長壽命瀝青路面設計方法研究

程婧

（浙江長興縣交通勘測設計所，浙江 長興 313100）

1 前言

隨著我國經濟建設的飛速發展，公路建設事業得到了迅猛發展，由于我國的公路建設起步晚，專業技術人才缺乏，經濟投入還不能滿足現實需求，再加上不斷增加的交通量等原因，很多鋪筑的公路路面在通車一、二年內就出現不同程度的損壞現象，嚴重的還影響到路面的正常使用和壽命。這不僅造成惡劣的交通影響，也帶來經濟上的嚴重損失，因此，如何延長公路的使用壽命，防止公路的早期損害已經得到全社會的廣泛關注。長壽命瀝青路面是指設計使用壽命大于四十年的瀝青路面，其優點是在使用期內不會路面結構性的破壞，維修時只需要把表面層瀝青混合料更換成新的混合料，維修經濟、方便。近年來，一些新材料、新工藝和新技術在長壽命瀝青路面設計上得到了比較成功的應用，為了提高長壽命瀝青路面的工程質量、完善使用性能、提高使用壽命和節約投資，我們應該放眼未來，改變觀念，借鑒國外的先進技術，設計出符合我國國情的長壽命瀝青路面。

2 長壽命瀝青路面破壞模式研究

我國公路瀝青路面主要存在兩個類型的破壞，第一類是發生在通車不久的1～3年內，該類破壞主要是局部表現為車轍、坑槽和松散，第二類是深層次原因引發的破壞，該類破壞是即使設計合理、管理嚴格、材料合格，仍然是使用不到設計年限時就需大修。由于長壽命瀝青路面的設計理念是建立在對路面破壞模式的假定上，因此我們首先要展開對長壽命瀝青路面設計指標和破壞模式的研究。

2.1 長壽命瀝青路面結構設計指標

由于長壽命瀝青路面結構的破壞都是由應力、應變和位移累計產生，以前，大家一般都是以路表彎沉作為設計指標。該指標主要反映路面結構整體的抗變能力，對于同一個路面結構而言，該指標越小路面結構的承載能力越強，使用壽命越長。隨著路面結構新材料和新類型的出現，把路表彎沉作為主要的設計指標已經不能滿足實際的需要，目前我國主要采用基底拉應變作為長壽命瀝青路面設計控制指標的疲勞公式。

2.2 不同連續狀況下應力應變分析

在長壽命瀝青路面的結構中，基層一般都是半剛性基層，各類材料之間的層間接觸具有一定的連續性，而瀝青面層中各層的材料都是瀝青混凝土，不具有很好的連續性。本文只對瀝青層和半剛性基層之間的層間不連續性進行分析，通過分析得出：隨著不連續程度的增加，瀝青層的層底拉應變的變化速度最快，而其他層中底層拉應變的變化則不是很大。

2.3 瀝青路面結構破壞臨界狀態確定

對于由不同材料類型和結構層組合的路面結構而言，其路面結構破壞的臨界狀態的確定方法也多種多樣，目前，在長壽命瀝青路面的結構設計中常考慮的臨界破壞情況主要有以下三種情況：

⑴瀝青面層的疲勞開裂。疲勞開裂是一種主要的結構損壞形式，它是指在載荷不斷作用下瀝青混凝土面層底面彎拉應變引起的開裂，長壽命瀝青路面設計時在使用年限內疲勞開裂是允許出現的。通常情況下，路面結構疲勞開裂的臨界狀態由混合材料的疲勞極限決定，瀝青混合材料的疲勞壽命方程為：

其中k、n是和混合材料有關的常數。

⑵半剛性基層的開裂。目前，半剛性基層的開裂是瀝青路面結構破壞的一個主要的臨界狀態。基層開裂是指路面結構的半剛性基層底面的拉應力超過其容許值時出現的裂縫，半剛性基層具有強度大，有利于荷載的分布的特點，但是由于其柔韌性能差，一旦超過其容許拉應力，容易出現裂縫，并造成整個路面結構的嚴重破壞。一般情況下，半剛性材料的疲勞方程用荷載作用次數表示：

其中k2，n2為疲勞參數。

⑶車轍。車轍是路面結構層在車輛載荷的不斷作用下產生的永久變形。車轍又分為只發生在瀝青面層的表面車轍和發生于土地基礎的結構性變形兩種。在進行長壽命瀝青路面結構設計時我們首先考慮的是結構性車轍，在85%的置信水平和標準載荷作用下，路基容許的垂直壓應變的計算公式如下：

通過上述公式可以計算出長壽命路基可以承受的最大作用次數，當實際車輛通行次數超過該數值時，則判定該路基產生破壞。

3 長壽命瀝青路面設計方法研究

目前我國公路建設的觀念、設計、施工和維護等還不能與實際需求相適應，長壽命瀝青路面的建設存在設計不合理、建設不規范和養護不到位的情況，因此要想改變這樣不利局面，首先要從理念上解決長壽命瀝青路面的設計問題。

3.1 長壽命瀝青路面的定義

長壽命瀝青路面結構由多個復雜的層狀組成，由于其具有良好的設計、施工表現，早在20世紀60年代在北美地區開始廣泛修建。該路面與普通柔性路面相比具有全新的設計理論，就是在保證路面厚度的基礎上把病害限制在路面的表層，通過定期的維修保證路面在50年內的設計年限內不發生結構性損壞。長壽命瀝青路面和傳統路面相比就有顯著的特點：路面裂縫減少，維修方便；路面結構總厚度比用粒料基層薄；使用壽命長，經濟價值高。

3.2 長壽命瀝青路面設計指標確定

在借鑒國外設計理念的基礎上，結合我國路面結構多采用半剛性基層的實際情況把半剛性基層層底拉應力指標確定為長壽命瀝青路面設計指標。

半剛性基層材料一般有疲勞破壞和壓碎破壞兩種形式，壓碎破壞一般通過對材料性能的檢驗進行避免，一般很少發生在路面結構中，因此在進行長壽命瀝青路面設計時主要考慮疲勞破壞。根據我國《公路瀝青路面設計規范》的規定，以半剛性基層的層底拉應力指標來控制半剛性基層底面的開裂破壞，因此，在長壽命瀝青路面設計時，應滿足半剛性基層的層底拉應力小于材料的容許拉應力值。

3.3 長壽命瀝青路面設計方法

長壽命瀝青路面設計方法可以分為經驗法和力學經驗法兩種，由于設計人員的經驗有限，再加上新材料的層出不窮，伴隨著計算機水平的提高，目前力學經驗法中力學分析的比重越來越大，在具體設計一般按照以下步驟進行：

⑴結構設計。進行結構設計時一般采用采用彈性層狀體系理論作為理論基礎，即各層材料均勻、層間接觸連續、土基在深度和水平方向均無限等。為了保證長壽命瀝青路面結構的安全、穩定和足夠的使用壽命，為了能夠客觀反映路面結構的真實情況，需要對現行規范中提供的雙圓均布垂直荷載進行改進。

⑵結構層材料設計。由于長壽命瀝青路面的損壞只發生在瀝青面層，因此，結構層材料的選擇和混合料的設計就至關重要。其中瀝青面層應該具有較高的穩定性，為了抵抗車輛載荷帶來的變形，還應該具有較高的強度。混合料的設計方法應該和路面損壞模式相結合，按照路面的實際性能進行設計。

4 結束語

通過本文的分析可以看出，長壽面瀝青路面設計的理論是，在設計壽命的使用期限內，限制路面可能發生的破壞主要在路面結構上部。目前我國大規模公路網瀝青混凝土路面的損壞給交通帶來了嚴重的影響，因此為了減少路面的損壞和維修造成的損失，開展對長壽命瀝青路面的研究是非常必要的。

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