淺談公路瀝青路面結構設計技術方法

張延智

（長春市公路規劃勘測設計院有限公司，吉林 長春 130021）

0 前言

我國的瀝青路面在使用實踐中所暴露的大量問題，使人們不得不對現有的路面設計理論、設計方法及設計指標進行反思。實際上目前大量出現的路面早期損壞是現行理論和規范所難以做出更深解釋的。對于不同的路面結構，對其使用性能變化規律的認識不夠清楚，更缺少定量的研究。因此，必須用發展的眼光對重交通路面的損壞原因、機理重新進行認識，及時掌握新條件下的新變化，通過路面的合理化設計來控制路面的主要破壞型式，從而真正達到路面設計的目的[1]。

1 瀝青路面設計指標及標準

1.1 瀝青路面設計指標

對于高速、一級和二級公路的路面結構，設計指標為路表面回彈彎沉值和瀝青混凝土層層底拉應力及半剛性材料層的層底拉應力；對于三級、四級公路的路面結構，設計指標為路表面設計彎沉值。有條件時，對重載交通路面宜檢驗瀝青混合料的抗剪切強度，驗算其最大剪應力是否滿足要求。

1.2 瀝青路面設計標準

相應于設計指標，我國現行瀝青路面設計規范采用以下三項設計標準確定路面結構所需的厚度：（1）路面結構表面在雙輪荷載作用下輪隙中心處的彎沉值不大于設計彎沉值；（2）瀝青面層底面的最大拉應力不大于該層混合料的容許拉應力；（3）半剛性基層或底基層底面的最大拉應力不大于該層材料的容許拉應力。彎沉和應力計算分析時，將路面結構看成為多層彈性體系，體系頂面作用有相當于雙輪組P=50 kN的雙圓均布荷載，各層面間的接觸條件按完全連續處理。彎沉計算點的位置選在輪隙中心處。層底面拉應力計算點的位置選在單圓中心點及單圓半徑的1/2點和單圓內側邊緣點和雙圓輪隙中心點，取其中的最大值作為層底最大拉應力。

2 瀝青路面設計標準的確定方法

2.1 設計彎沉值的確定

輪載作用下雙輪輪隙中心處的路表回彈彎沉值大小，反映了路基路面結構的整體承載能力。回彈彎沉值小的結構整體承載能力大，能經受輪載的很多次重復作用才出現損壞；而回彈彎沉值大的結構，在經受輪載不多次的重復作用后，路面即呈現某種形態的損壞。因而，在達到相同損壞程度時，回彈彎沉值的大小同該路面結構的累計荷載重復作用次數成反比。若能求得回彈彎沉值與使用壽命間的關系，則可依據該路面結構所要求的使用壽命，來確定路面結構設計應控制的路表回彈彎沉值。為此，就需要了解路面結構在使用期內的彎沉變化規律及其與路面結構損壞狀態的關系。根據對已建成道路的多年實測資料分析，路表回彈彎沉值隨著時間的推移而變化。路表面的彎沉變化過程可分為三個階段:第一階段——路面竣工后第一、二年。由于交通荷載的壓密作用，以及半剛性基層材料的強度增長，路表彎沉逐漸減小，大致在竣工后第二年達最小值。第二階段——路面竣工后兩至四年。由于在交通荷載的重復作用、水溫狀況變化，以及材料不勻等因素影響下，路面結構內部的微觀缺陷因局部范圍的應力集中而擴展，形成小范圍的局部破損，使結構整體剛度下降、彎沉增大。此階段以彎沉不斷增大為主要特征。第三階段——路面竣工后三、四年至路面達極限破壞狀態。由于結構內部缺陷，附近局部區域積蓄的高密度能量，已通過前階段缺陷的擴展而轉移，形成新的能量平衡，路面結構的整體剛度達成較低水平的新的相對穩定，路表彎沉進入一個比較穩定的緩慢變化階段，即結構疲勞破壞的穩定發展階段，一直延續至結構出現疲勞破壞。大量實測調查表明，相同路面結構的外觀狀況越差，路表呈現的回彈彎沉值越大。通常，按瀝青路面的外觀特征，將路面的外觀狀況分為五個等級，路面狀況在第四級時，路面已產生疲勞開裂，并伴有明顯的永久變形，若不及時采取養護或改建措施，路況將急劇下降，導致路面完全破壞，即路面已臨使用期末，所以，將第四級作為路達臨界損壞的狀態。此狀態時的實測彎沉值在不利季節時測得與該路面已經受的累計標準軸次之間存在良好的對數關系。相對于不同的使用壽命，有一相應的回彈彎沉與之相對應，將路面于使用期末不利季節，在設計標準軸截作用下容許出現的最大回彈彎沉值定義為容許彎沉值。由于路面在使用期內彎沉是變化的，使用期末的彎沉值與竣工時的彎沉值并不相同，不能直接用容許彎沉值作為竣工時驗收的標準。考慮到半剛性基層材料的設計齡期為六個月，在路面竣工后第一年不利季節的彎沉值與最大剛度狀態所對應的彎沉值比較接近，故將路面竣工后第一年不利季節的路面狀態近似假定為路面整體結構的最大剛度狀態，并取其作為路面結構的設計狀態。

2.2 容許拉應力的計算

路面結構層材料的容許拉應力是指路面結構在行車荷載反復作用下達到臨界破壞狀態時容許的最大拉應力。這一應力值較一次荷載作用下的抗拉強度小，減小的程度同重復荷載次數及路面結構層材料的性質有關。對瀝青混凝土的極限抗拉強度，系指15℃時的極限抗拉強度；對水泥穩定類材料，系指齡期為90 d的極限抗拉強度；對二灰穩定類、石灰穩定類的材料，系指齡期為180 d的極限抗拉強度;對水泥粉煤灰穩定類材料，系指120 d的極限抗拉強度。

3 瀝青路面設計軸載換算

路上行駛的車輛類型不盡相同，它們的軸載也不相同。在計算累計當量軸次時，需將各級軸載換算為標準軸載。根據軸載等效換算的基本原則不同的疲勞損壞標準將有不同的換算公式。我國公路瀝青路面設計規范中提出了以下軸載換算公式。

3.1 以設計彎沉值和瀝青層層底拉應力為設計指標

各級軸載包括車輛的前、后軸Pi的作用次數ni，按下式換算成標準軸載P的當量作用次數N:

式中：N——標準軸載的當量軸次，次/d；

ni——被換算車型的各級軸載作用次數，次/d；

P——標準軸載，kN；

Pi——被換算車型的各級（單根）軸載，kN；

C1’i——被換算車型各級軸載的軸數系數，當軸間距大于3 m時，按單獨的一個軸計算，軸數系數即為軸數m，當軸間距小于3 m時，按雙軸或多軸計算;

C2’i——被換算軸載的輪組系數，單輪組為6.4，雙輪組為1.0，四輪組為0.38;

K——被換算車型的軸載級別。

3.2 以半剛性層層底拉應力為設計指標

各級軸載包括車輛的前、后軸Pi的作用次數ni均按下式換算成標準軸載P的當量作用次數N’:

上述軸載換算公式僅適用于單軸軸載小于130 kN的軸載換算。

4 路面實際彎沉值和層底拉應力的計算

4.1 路面實際彎沉值的計算

應用彈性層狀體系理論可求得已知路面結構表面在荷載作用下產生的彎沉，但大量試驗驗證結果表明，理論計算值與實測彎沉值之間存在一定偏差。此偏差呈現出一定的規律性，當路基剛度較低時，由前述理論公式算得的面層厚度偏大；而當路基剛度較高時，則由理論算得的面層厚度偏薄。出現這種現象，主要是因為路基路面材料并非線性彈性體，而所采用的評定材料抗變形能力(Eo和Ei)的測定方法，并不能反映它們在結構層內的真實工作狀態。為使理論計算和實測結果相符，目前在規范中引入了一個彎沉綜合修正系數F:

式中：l，al——分別為理論彎沉值和理論彎沉系數；

ls,as——分別為實際彎沉值和實際彎沉系數。

當設計計算路面厚度時，實際彎沉值可取為設計彎沉值，由大量試驗驗證資料分析得知，彎沉綜合修正系數F同實際彎沉值、土基回彈模量及輪載參數的相關關系較密切。

4.2 整體性材料層層底拉應力的計算

為防止瀝青層和半剛性基（墊）層因層底拉應力過大而產生疲勞開裂，設計時需驗算瀝青層及半剛性基層底面的拉應力值是否滿足要求。瀝青層及半剛性基層底面各計算點的拉應力值，可直接由計算機軟件求得。比較計算層各計算點的應力值，取最大值作為該層的最大拉應力。將最大拉應力與該層的容許拉應力進行比較，以判斷拉應力是否滿足要求或據此控制結構設計。計算時注意材料參數的選擇和確定，不同材料有不同的選擇要求，具體應用時需注意。

5 路基土和路面材料設計參數

按彈性層狀體系理論求解路表彎沉或面層和基、墊層底面的彎拉應力應變時，必須知道路基土和路面材料的彈性模量值。無論是路基土還是路面材料，其應力-應變關系都或多或少呈現出非線性性質，因而表征其關系的彈性模量值都是應力狀態的函數。同時，它們又是材料組成、壓實狀態及環境的函數。工程上通常采用承載板試驗和抗壓試驗得到的荷載-回彈彎沉變形關系確定回彈模量值，并將它作為彈性模量。

5.1 路基土回彈模量值

路基土的回彈模量值，除了受加荷方式和應力狀態等因素影響外，主要取決于土的類型和性質，以及土的濕度和密實度。路面設計時，應在最不利季節通過實測確定回彈模量值。但在路基尚未修建的情況下，往往只能通過經驗方法來估定。由室內試驗結果得知，路基土的回彈模量同土的性質和狀態之間存在著下述經驗關系：

式中：K——土的壓實度；

A，a，b——隨所在地區和土的類型而異的試驗參數。

通過在全國各地進行的大量實測b和分析工作，提出了各地區不同土組的E0-K-ω c關系式。在此基礎上，擬訂了土基回彈模量建議值表供初步設計時參考使用。根據當地經驗或路基臨界高度，判斷各路段土基干濕類型，利用論證得到各路段土的平均稠度值預估土基回彈模量值。當采用重型擊實標準時，可將土組土基回彈模量參考值提高15%～30%。

5.2 路面材料回彈模量值

無結合料的粒料墊層和基層的回彈模量值，可采用重復加載的三軸試驗進行測定。試驗時，須按墊層或基層所受到的實際應力狀況施加側限應力，以確定相應的回彈模量值,現行公路瀝青路面設計規范中提出的常用粒料基層和墊層的回彈模量值參考范圍。無機結合料穩定粒料或土的回彈模量值，可采用圓柱體或小梁試件進行壓縮或彎曲試驗，測定各級應力作用下的壓縮應變或彎拉應變后計算確定。

6 結語

路面設計主要包括結構組合、材料組成設計和厚度確定三個方面。雖然路面結構設計主要討論結構組合和厚度確定，但結構組合時必須考慮各結構層組成材料的特性和要求，而確定所需厚度時離不開合理選取材料參數。合理的路面結構組合是保證路面使用性能的基礎。組合時，必須綜合考慮交通荷載、環境、支承條件、組成材料特性、各結構層的功能要求和協調作用等各個方面，并充分吸收已有的設計和使用經驗。瀝青路面的損壞現象、機理和肇因十分復雜，因此路面結構設計只能選用多種指標，分別控制不同的損壞模式。不同設計方法根據對路面主要損壞現象的認識和分析，選用不同的設計指標。公路瀝青路面設計規范中采納的設計方法是以彈性層狀體系理論為基礎的力學與經驗設計法。該法以路表彎沉作為路基路面整體承載能力的控制指標，以整體性材料層底的拉應力作為疲勞開裂的控制指標，進行結構厚度的設計。要使設計結果能同實際相符，路面結構設計方法就要能全面地反映材料、環境、荷載和土基狀況等因素對結構性能的影響，所以，必須收集足夠的交通、土質、氣象和水文資料，并在同實際工作環境相符的條件下對所用材料進行物理力學性質試驗，獲取可靠的材料參數。而要做到這一點，是非常困難的。因此，現有設計方法都存在不完善之處，還有待隨著研究工作的深入和實踐經驗的積累，不斷地進行修正、補充和完善。

[1]李繼紅，等.瀝青路面結構設計方法探討[J],交通標準化,2012，（10）:50-53.