長壽命瀝青路面設計指標分析

劉紀鋒

（邯鄲市交通運輸局公路工程一處，河北 邯鄲 056000）

長壽命瀝青路面，又稱為長效性瀝青路面、永久性瀝青路面，是國際道路工程界基于壽命周期總費用最經濟的原則提出的新技術，是指設計使用壽命大于40年的瀝青路面，起源于歐洲。其特點是在較長的使用期內能夠提供優質、穩定的運輸服務，并且維修方便，較厚的瀝青層減少了傳統的瀝青層底面開裂，并避免了結構性車轍，使路面損壞僅限于路面表層，因此只需要定期進行表面銑刨、罩面修復就能夠使路面在較長的使用年限內不需要大型的結構性重建。這種瀝青路面的設計及施工技術在國外是成熟的，然而，國內關于長壽命瀝青路面的研究才剛剛起步，現行技術規范對長壽命瀝青路面的設計方法與設計指標不匹配[1]。因此，為了解決長壽命瀝青路面結構設計及施工中存在的諸多問題，需進行長壽命瀝青路面設計指標的研究。

1 拉應力與拉應變

在我國瀝青路面設計方法中，一直采用層底拉應力對路面結構的受力狀態進行驗算。而國外則一直采用拉應變進行驗算。相關資料顯示，長壽命瀝青路面設計采用拉應變為設計指標驗算瀝青層的受力狀態更合理；而半剛性基層仍以層底拉應力為設計指標。

1.1 瀝青混合料疲勞極限是長壽命瀝青路面設計中最重要的理論基礎。歐洲和美國的大量調查發現，很多全厚式瀝青路面和高強度瀝青路面在服務期超出使用年限后，仍能提供令人滿意的交通服務。針對這一現象，研究發現瀝青混合料存在疲勞極限。疲勞極限理論能夠很好地吻合實際工程狀況，并且為長壽命瀝青路面設計提供了理論依據，所以國外長壽命瀝青路面設計均以拉應變為設計指標。

1.2 從路面力學分析可以明顯看出：雖然路面結構中的微元體在某一個方向上承受壓應力，但由于處于三向應力狀態，在該方向上，微元體仍然可能產生拉應變。盡管理論分析認為受拉應力的點也可能產生壓應變，但計算結果證明，在路面結構中不存在這樣的點。瀝青混合料是一種受壓性能高于受拉性能的材料。研究人員和工程師通常更重視拉應力或拉應變。

1.3 道路的破壞通常是行車荷載多次作用后的結果，屬于疲勞破壞。在100kN雙圓均布荷載下路面結構的應力、應變數值與材料的破壞強度相差較大。理論經驗設計方法根據材料的疲勞性能和結構層的受力狀態來確定道路能夠承受的標準軸載作用次數。材料的疲勞試驗方法有很多種。采用最廣泛的是小梁重復彎曲試驗。疲勞試驗結果決定了路面設計中應力、應變驗算指標的大小[3]。然而，由于疲勞試驗采用小梁試件，試件內應力、應變分布簡單。計算時采用單向受力假設，即將梁設想成由眾多平行于梁軸線的縱向纖維組成，在梁內各縱向纖維之間無積壓，僅承受拉應力或壓應力。

2 路基頂面豎向壓應變

1962年， Pettie和Dormon提出了通過控制路基頂面的豎向壓應力或壓應變來限制路基土的永久變形，并進而限制路面結構永久變形的構想。其論點是：路面結構的功用是防止路基受到過量的應力，因為后者會使路基產生過量的永久變形，并使路面結構相應產生過大的永久變形或（和）開裂，材料的塑性應變與彈性應變成正比，彈性應變限定在規定的范圍內，塑性應變也就可相應地被限定；而控制住路基的彈性應變水平，路基、路面結構的塑性應變以及永久變形量也可相應地得到控制。在整理分析時發現，采用路基壓應變替代壓應力可以使關系式不隨路基模量而變化。這一壓應變關系式隨后成為Shell設計方法的一項設計指標。

但是，該設計指標能夠限制路面結構永久變形的結論是基于路面結構的永久變形主要來源于路基的假設。對于瀝青層較薄的柔性結構而言，路基和粒料基層的永久變形占大部分，這種假設同實際的偏差可能不太大，而對于承受重交通的厚瀝青層，軸載應力不可能在路基和粒料層產生大的永久變形量，路表車轍量大部分產生于瀝青層。控制基頂壓應變不能限制瀝青層壓應變的大小，從而無法實現限制路面塑性變形的目的。因此，對于柔性結構和復合基層結構長壽命瀝青路面，基頂壓應變只能控制路基自身的塑性變形。

路基對長壽命瀝青路面有著至關重要的作用。在道路鋪筑過程中，堅實的路基為施工運輸車輛、攤鋪和壓實設備提供了穩定的工作平臺。道路服務期內，路基不僅要承受路面傳遞下來的車輛荷載，同時還要承受凍、融，干、濕等環境變化帶來的不利作用。在道路設計過程中，一方面要加強路基自身的強度和穩定性，另一方面，要合理設計路面結構，為路基減負。前者不屬于路面設計范疇。路基達到規定的強度要求后，在路面結構設計時，以路基頂面豎向壓應變為設計指標，控制路面結構設計。通常采用的基頂壓應變的設計值為200με。

3 路面彎沉指標分析

早期的路面結構形式相對單一，對于同一種路面結構（相同的結構層組合和材料類型），路表彎沉值的大小可以反映出路面結構的抗變形能力。路表彎沉值小的路面結構具有較大的承載能力和較長的使用壽命。因而，可依據相同的破壞標準判斷其承載能力（標準軸載重復作用次數）。然而，隨著科學的發展和施工技術手段的進步，新的路面結構形式層出不窮。對于不同種類的路面結構（不同的結構層組合和材料類型），路表彎沉值大的路面結構，其承載能力或使用壽命并不一定會比路表彎沉值小的路面結構差[3]；反之亦然。因而，不能僅依據這一指標值判斷出路面結構的承載能力，或者比較出不同路面結構的承載能力的高低。在我國，路表彎沉指標成為廣受爭議的指標。

規范的修訂者也意識到了這個問題。因此，各版規范中路表彎沉公式不斷被修正：一方面修正公式中的常數項，另一方面增加公式中的系數項。前者隨著軸載變重、路面等級提高和路面結構變厚而不斷減小，即設計標準不斷提高。后者則隨著路面結構組合和材料類型的變化而通過增加系數項不斷進行調整——由面層類型系數到公路等級系數再到基層類型系數，試圖通過細化路面結構和材料類型的辦法來克服彎沉指標非唯一性的缺點。然而，新的路面結構組合和材料類型總是會隨著技術的發展而不斷涌現，而設計規范的修訂總是滯后于發展的。

半剛性基層瀝青路面破壞的主要形式之一是反射裂縫，說明半剛性材料在整體的路面結構中是相對薄弱環節，而彎沉并不能控制半剛性材料的破壞。因此，對于半剛性基層瀝青路面，路表彎沉不能起到控制作用。

鑒于以上分析，在長壽命瀝青路面結構設計時，采用路表彎沉作為設計指標。對于半剛性基層瀝青路面，雖然其對結構設計沒有控制作用，但由于彎沉值是設計和施工驗收相對應的唯一指標，為便于控制施工質量，不能取消這個指標。

4 結語

我國的瀝青路面結構設計方法經歷了一個相當長的演變過程，基本上是建立在缺乏瀝青和經濟基礎較差的國情的基礎上，自行發展起來的。可是高速公路瀝青路面的早期破壞使得我們不得不對瀝青路面的結構類型和設計方法進行反思。長壽命瀝青路面作為一種新的路面結構類型，其設計指標必將不同于半剛性基層瀝青路面。因此深入分析長壽命瀝青路面的設計指標，對規范長壽命瀝青路面的設計與施工具有重要意義。

[1]李峰，孫立軍，胡曉.長壽命瀝青路面設計方法與實踐綜述[J].公路， 2005， （5）： 122-127.

[2]JTG D50—2006， 公路瀝 青路面設計規范[S].

[3]孫立軍，胡圣，張小寧.路面彎沉盆上的惰性點[J].公路交通科技， 2001， 18（3）： 1-5.