jié)構(gòu)深度的增大而變小，水平拉應(yīng)力為表面受壓和底面受拉（圖1），剪切應(yīng)力則隨結(jié)構(gòu)深度先增大后減小。

為了適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)層的力學(xué)特性要求，路面結(jié)構(gòu)是分層鋪筑;按照結(jié)構(gòu)層力學(xué)特性和自然因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響程度的大小，一般將其分成面層、基層、底基層和功能層等不同結(jié)構(gòu)層。

面層是直接暴露在環(huán)境中的路面表層，其不僅要承受行車(chē)荷載在縱橫方向的反復(fù)作用，同時(shí)還受到氣溫和雨水的作用。

基層是位于面層之下，承擔(dān)著由面層傳遞過(guò)來(lái)的行車(chē)荷載作用，并將其垂直力擴(kuò)散到底下的墊層和土基中，同時(shí)也要承受拉應(yīng)力作用并擁有較好的耐久性。

基層下按需設(shè)置底基層，其在反復(fù)作用的行車(chē)荷載下，主要負(fù)責(zé)傳遞和擴(kuò)散由基層來(lái)的較低的應(yīng)力。

功能層則是為使面層及基層免受路基水溫變化所造成的不良影響。

3 長(zhǎng)壽命瀝青路面早期破損類型及機(jī)理

當(dāng)今，我國(guó)部分道路的使用壽命無(wú)法達(dá)到瀝青路面的設(shè)計(jì)壽命（10～15年）。通過(guò)調(diào)查，將瀝青路面結(jié)構(gòu)的早期破損類型總結(jié)為裂縫、車(chē)轍和水損害性坑槽三類[4]。

3.1 裂縫

橫向裂縫，其一是由于行車(chē)荷載引起的面層拉應(yīng)力（拉應(yīng)變）超過(guò)其疲勞強(qiáng)度（應(yīng)變）而產(chǎn)生的荷載型裂縫。其二主要為面層收縮開(kāi)裂和基層反射裂縫的非荷載型裂縫。

縱向裂縫，一是因面層分?jǐn)偸┕r(shí)在路幅接茬處未處理好，導(dǎo)致的開(kāi)裂。二是因施工路基壓實(shí)不均勻、壓實(shí)度不足或存在雨水侵蝕而產(chǎn)生開(kāi)裂。三是行車(chē)荷載在輪帶邊緣引起的疲勞開(kāi)裂。

網(wǎng)狀裂縫是由于荷載反復(fù)作用致使材料疲勞或雨水侵入已形成的縱、橫裂縫中，進(jìn)一步加劇裂縫擴(kuò)散。

3.2 車(chē)轍

失穩(wěn)型車(chē)轍，由于路面結(jié)構(gòu)在行車(chē)作用下產(chǎn)生錯(cuò)位活動(dòng)，發(fā)生相對(duì)位移。結(jié)構(gòu)型車(chē)轍，是在行車(chē)反復(fù)作用下，路基出現(xiàn)的變形反射至面層致使的永久變形。磨耗型車(chē)轍，只要為結(jié)構(gòu)在輪胎的反復(fù)磨耗以及在高溫雨水等作用下，面層材料不斷損失而形成。

3.3 水損害坑槽

水損害主要是由于在車(chē)輛荷載和凍融循環(huán)反復(fù)作用下，雨水不斷滲入結(jié)構(gòu)層中，集料表面對(duì)水的吸附力遠(yuǎn)大于對(duì)瀝青，從而集料與瀝青的接觸面變小，造成瀝青從集料表面剝落。

4 長(zhǎng)壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取

國(guó)內(nèi)外對(duì)長(zhǎng)壽命路面在設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)指標(biāo)的容許值方面還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，尚有爭(zhēng)論[5]。正確合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)關(guān)乎到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的成功與否，同時(shí)也關(guān)乎到路面使用性能的完整性。因此，我們應(yīng)“對(duì)癥下藥”，在根本設(shè)計(jì)上避免產(chǎn)生早期破壞，使路面達(dá)到長(zhǎng)壽。

路表彎沉：指的是在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，路面結(jié)構(gòu)在豎直方向的發(fā)生的總位移。路表彎沉值可反映結(jié)構(gòu)的整體剛度，但并不能完全綜合反映。雖然新規(guī)范中這一指標(biāo)取消，但為了可以直觀反映路面性能，依舊選用了此指標(biāo)。

瀝青層層底拉應(yīng)變：為了使路面結(jié)構(gòu)層不達(dá)到材料的疲勞極限，盡可能不讓裂縫產(chǎn)生。提出的拉應(yīng)變控制指標(biāo)，就能更好地反映瀝青混凝土的疲勞特性，有效避免疲勞開(kāi)裂。

半剛性基層層底拉應(yīng)力：反射裂縫是半剛性基層的瀝青路面最嚴(yán)重的損害形式。半剛性基層層底拉應(yīng)力很好的反映了基層具有的強(qiáng)度和承載力。

瀝青面層豎向壓應(yīng)力：路面結(jié)構(gòu)承受著不斷交替的拉壓應(yīng)力，極易產(chǎn)生疲勞破壞。垂直方向的各結(jié)構(gòu)層，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在瀝青結(jié)構(gòu)面層，瀝青面層豎向壓應(yīng)力作為控制指標(biāo)，可有效增加結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命。

路基頂面豎向壓應(yīng)變：在行車(chē)荷載反復(fù)作用下，路基結(jié)構(gòu)的豎向抗變形能力及面層抗剪切變形能力不足，致使結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形（即車(chē)轍）。因此，采用路基頂面壓應(yīng)變控制指標(biāo)加以控制，達(dá)到“穩(wěn)路基”的設(shè)計(jì)理念。

5 長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

5.1 長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)理論

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在長(zhǎng)壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)中處于舉足輕重的地位，“長(zhǎng)壽命”的實(shí)現(xiàn)需要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，因此，長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)組合須遵守基本的原則[6]。

5.1.1 穩(wěn)路基

我國(guó)道路設(shè)計(jì)一直秉承“強(qiáng)基、薄面、穩(wěn)路基”的設(shè)計(jì)理念，良好的路基承載力是路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有力保障。更高的路基穩(wěn)定性也是長(zhǎng)壽命路面必不可少的。

5.1.2 優(yōu)異的材料性能

材料性能的優(yōu)異是保證結(jié)構(gòu)層擁有較好強(qiáng)度、剛度和道路性能的必要基礎(chǔ)。因此，確保道路性能長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是材料性能的優(yōu)異。

5.1.3 適合的結(jié)構(gòu)層厚度

過(guò)去因國(guó)情需要，我國(guó)路面厚度一直以“薄面”為主，但從使用壽命上看，較厚的面層可抵抗各種破壞，保證破壞僅發(fā)生在表面層，只需后期簡(jiǎn)單維修養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)路面的使用壽命。但過(guò)厚路面不經(jīng)濟(jì)，所以在設(shè)計(jì)的要平衡各方面。

5.1.4 較低的層底應(yīng)力

為保證結(jié)構(gòu)層的承載能力，各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力應(yīng)保持在較低的水平，使結(jié)構(gòu)層的抗裂性能較好，很大程度上避免結(jié)構(gòu)性損壞的發(fā)生，從而延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

5.1.5 合理的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)應(yīng)滿足層位分工理論，充分將各結(jié)構(gòu)層功能與整體結(jié)構(gòu)性能相結(jié)合，合理進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

5.1.6 考慮排水問(wèn)題

水損害是瀝青路面破壞的重要形式，在長(zhǎng)壽命道路設(shè)計(jì)時(shí)，有效的路面排水系統(tǒng)設(shè)施是必不可少的，有效降低路基路面的水損害。

5.2 長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)推薦

對(duì)比國(guó)內(nèi)長(zhǎng)壽命瀝青路面各試驗(yàn)路段，現(xiàn)推薦組合式基層長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，如圖2。結(jié)構(gòu)不僅能達(dá)到長(zhǎng)壽命路面的要求，而且相對(duì)費(fèi)用較低，十分經(jīng)濟(jì)。在受力上剛?cè)岵?jì)、十分合理，同時(shí)鋪筑柔性基層可有效防止反射裂縫的產(chǎn)生。

6 結(jié)論

長(zhǎng)壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)“對(duì)癥下藥”，采用相對(duì)應(yīng)的控制指標(biāo)從根本設(shè)計(jì)上避免這些破壞。科學(xué)合理的長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，須遵循一定的原則，同時(shí)根據(jù)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)特點(diǎn)，推薦合理的組合式長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)形式。

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（2）：38-40+70.