公路沥青路面结构设计技术方法综述

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摘要：随着我国经济的快速发展，基础设施建设进程加快， 高等级公路突飞猛进的建设为我国经济的发展做出了重要贡献, 但也出现了一些值得重视的问题,尤其是一些新建的高速公路, 早期结构性破坏现象十分突出, 严重影响着公路建设的形象和交通运输安全。因此, 开展对公路沥青路面结构设计的探索具有重要的现实意义。

关键词：公路，沥青路面结构，结构设计

中图分类号：U416.217 文献标识码：A

引言：目前我国高等级公路工程发展迅速，取得了巨大的成就，但也出现了一些值得重视的问题，尤其是一些新建的公路，早期结构性破坏现象十分突出，严重影响着公路建设的形象和交通运输安全。因此，开展对公路沥青路而结构设计的探索具有重要的现实意义。

1、沥青路面设计指标及标准

1.1 沥青路面设计指标

目前，在我国公路路面结构设计中，对于高速、一级和二级公路的路面结构，设计指标为路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力；对于三级、四级公路的路面结构，设计指标为路表面设计弯沉值。有条件时，对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度，验算其最大剪应力是否满足要求。

1.2 沥青路面设计标准

目前我国现行的沥青路面设计规范中，采用了以下标准来确定路面结构所需的厚度：（1）路面结构表面在双轮荷载作用下轮隙中心处的弯沉值不大于设计弯沉值；（2）沥青面层底面的最大拉应力不大于该层混合料的容许拉应力；（3）半刚性基层或底基层底面的最大拉应力不大于该层材料的容许拉应力。弯沉和应力计算分析时，将路面结构看成为多层弹性体系，体系顶面作用有相当于双轮组P=50 kN的双圆均布荷载，各层面间的接触条件按完全连续处理。弯沉计算点的位置选在轮隙中心处。层底面拉应力计算点的位置选在单圆中心点及单圆半径的1/2点和单圆内侧边缘点和双圆轮隙中心点，取其中的最大值作为层底最大拉应力。

2、沥青路面设计标准的确定方法

2.1 设计弯沉值的确定

在沥青里面设计中，路面结构的整体承载能力是通过弯沉值反映出来的。回弹弯沉值小的结构整体承载能力大，能经受轮载的很多次重复作用才出现损坏；而回弹弯沉值大的结构，在经受轮载不多次的重复作用后，路面即呈现某种形态的损坏。因而，在达到相同损坏程度时，回弹弯沉值的大小同该路面结构的累计荷载重复作用次数成反比。若能求得回弹弯沉值与使用寿命间的关系，则可依据该路面结构所要求的使用寿命，来确定路面结构设计应控制的路表回弹弯沉值。为此，就需要了解路面结构在使用期内的弯沉变化规律及其与路面结构损坏状态的关系。根据对已建成道路的多年实测资料分析，路表回弹弯沉值随着时间的推移而变化。由于路面在使用期内弯沉是变化的，使用期末的弯沉值与竣工时的弯沉值并不相同，不能直接用容许弯沉值作为竣工时验收的标准。考虑到半刚性基层材料的设计龄期为六个月，在路面竣工后第一年不利季节的弯沉值与最大刚度状态所对应的弯沉值比较接近，故将路面竣工后第一年不利季节的路面状态近似假定为路面整体结构的最大刚度状态，并取其作为路面结构的设计状态。

2.2 容许拉应力的计算

公路路面结构层材料的容许拉应力对公路的使用寿命有直接影响，是指路面结构在行车荷载反复作用下达到临界破坏状态时容许的最大拉应力。这一应力值较一次荷载作用下的抗拉强度小，减小的程度同重复荷载次数及路面结构层材料的性质有关。对沥青混凝土的极限抗拉强度，系指15℃时的极限抗拉强度；对水泥稳定类材料，系指龄期为90d的极限抗拉强度；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料，系指龄期为180d的极限抗拉强度；对水泥粉煤灰稳定类材料，系指120 d 的极限抗拉强度。

3、路面实际弯沉值和层底拉应力的计算

3.1路面实际弯沉值的计算

在当前的沥青路面结构设计中，弯沉值的计算一般是应用弹性层状体系理论来求得的，但大量试验验证结果表明，理论计算值与实测弯沉值之间存在一定偏差。此偏差呈现出一定的规律性，当路基刚度较低时，由前述理论公式算得的面层厚度偏大；而当路基刚度较高时，则由理论算得的面层厚度偏薄。出现这种现象，主要是因为路基路面材料并非线性弹性体，而所采用的评定材料抗变形能力(Eo和 Ei)的测定方法，并不能反映它们在结构层内的真实工作状态。为使理论计算和实测结果相符，目前在规范中引入了一个弯沉综合修正系数F:

式中:l,al———分别为理论弯沉值和理论弯沉系数；ls,as———分别为实际弯沉值和实际弯沉系数。当设计计算路面厚度时，实际弯沉值可取为设计弯沉值，由大量试验验证资料分析得知，弯沉综合修正系数 F 同实际弯沉值、土基回弹模量及轮载参数的相关关系较密切。

3.2整体性材料层层底拉应力的计算

为防止沥青层和半刚性基（垫）层因层底拉应力过大而产生疲劳开裂，设计时需验算沥青层及半刚性基层底面的拉应力值是否满足要求。沥青层及半刚性基层底面各计算点的拉应力值，可直接由计算机软件求得。比较计算层各计算点的应力值，取最大值作为该层的最大拉应力。将最大拉应力与该层的容许拉应力进行比较，以判断拉应力是否满足要求或据此控制结构设计。计算时注意材料参数的选择和确定，不同材料有不同的选择要求，具体应用时需注意。

4、路基土和路面材料设计参数

按弹性层状体系理论求解路表弯沉或面层和基、垫层底面的弯拉应力应变时，必须知道路基土和路面材料的弹性模量值。无论是路基土还是路面材料，其应力—应变关系都或多或少呈现出非线性性质，因而表征其关系的弹性模量值都是应力状态的函数。同时，它们又是材料组成、压实状态及环境的函数。工程上通常采用承载板试验和抗压试验得到的荷载—回弹弯沉变形关系确定回弹模量值，并将它作为弹性模量。

4.1路基土回弹模量值

路基土的回弹模量值，除了受加荷方式和应力状态等因素影响外，主要取决于土的类型和性质，以及土的湿度和密实度。路面设计时，应在最不利季节通过实测确定回弹模量值。但在路基尚未修建的情况下，往往只能通过经验方法来估定。由室内试验结果得知，路基土的回弹模量同土的性质和状态之间存在着下述经验关系：

式中：K———土的压实度；ω ———土的稠度；A，a，b———随所在地区和土的类型而异的试验参数。

通过在全国各地进行的大量实测和分析工作，提出了各地区不同土组的 E0-K-ω 关系式。在此基础上，拟订了土基回弹模量建议值表供初步设计时参考使用。根据当地经验或路基临界高度，判断各路段土基干湿类型，利用论证得到各路段土的平均稠度值预估土基回弹模量值。当采用重型击实标准时，可将土组土基回弹模量参考值提高 15%～30%。

4.2路面材料回弹模量值

无结合料的粒料垫层和基层的回弹模量值，可采用重复加载的三轴试验进行测定。试验时，须按垫层或基层所受到的实际应力状况施加侧限应力，以确定相应的回弹模量值,现行公路沥青路面设计规范中提出的常用粒料基层和垫层的回弹模量值参考范围。无机结合料稳定粒料或土的回弹模量值，可采用圆柱体或小梁试件进行压缩或弯曲试验，测定各级应力作用下的压缩应变或弯拉应变后计算确定。

结语

我国公路的建设事业高速发展，但沥青路面设计技术尚需进一步发展和完善。要使设计结果能同实际相符，路面结构设计方法就要能全面地反映材料、环境、荷载和土基状况等因素对结构性能的影响，所以，必须收集足够的交通、土质、气象和水文资料，并在同实际工作环境相符的条件下对所用材料进行物理力学性质试验，获取可靠的材料参数。而要做到这一点，是非常困难的。因此，现有设计方法都存在不完善之处，还有待随着研究工作的深入和实践经验的积累，不断地进行修正、补充和完善。

参考文献

[1] 李继红，等.沥青路面结构设计方法探讨[J], 交通标准化,2012，（10）:50-53.

[2] 黄卫, 钱振东. 高等级沥青路面设计理论与方法[M]. 北京: 科学出版社, 2001.

[3] 黄晓明, 朱湘. 沥青路面设计[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001.