長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

劉家祥

摘要 為探索適合我國公路運(yùn)行實(shí)際的長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)思路，在借鑒和闡述長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，文章以某處于高溫多雨地區(qū)的病害高速公路為例，對長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)及初始厚度計(jì)算、路面材料參數(shù)值擬定、基層抗疲勞性能的檢驗(yàn)等展開分析探討。結(jié)果表明，長壽命瀝青路面主要通過增大路面厚度，以降低瀝青層底拉應(yīng)變，基層、路基頂面壓應(yīng)變，進(jìn)而使瀝青路面使用壽命延長至40年以上，期間只需間隔10～15年實(shí)施養(yǎng)護(hù)，就其全壽命工程造價(jià)及社會(huì)效益而言，顯然優(yōu)于普通瀝青路面。

關(guān)鍵詞 長壽命瀝青路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；車轍；養(yǎng)護(hù)

中圖分類號 U416.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B文章編號 2096-8949（2023）10-0114-03

0 引言

長壽命瀝青路面屬于高性能柔性路面，其并非普通柔性路面的簡單改造和升級，而是在保證足夠厚度的基礎(chǔ)上，將病害局限在路面表層，在每間隔10～15年展開表面修復(fù)，避免病害向下延伸，確保瀝青路面在40年以上的設(shè)計(jì)年限內(nèi)不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞。長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理念將瀝青混合料組成和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來，可有效克服目前兩方面脫鉤的問題。其路面使用壽命足夠長，路用性能良好，性價(jià)比較高，也越來越受到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注和重視。該文依托公路實(shí)際，對長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)，試圖徹底扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)瀝青路面未充分考慮荷載條件及環(huán)境變化對結(jié)構(gòu)受力影響的局面，為我國長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)及建設(shè)提供參考借鑒。

1 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)

與其余路面設(shè)計(jì)方法一樣，長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)必須先根據(jù)路面破壞形式擬定出相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)。結(jié)合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）及類似工程經(jīng)驗(yàn)，將長壽命路面破壞形式分成車轍、表面裂縫和底部疲勞裂縫3種[1]。

1.1 車轍

路面結(jié)構(gòu)層永久變形，路基、基層及面層永久變形等均會(huì)引發(fā)車轍病害。根據(jù)相關(guān)研究，車轍的發(fā)生與面層厚度有直接關(guān)系，當(dāng)面層厚度在18 cm以上時(shí)，車轍主要來源于面層內(nèi)部；而當(dāng)面層厚度不足18 cm時(shí)，車轍則主要源自路基變形。

根據(jù)引發(fā)車轍的原因，可將長壽命路面車轍分為面層永久變形引發(fā)的車轍和面層以下結(jié)構(gòu)層變形引發(fā)的車轍兩類。前者一般影響的是路表功能，對路面結(jié)構(gòu)性無較大影響，通過表面處理即可修復(fù)。后者主要因路基和基層變形而引起，存在較大的修復(fù)難度，發(fā)展至一定程度后必將引發(fā)路面結(jié)構(gòu)性破壞。

長壽命瀝青路面應(yīng)以基層和路基頂面豎向壓應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)以確保路面強(qiáng)度，避免結(jié)構(gòu)層豎向變形過大。具體而言，路基頂面豎向應(yīng)變應(yīng)不超出200 με，基層頂面豎向應(yīng)變應(yīng)根據(jù)材料確定和調(diào)整。

1.2 表面裂縫

瀝青面層表面出現(xiàn)裂縫后會(huì)持續(xù)向下發(fā)展，且主要為縱向裂縫，大多發(fā)生在輪跡帶兩側(cè)。表面裂縫是柔性路面結(jié)構(gòu)的主要破壞形式。當(dāng)前，柔性路面設(shè)計(jì)模型及相關(guān)研究成果均無法對表面裂縫形成機(jī)理做出合理解釋，只是認(rèn)為，表面裂縫的形成主要與行車荷載反復(fù)作用、溫度、表層瀝青老化等有關(guān)。行車荷載水平及豎向應(yīng)力作用后會(huì)向?yàn)r青路面表層施加拉應(yīng)變與剪切應(yīng)變，最終導(dǎo)致路表開裂。該文認(rèn)為，車轍也是引發(fā)路面裂縫的重要原因，路面變形后車轍處路表持續(xù)下降，進(jìn)而形成較大的豎向高差，中間過渡區(qū)拉應(yīng)變及剪切應(yīng)變持續(xù)增大，超出瀝青混合料極限抗變形能力后相應(yīng)路表處便發(fā)生裂縫[2]。

1.3 底部疲勞裂縫

受到行車荷載反復(fù)作用后，拉應(yīng)力主要由面層和瀝青碎石基層底部承擔(dān)，一旦底部發(fā)生疲勞開裂，便會(huì)引發(fā)路面結(jié)構(gòu)性破壞。為此，《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）以結(jié)構(gòu)層底部拉應(yīng)力為高等級公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。也就是說，傳統(tǒng)柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要以結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)變或拉應(yīng)力為控制指標(biāo)，且認(rèn)為指標(biāo)與混合料疲勞壽命之間存在Nf=nσ?k或Nf=nε?k關(guān)系，式中，Nf ——瀝青混合料疲勞壽命；n、k——系數(shù)；σ、ε——疲勞應(yīng)力和疲勞應(yīng)變。根據(jù)瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限中的累計(jì)軸載求出Nf值，將該值代入以上關(guān)系公式，所推求出的σ、ε值即為容許拉應(yīng)力和容許拉應(yīng)變，據(jù)此展開瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度的確定。

按照這一思路，柔性路面在經(jīng)歷反復(fù)交通荷載作用后必然出現(xiàn)疲勞裂縫。但通過筆者對一些施工質(zhì)量較高的大厚度面層柔性路面的調(diào)查看出，其運(yùn)行數(shù)年后并無明顯疲勞裂縫出現(xiàn)。結(jié)合彈性層狀體系理論，隨著面層厚度的增大，結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)變持續(xù)減小，瀝青面層或碎石基層能承受較大荷載且不發(fā)生破壞。也就是說，當(dāng)瀝青混合料疲勞應(yīng)變不超出其“應(yīng)變下限”時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部疲勞損壞不累積，只要將結(jié)構(gòu)層應(yīng)變控制在該下限值以下，則路面即使承受反復(fù)荷載作用，也不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。

以上彈性層狀體系理論及瀝青混合料“應(yīng)變下限”理論是長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。為避免結(jié)構(gòu)層疲勞裂縫的發(fā)生，長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)階段必須將層底拉應(yīng)變控制在“應(yīng)變下限”以下[3]。結(jié)合類似工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，“應(yīng)變下限”主要取決于瀝青混合料性質(zhì)、類型、施工技術(shù)水平及施工工藝等，聚合物改性瀝青混合料和普通瀝青混合料“應(yīng)變下限”可分別達(dá)到300 με和70 με。結(jié)合國外控制標(biāo)準(zhǔn)，路基頂面垂直壓應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)隨材料的變化而變化，我國長壽命瀝青路面土基頂面垂直壓應(yīng)變應(yīng)不超出200 με，粒料類路基頂面垂直壓應(yīng)變則應(yīng)結(jié)合具體情況確定。

2 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 工程概況

某高速公路所在地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，地形如盆地，在夏季城市熱島效應(yīng)及伏旱時(shí)副高控制下，溫度最高可達(dá)到40 ℃，且高溫季節(jié)持續(xù)時(shí)間長。通過紅外線溫度儀實(shí)際測得的地表溫度最高達(dá)69 ℃。該公路普通瀝青路面設(shè)計(jì)使用壽命為10～15年，但是在重載交通反復(fù)荷載作用及高溫、多雨環(huán)境下，瀝青路面在運(yùn)行后的5年內(nèi)便出現(xiàn)病害，在增大養(yǎng)護(hù)處治工程量的同時(shí)，十分不利于公路服務(wù)性能的全面提升。為此，必須通過深入研究長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)思路，對常見病害展開全面統(tǒng)計(jì)，剖析原因，延遲早期病害的出現(xiàn)，達(dá)到長壽命路面要求。

2.2 路面結(jié)構(gòu)及初始厚度

當(dāng)前，國外較為成功的長壽命瀝青路面主要有全柔性瀝青路面和瀝青碎石基層加粒料穩(wěn)定基層結(jié)構(gòu)兩種類型，瀝青層厚度均較大。結(jié)合國內(nèi)情況及該公路實(shí)際，推薦采用瀝青碎石基層加粒料穩(wěn)定基層結(jié)構(gòu)，同時(shí)加大瀝青碎石基層厚度；底基層則使用低劑量水穩(wěn)碎石，以增強(qiáng)路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化底基層水穩(wěn)性。按照該思路所確定出的長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層為SMA-13改性瀝青上面層、Sup20中粒式改性瀝青中間層、LSM-25粗粒式瀝青碎石+低劑量水穩(wěn)碎石基層、土基。

為展開各結(jié)構(gòu)層厚度對長壽命瀝青路面路用性能影響的分析，該文擬定出3種不同方案，以確定適合公路工程實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)形式。具體見表1。

2.3 力學(xué)模型

2.3.1 計(jì)算過程

應(yīng)用彈性層狀體系展開長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及層厚計(jì)算，各層間均為連續(xù)狀態(tài)，以現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載為設(shè)計(jì)軸載[4]。計(jì)算點(diǎn)的設(shè)置情況見圖1，以各計(jì)算點(diǎn)中最大值為計(jì)算結(jié)果。

以瀝青混合料層底拉應(yīng)變與土基頂面壓應(yīng)變?yōu)橹饕O(shè)計(jì)指標(biāo)。該公路瀝青路面LSM-25粗粒式瀝青碎石層疲勞極限按70 με取值，SMA-13改性瀝青上面層和Sup20中粒式改性瀝青中間層全部采用SBS改性瀝青，疲勞極限均按100 με取值；土基頂面豎向壓應(yīng)變則按200 με確定。

按照長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)思路，應(yīng)以最不利工況確定材料參數(shù)。為降低參數(shù)取值對設(shè)計(jì)結(jié)果的不利影響，項(xiàng)目組針對不同參數(shù)取值在試驗(yàn)段展開性能試驗(yàn)，以確定出相對合理的參數(shù)值，具體見表2。其中，石灰土模量實(shí)測值在300 MPa以上，由于試驗(yàn)段路堤填土高度高，灰土層全部位于路面標(biāo)高以上，基本無地下水影響。故在考慮安全系數(shù)后，將石灰土模量降低至180 MPa。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)思路所得到的該瀝青路面結(jié)構(gòu)層底水平拉應(yīng)變及頂面豎向壓應(yīng)變值見表3，根據(jù)表中結(jié)果，3種方案路面結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)。在考慮瀝青路面超載的情況下，展開路面使用壽命驗(yàn)算，結(jié)果見表4。其中超載數(shù)據(jù)主要來自公路所在省高速公路調(diào)查結(jié)果。表中結(jié)果為設(shè)計(jì)車道交通量，該公路長壽命瀝青路面試驗(yàn)段為雙向六車道設(shè)計(jì)，按照0.35的車道系數(shù)換算為雙向斷面交通量，則方案1為15 941/0.35=45 545×104輛；方案2為15 578/0.35=44 508×104輛；方案3為16 729/0.35=47 797

×104輛。根據(jù)當(dāng)前工可階段所預(yù)測的該公路交通量規(guī)模，3種方案下瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命均能達(dá)到40年以上，故3種路面結(jié)構(gòu)均屬于長壽命瀝青路面。

2.4 瀝青混合料組成

該長壽命瀝青路面采用LSM-25粗粒式瀝青碎石+低劑量水穩(wěn)碎石混合式基層結(jié)構(gòu)，其瀝青碎石基層為抗疲勞層。為檢驗(yàn)該上基層抗疲勞性能，在混合料設(shè)計(jì)階段，分別以70 με、100 με、200 με、400 με的應(yīng)變水平展開瀝青碎石基層疲勞試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在較低應(yīng)變水平下LSM-25粗粒式瀝青混合料存在“疲勞極限”，也進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)理論的準(zhǔn)確性。這也說明，該長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)中瀝青層底拉應(yīng)變按照70 με取值切合實(shí)際。

為抵抗行車荷載的反復(fù)作用，中面層必須具備較高的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力及足夠的抗車轍性能。為此，該公路試驗(yàn)段采用Sup20中粒式改性瀝青中面層，也就是采用PG76-22改性瀝青膠結(jié)料，并按照Superpave方法展開混合料設(shè)計(jì)及施工。

長壽命瀝青路面上面層必須具備較好的抗滑、抗車轍、抗疲勞及抗磨耗性能，為此，試驗(yàn)段瀝青路面采用SMA-13改性瀝青上面層，并使用PG76-22等級的SBS改性瀝青及嵌擠型骨料結(jié)構(gòu)，以提升瀝青混合料強(qiáng)度及抗變形性能。

3 應(yīng)用效果

按照以上設(shè)計(jì)思路，對該高速公路長壽命瀝青路面試驗(yàn)段展開試鋪。為驗(yàn)證長壽命瀝青路面抗重載交通性能，將試驗(yàn)段設(shè)置在公路全線預(yù)計(jì)交通量最大的路段。試驗(yàn)段樁號為K440+210～K444+010，段落長3.8 km，并分段展開3種方案試驗(yàn)。試驗(yàn)段LSM-25粗粒式瀝青碎石基層及低劑量水穩(wěn)碎石基層鋪筑任務(wù)于2016年底完成，Sup20中粒式改性瀝青中間層及SMA-13改性瀝青上面層于2017年初展開施工，當(dāng)年8月全部完成。

試驗(yàn)段完工后對各層混合料結(jié)構(gòu)展開試驗(yàn)，并對長壽命瀝青路面壓實(shí)度、彎沉值、滲水系數(shù)等展開檢測，驗(yàn)證了其具備較好的高溫穩(wěn)定性、低溫開裂性和抗水損性。試驗(yàn)路段運(yùn)行至今已逾5年，表現(xiàn)出較好的路用性能，且無病害出現(xiàn)。

4 結(jié)語

綜上所述，長壽命瀝青路面是高性能柔性路面，在設(shè)計(jì)思路、技術(shù)要求、路面結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)方式等方面均與常規(guī)柔性路面存在較大差異。通過增大路面厚度，降低瀝青層底部拉應(yīng)變以及基層、路基頂面壓應(yīng)變，從而將病害控制在路表層，確保路面結(jié)構(gòu)在至少40年的使用年限內(nèi)不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞。該公路試驗(yàn)段3種路面結(jié)構(gòu)方案成功應(yīng)用后，路面施工質(zhì)量及運(yùn)行狀況良好，路面結(jié)構(gòu)方案也在該公路其余路段得到推廣應(yīng)用，豐富了長壽命瀝青路面在我國公路工程實(shí)踐中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

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