关于长寿命沥青路面结构设计的思考

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摘要：长寿命沥青路面因其特性受到越来越多的重视。首先分析了长寿命沥青路面特点，然后分析了长寿命沥青路面设计和长寿命沥青路面结构组合原则，具有较强的前瞻性和价值，供借鉴参考。

关键词：长寿命沥青路面；结构设计；特点；原则

中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：

在我国，大规模公路网沥青混凝土路面的损坏给路面维修造成了很大压力，尤其是随着交通量的增加和路面损坏的加速，使得路面维修的费用急剧增加，对交通的影响也日益突出。为了减少路面的维修，修建长寿命路面是一个明智的选择。然而修筑这种全厚式的沥青路面还不现实，为了提高沥青混凝土路面的质量，在我国的路面实践中采用了许多新的技术，如采用SHRP沥青评价技术、Superpave的混合料设计技术、SMA路面、聚合物改性沥青和纤维改性沥青等。这些技术的应用虽然在一定程度上改善了路面质量，但路面初期损坏依然存在。因此，这里提出的长寿命沥青路面结构要结合我国长期以来修筑的半刚性基层沥青路面。在半刚性基层沥青路面结构的基础上，参照国外的研究成果和一些实验的计算结果，选取合适的设计控制指标，来进行长寿命沥青路面结构的设计。

1长寿命沥青路面特点

长寿命路面是一种性价比很高的路面，近年来越来越多地引起各国道路工作者的重视。美国沥青路面协会（APA）对长寿命路面做了大量研究并与奥本大学合作推出了长寿命路面计算程序“PerRoad 2.4”，欧洲国家成立了“长效性路面研究组”。我国一些道路工作者也在进行长寿命路面的研究。国际上，长寿命沥青路面与传统路面的不同是：（1）路面结构总厚度（路基以上部分）比用粒料基层的薄；（2）路面裂缝减少，裂缝、车辙等病害限制在面层顶部，维修方便；（3）这种路面的寿命在50年以上(是指在定期维修、罩面等养护的条件下)。它具有一个抗车辙、不透水、耐磨损的面层，一个耐久、抗车辙的联结层和一个抗疲劳、耐久的基层组成。

2长寿命沥青路面设计

各国的沥青路面设计方法，归纳起来起来可分为经验法和力学经验法两大类。所谓“经验法”是指在试验路数据基础上开发出的路面设计方法。经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构（结构层组合、厚度和材料性质）、荷载（轴载大小和作用次数）和路面性能三者间的经验关系。力学经验法是将工程力学的原理应用于路面工程设计，它首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学反应量（应力、应变、位移），利用在力学反应量与路面性能（各种损坏模式）之间建立的性能模型，按设计要求设计路面结构。

然而，由于材料的复杂性、变异性，现有的力学法无法全面解释路面的各种行为，特别是环境行为和变异行为。因此，设计人员不得不对力学方法的结果进行经验的修正，并且随着分析、试验和计算水平的提高，力学经验方法中的经验成分会越来越少，力学分析成分越来越多。

长寿命沥青路面设计方法继承了现有设计方法的优点，而且在结构、材料设计方面更具科学性。

2.1结构设计

采用弹性层状体系理论作为理论基础。即：各层材料都是均匀的、各向同性的；土基在深度和水平方向均无限；路表同时作用垂直荷载和水平荷载；水平方向和深度方向的应力、应变和位移均为零；层间接触有完全连续、完全滑动和层间产生相对水平位移三种情况。

此外，在进行长寿命沥青路面结构的力学计算时，为保证结构的安全性、可靠性以及足够的使用寿命，需对现行规范提供的力学计算图示（双圆均布垂直荷载）进行改进，以期较好的接近真实的路面结构及荷载作用形式，能比较客观地反映路面结构中真实的力学情况。

对于相同的车辆荷载和路面结构，轮载作用力的大小和分布形式不同，在路面结构内产生的力学影响，尤其是轮载作用面附近的力学影响，会有很大的差别。作为正确描述路面结构、尤其是轮胎附近路面结构力学影响的基础和前提，就需要准确了解实际轮胎接地压力的分布形式和量值大小。

2.2结构层材料设计

按照路面结构中各结构层的功能来设置。由于长寿命沥青路面的损坏个一般只发生在沥青面层，沥青面层本身首先应具有较高的强度和稳定性，以抵抗大规模车辆荷载的重复作用引起的变形。这就要求材料的选择、混合料的设计以及性能评价试验要有针对性的进行。混合料的设计方法应当与路面破坏模式相联系，由经验设计为主转向按照路面性能进行设计为主。混合料的刚度需要根据混合料所处的层位和功能要求（车辙或疲劳）来优化选择。

沥青混合料下面层用来抵抗交通荷载作用下路面结构的弯曲疲劳，大量研究指出，高沥青含量有助于防止沥青混合料的疲劳裂缝，另一方面，路面结构有足够的厚度也可以降低路面底层的拉应变水平。

沥青混合料中间层须兼顾稳定性和耐久性。其稳定性可以通过粗集料间骨料的相互接触（骨架密实型级配）以及高温稳定性好的胶结材料来获得，其设计可按标准Superpave方法确定最佳沥青用量，并应进行车辙及水敏感性等性能评价试验。

沥青混合料表面层的材料要求一般更多的是取决于当地的经验和经济条件，当考虑车辙、耐久性、透水以及磨耗等方面的原因而选择SMA时，要尽量降低混合料的现场空隙率，以保证其耐久性。对于中等交通量的道路，一般采用Superpave密级配混合料。此时须对混合料进行性能试验，例如车辙试验等。对采用的胶结料，PG等级的高温部分应比工程所在地区常用胶结料至少高一个等级，低温部分的采用应保证有95%～99%的可靠度。

路面结构基层：长寿命沥青路面在使用期内不需要对路面进行结构性大修，这首先要求路面结构应具备足够强的基层和垫层，最好采用整体性好的材料，同时要考虑整体性材料的干缩和温缩性能以及良好的抗弯拉疲劳破坏的能力和一定的抗车辙能力。

①半刚性基层材料优点是承载力大、刚度大、模量高、板体性强、弯沉小而且投资经济，缺点是这种材料变形小，特别是温缩、干缩变形大，易开裂，属于脆性材料。

②柔性材料如级配碎石、沥青稳定碎石等等属于粘弹性材料，韧性好，有一定的自愈能力，但变形大，弯沉大，因此路面厚度也大，投资成本亦高。

③级配碎石是将一定的级配的碎石碾压而成的一种材料，由于不使用胶结料，这种材料不具有抗拉的能力，因此有时将其作为半刚性基层或者水泥路面加铺层上面的应力消散层，作为阻止反射裂缝发展的一种功能层。对于柔性路面的结构层，由于承载能力不高，级配碎石一般用于铺筑底基层，或者路基上的整平层，用以加强路基。

3长寿命沥青路面结构组合原则

长寿命沥青路面的结构组合需要考虑以下三个原则：

（1）满足长寿命路面设计指标及标准

借鉴国外长寿命沥青路面设计指标，沥青层底的弯拉应变应小于70με，而路基顶面的压应变应小于200με。为了满足长寿命沥青路面设计指标，沥青层的厚度与结构层的总体厚度都有一定要求。

根据力学计算可知，沥青层的剪切力在某一深度突变并达到最大值，然后逐渐减小。因此，沥青层的选择必须考虑最大剪应力层位，即用于这一层的沥青混合料必须具有良好的抗剪切变形的能力。

（2）结构组合与路面结构类型相匹配

根据基层的不同，长寿命路面分为半刚性基层长寿命路面与柔性基层长寿命路面。结构类型不同，受力模式及特点不同，结构层的组合要求也不同。

对于半刚性基层长寿命沥青路面而言，由于半刚性基层强度高，模量远大于沥青层，各结构层的应力应变一般均可满足长寿命路面的设计要求，因此控制半刚性基层的开裂成为关键问题。在结构组合设计时，可采用复合式沥青路面结构，或设置抗反射裂缝层都可收到良好的效果。

对于柔性基层长寿命沥青路面来说，由于沥青层底的弯拉应变和路基顶面的压应变都难以满足长寿命沥青路面的设计指标，因此，从结构组合方面考虑，不仅需要设置抗疲劳层以提高沥青路面的抗疲劳性能，而且需要设置高模量的沥青层来提高抗剪切变形的能力和减小基顶压应变。另外，需要提高土基的承载能力来减少对沥青层的要求。

（3）层间结合尽可能连续

为了提高沥青路面整体承载力，必须加强长寿命沥青路面层间结合，避免在荷载及高温作用下产生层间滑移，这是长寿命路面结构设计的重要内容。从结构组合来看，基层上应设置透层沥青，在半刚性基层上应设下封层，沥青层之间应设置粘层。

结语

结构上：采用弹性层状体系理论，在原有力学计算的基础上，需要考虑车辆超载和动荷载、以及荷载力的作用大小和分布形式对路面结构的影响。材料上，按照路面结构中各结构层的功能来设置。对于不同结构层在路面结构中所发挥的作用的不同，要求材料的选择、混合料的设计以及性能评价试验要有针对性。

参考文献：

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[2]中华人民共和国交通部.JTG.B01-2003 公路工程技术标准[S].

[3] 冯治安，王选仓，李国胜.长寿命路面典型结构研究、设计与施工技术[M]. 北京：人民交通出版社，2007.