長壽命瀝青路面設(shè)計方法研究

摘要 為了提高瀝青路面的使用性能和使用年限，文章首先對瀝青路面進行了損壞分析，歸納了面層底部拉應(yīng)變、基層底部拉應(yīng)力、面層抗剪性能及基層頂部的壓應(yīng)變等長壽命瀝青路面的設(shè)計指標；然后，闡述了長壽命瀝青路面設(shè)計方法中結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計的相關(guān)要求；最后，根據(jù)具體工程實例從長壽命路面結(jié)構(gòu)組合、材料選擇等方面進行了探討，并進行了試驗驗證，以期提高我國長壽命瀝青路面的建設(shè)水平。

關(guān)鍵詞 長壽命；瀝青路面；設(shè)計方法

中圖分類號 U416.21 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0108-03

0 引言

瀝青路面具有養(yǎng)護方便、無接縫和行駛舒適性好等優(yōu)點，在我國公路建設(shè)中成為應(yīng)用最為廣泛的路面結(jié)構(gòu)形式。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，持續(xù)增長的交通量和交通荷載對路面設(shè)計提出了更高要求，原有的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已無法適應(yīng)新的需求，導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生病害的概率大大增加，具有病害嚴重、范圍大、時間早等特點[1]。因此，如何延長瀝青路面的使用年限、降低路面病害的嚴重程度逐漸引起道路相關(guān)人員的關(guān)注。長壽命瀝青路面是指對瀝青路面設(shè)計、建設(shè)及運營養(yǎng)護等全壽命周期進行優(yōu)化設(shè)計。與常規(guī)高速公路瀝青路面設(shè)計壽命15年相比，長壽命瀝青路面的設(shè)計壽命更長，一般大于40年。在長壽命瀝青路面設(shè)計的使用年限內(nèi)，應(yīng)確保路面的基層不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，僅進行路面的功能性修復(fù)即可。長壽命瀝青路面可以很好地解決目前常規(guī)瀝青出現(xiàn)早期病害嚴重的問題。該文對瀝青路面的損壞進行探討，研究長壽命瀝青路面的設(shè)計指標，確定設(shè)計方法，并結(jié)合具體工程實例對長壽命瀝青路面的設(shè)計進行具體分析，旨在為同類項目提供參考。

1 瀝青路面損壞分析

瀝青路面的損壞形式眾多，可將其分為功能性破壞和結(jié)構(gòu)性破壞[2]。結(jié)構(gòu)性破壞主要包括路基永久變形、裂縫、唧漿等，而功能性破壞是指路面的抗滑性、平整性不足，主要包括車轍、松散、磨光等。不同損壞之間存在著內(nèi)在聯(lián)系及相互作用，比如路面出現(xiàn)裂縫病害后會加速水損害，而水損害同時會降低路面的整體強度，導(dǎo)致裂縫病害進一步加重。當前期路面結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，路面的結(jié)構(gòu)性破壞也會引起路面的功能性破壞。

長壽命瀝青路面具有在使用年限內(nèi)路面不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞的特點，道路管理人員通過定期養(yǎng)護、維修就可保證路面的功能性良好。但在后期道路運營階段，如果未對路面進行及時養(yǎng)護，未對出現(xiàn)的功能性破壞進行及時修復(fù)，路面的質(zhì)量會下降，可能引起路面的結(jié)構(gòu)性破壞。在設(shè)計長壽命瀝青路面時，應(yīng)重點考慮瀝青混合料的優(yōu)化設(shè)計及施工質(zhì)量，降低道路運營前期出現(xiàn)車轍及水損害的概率[3]。在瀝青混合料設(shè)計中，為保證路面具有良好的高溫穩(wěn)定性，混合料應(yīng)具有堅實的骨架結(jié)構(gòu)，增強集料的嵌擠力，避免集料受高溫狀態(tài)下瀝青變形的影響。提高路面的水穩(wěn)定性需要瀝青混合料具有較好的密實性，避免水分進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此混合料中細集料和瀝青的占比應(yīng)較大。骨架密實結(jié)構(gòu)具有較小的孔隙和堅實的骨架結(jié)構(gòu)，可充分保障路面的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，在施工時應(yīng)嚴格根據(jù)設(shè)計要求控制混合料的離析和壓實度。

2 長壽命瀝青路面設(shè)計指標確定

瀝青路面結(jié)構(gòu)由層狀體系組成，不同層之間的相互作用較為復(fù)雜。目前設(shè)計指標通常采用路表彎沉，并對路面底部拉應(yīng)力進行驗算。國外將路基頂部的壓應(yīng)變和面層底部的拉應(yīng)變作為設(shè)計指標，車轍主要受壓應(yīng)變的影響，而面層的疲勞破壞則受拉應(yīng)變的影響[4]。我國多數(shù)瀝青路面采用半剛性基層，該文將基層底部的拉應(yīng)力和面層底部的拉應(yīng)變作為設(shè)計指標，將基層頂部的壓應(yīng)變和面層的抗剪性能作為驗算指標。

（1）面層底部拉應(yīng)變

在進行瀝青路面面層疲勞開裂損壞分析時，通常采用面層底部的拉應(yīng)力進行驗算，材料的容許拉應(yīng)力應(yīng)小于面層底部受到的最大拉應(yīng)力。但是，瀝青路面面層的疲勞壽命受拉應(yīng)變的影響更大，采用拉應(yīng)變更能反映材料的疲勞特性[5]。因此，該文采用面層底部的拉應(yīng)變作為瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計的力學設(shè)計指標，在設(shè)計時，材料的疲勞壽命Nf的計算如式（1）所示。

式中：Nf——實際疲勞壽命；Nl——室內(nèi)試驗疲勞壽命；TCF——溫度修正系數(shù)；SF——修正系數(shù)，受施工變異性、裂縫發(fā)展等因素的影響。

（2）基層底部拉應(yīng)力

基層材料的破壞模式主要有兩種，分別為壓碎破壞和疲勞破壞。在材料性能檢測中通常已對壓碎破壞進行了驗證，基本不會出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)中。半剛性基層材料的脆性相對較大，在外部荷載的作用下會出現(xiàn)疲勞破壞。因此，為了避免基層底面出現(xiàn)開裂破壞，采用基層底部拉應(yīng)力作為控制指標。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，選用材料的容許應(yīng)力應(yīng)大于基層底部受到的拉應(yīng)力?；鶎拥撞坷瓚?yīng)力σ的計算如式（2）所示。

式中：σ——容許拉應(yīng)力（MPa）；σS——極限劈裂強度（MPa）；K——抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

（3）面層抗剪性能

在進行長壽命瀝青路面設(shè)計中，除了選用面層底部拉應(yīng)變和基層底部拉應(yīng)力控制路面材料的性能以保證路面的使用年限外，為了避免瀝青路面表面層在運營早期出現(xiàn)局部損壞，應(yīng)增加抗剪性能檢測指標以保證路面材料具有良好性能。瀝青混合料的抗剪強度應(yīng)大于路面受外部荷載所引起的最大剪應(yīng)力?？辜魪姸扔嬎闳缡剑?）所示。

式中：τR——容許剪應(yīng)力（MPa）；c——路面材料的黏聚力（MPa）；α——內(nèi)摩擦角（°）；σR——破壞面的正應(yīng)力（MPa）；K——抗剪強度系數(shù)。

（4）基層頂部的壓應(yīng)變

瀝青路面的作用是保護路基不直接承受外部荷載，通過面層的應(yīng)力分散作用保證路基不會出現(xiàn)較大的沉降。因此，在路面設(shè)計理念中，基層頂部的應(yīng)力和垂直位移是重要的控制指標。在之前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往將強度指標放在首位。但在現(xiàn)代公路路面設(shè)計中，為了保障道路的功能性將變形作為第一設(shè)計指標。路面開裂和車轍是進行路面設(shè)計時需重點考慮的指標?？刂泼鎸拥撞康睦瓚?yīng)變和基層底部拉應(yīng)力可以很好地保證路面的結(jié)構(gòu)強度滿足要求，減少路面出現(xiàn)開裂的可能性。車轍的深度控制目前并無較好的計算方法，如果車轍僅出現(xiàn)在路面表面層，僅需進行罩面設(shè)計就可以保證路面結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定。但是對于路面各結(jié)構(gòu)層累積變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性車轍，其車轍深度主要受路基永久變形的影響，在施工時應(yīng)嚴格控制路面的壓實度。因此，在路面設(shè)計時應(yīng)將基層頂部的壓應(yīng)變作為控制路面變形的指標。

3 長壽命瀝青路面設(shè)計方法

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計

長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)為彈性層狀體系理論，即土基在水平和豎直方向均是無限；不同層的材料均具有均勻性和各向同性；路層表面受到水平和豎直的荷載作用；無窮遠處水平方向和豎直方向的應(yīng)力、應(yīng)變和位移均為零；不同結(jié)構(gòu)層之間存在相對水平位移、完全滑動和連續(xù)等三種情形。在長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，為了確保瀝青路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和使用年限，需對目前通用的雙圓均布垂直荷載計算模型進行優(yōu)化，以更好地模擬路面荷載的作用形式，客觀反映路面的真實受力狀態(tài)。當車輛荷載和路面結(jié)構(gòu)完全相同時，不同的輪載作用力和分布形式導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的受力情況也大相徑庭，特別在車輛附近作用面的受力狀態(tài)會有明顯差異。因此，為了確保路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學合理，對于車輪實際的接地壓力大小和分布形式應(yīng)予以重點考慮。

（2）路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計

長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)材料應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)層的功能進行合理選擇。長壽命瀝青路面的損壞僅出現(xiàn)在瀝青面層，因此瀝青面層需具備良好的穩(wěn)定性和較高的強度，避免在道路運營階段受到外部車輛荷載作用而出現(xiàn)變形現(xiàn)象。瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料的選用、配合比設(shè)計及性能試驗應(yīng)進行針對性考慮。結(jié)構(gòu)層材料的設(shè)計方法應(yīng)以路面損壞機理為基礎(chǔ)，根據(jù)路面的實際使用性能進行設(shè)計。材料的強度和剛度需根據(jù)不同結(jié)構(gòu)層的功能要求進行優(yōu)化。根據(jù)前文分析，長壽命瀝青路面不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，所以瀝青路面的基層和墊層應(yīng)具有較高的強度，同時應(yīng)重點考慮材料的抗剪能力、抗疲勞特性及良好的溫縮和干縮性能。

4 工程實例

4.1 工程概況

某一級公路，路面寬度為21 m，路線起訖樁號為K10+000～K38+050，路線全長28.05 m。道路存在填挖現(xiàn)象，起伏較大。項目區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，夏季炎熱，年平均氣溫為16.8℃；冬季寒冷，一月氣溫最低，平均氣溫為2.5℃。該項目選取K20+100～K21+100路段作為試驗路段。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該路段車流量較大，重載車輛占據(jù)較大比重，路面損壞較為嚴重。

4.2 重載車輛對瀝青路面的影響

相關(guān)研究表明，路面內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)與車輛軸載成非線性關(guān)系，軸載越大，對路面的影響越嚴重。由于影響輪壓的因素眾多，參考實際調(diào)查結(jié)果，該文選取0.7 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa和1.3 MPa的軸載對瀝青層的疲勞開裂壽命進行研究。瀝青層疲勞開裂壽命與軸載的關(guān)系如圖1所示：

從圖1可以看出，在重載交通下，瀝青層疲勞開裂壽命與軸載大小成負相關(guān)關(guān)系，且下降趨勢明顯。

4.3 長壽命路面設(shè)計

根據(jù)前文分析，該文選用的路面結(jié)構(gòu)層如表1所示。基層主要可分為兩部分，上基層選用與瀝青混凝土同樣的密級配瀝青穩(wěn)定碎石，與傳統(tǒng)基層相比，該結(jié)構(gòu)不僅排水能力和水穩(wěn)性更好，而且基層和面層可以直接進行更好的黏結(jié)，使得各層之間的應(yīng)力減少，降低裂縫出現(xiàn)的概率。半剛性底基層保證了路面整體的穩(wěn)定性，路面的承載力和強度較好。

該項目瀝青路面結(jié)構(gòu)在高溫重載和標準荷載作用下的各指標值如表2所示：

由表2可以看出，選用的路面結(jié)構(gòu)在高溫重載的不利條件下，路面的各性能指標均較好，面層底部拉應(yīng)變增加了3.66%，基層頂部壓應(yīng)變增加了39.08%，基層底部拉應(yīng)力增加了29.90%，面層容許剪應(yīng)力增加了45.15%。各性能指標均能滿足容許值的要求，說明該項目選用的路面結(jié)構(gòu)層科學合理。

4.4 瀝青混合料的各項路用性能試驗結(jié)果

對選用的瀝青混合料進行路用性能試驗，結(jié)果如表3所示：

由表3可以看出，與標準車轍試驗下的動穩(wěn)定度DS相比，高溫重載車轍試驗下的動穩(wěn)定度DS更小，但車轍試驗下的3 000次變形量更大，說明在重載及高溫作用下，路面的抗變形能力下降，但均能滿足指標要求，且路面結(jié)構(gòu)均能滿足浸水殘留穩(wěn)定度不小于85%、凍融劈裂不小于80%的要求。

5 結(jié)語

長壽命瀝青路面的應(yīng)用可以很好地解決由于道路頻繁養(yǎng)護造成的交通擁堵問題，為道路出行者提供安全、穩(wěn)定的保障。該文對瀝青路面的損壞進行了探討，研究了長壽命瀝青路面的設(shè)計指標，確定了設(shè)計方法，并結(jié)合具體工程實例對長壽命瀝青路面的設(shè)計進行了具體分析。下一階段應(yīng)充分考慮地區(qū)的差異性，根據(jù)不同地區(qū)對長壽命瀝青路面的使用需求，因地制宜地進行設(shè)計，并對長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料進行多維度研究。

參考文獻

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