城市道路瀝青面層抗變形設(shè)計研究

高尚坤 ，董 偉

（青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東青島 266061）

0 引言

路面的永久變形（塑性變形）是瀝青路面的主要病害之一。近年來，由于車輛軸載的增大和夏季平均氣溫的升高，瀝青路面永久變形過大出現(xiàn)的幾率迅速增加，目前已成為瀝青路面最主要的病害之一。永久變形的產(chǎn)生致使道路平整度急劇下降，從而影響了行車的舒適度，同時由于永久變形易造成路面排水不暢、路面積水，容易引起車輛滑移造成交通事故，因此為了保證交通安全，必須對瀝青路面的永久變形進行控制。

瀝青路面的永久變形主要由瀝青面層的永久變形、粒料層和路基的永久變形組成，其中瀝青層的永久變形約占總變形量的 70%左右，且該比例隨著瀝青層厚度的增加而增大，因此，控制瀝青面層的永久變形是控制瀝青路面永久變形的關(guān)鍵。本文主要從城市道路設(shè)計的角度出發(fā)探究控制瀝青面層永久變形的方法。

1 瀝青面層永久變形的類型及產(chǎn)生原因

目前，瀝青面層永久變形的類型主要有車轍、擁包兩種。

車轍，較易發(fā)生在實施渠化交通路段以及港灣車站，其主要表現(xiàn)為路面在車輛荷載作用下沿輪跡帶的縱向凹陷變形，輪跡帶兩側(cè)往往伴有隆起。車轍主要由兩部分組成，一為壓密變形，二為剪切變形，其中剪切變形占主要部分。車轍的出現(xiàn)與車輛通過時垂直壓力過高有著最為直接的關(guān)系，是行車荷載多次重復(fù)作用下路基和路面塑性變形（壓密和剪切變形）逐步積累的結(jié)果，即使路基和路面具有足夠的剛度，在大量重復(fù)荷載的作用下，塑性變形也是相當(dāng)可觀的。在高溫和大軸載、高輪壓的情況下，瀝青層逐步積累的塑性變形更是顯著增加。

擁包，較易發(fā)生在車輛經(jīng)常啟動、制動的地方，如停車站、交叉口等，其主要表現(xiàn)為沿行車方向或橫向出現(xiàn)局部隆起。由于瀝青混合料的瀝青用量偏高或細集料偏多，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性差，面層抗塑性變形的性能不足，當(dāng)橫向水平力（由汽車的牽引力、制動力、汽車轉(zhuǎn)彎、側(cè)滑以及通過橫向斜坡時傳遞到面層上的橫向荷載形成）過大時，易形成剪切位移，造成擁包。

2 城市道路瀝青面層永久變形機理

由于城市道路的交通特性，決定了城市道路與公路產(chǎn)生永久變形的機理是完全不同的。

在城市外圍的公路上，車流接近于連續(xù)流，停車相對較少，車速高，具有對面層加載時間較短的特征。疾馳而過的車輛對面層形成的加載類似于脈沖性質(zhì)的沖擊，汽車制動或停車等造成的長時間加載少且具有偶然性。公路瀝青面層永久變形中車轍占主導(dǎo)因素。

城市道路往往交通繁忙，道路起伏較大，沿線交叉口多，路側(cè)情況復(fù)雜，這些情況都會造成城市道路上車輛頻繁起動、制動，車速相對較低，車輛對路面作用時間長且常伴有較大的水平橫向力（緊急制動時水平橫向力甚至可達到豎向荷載的75%～100%）。長時間的垂直壓力及過大的橫向水平力，使城市道路瀝青面層較公路更容易發(fā)生永久變形。城市道路瀝青面層永久變形中車轍與擁包并重，擁包占主導(dǎo)因素。

在城市道路體系中，由于公交車站處路面同時受到夏季高溫、大軸載、長時間停靠及頻繁起動、制動等因素的影響，瀝青面層永久變形表現(xiàn)得尤為突出。

3 設(shè)計規(guī)范中對瀝青面層抗變形能力的要求及計算

針對城市道路瀝青面層日益嚴重的永久變形，《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169—2012）給出了動穩(wěn)定度及瀝青混合料的抗剪強度兩個指標(biāo)來控制瀝青面層永久變形，同時要求應(yīng)根據(jù)計算對特殊節(jié)點（交叉口進口道和公交停靠站）進行特殊設(shè)計。以下對動穩(wěn)定度及瀝青混合料的抗剪強度兩個指標(biāo)進行分析。

3.1 動穩(wěn)定度

動穩(wěn)定度定義為按規(guī)定條件進行瀝青混合料車轍實驗時，混合料試件變形進入穩(wěn)定期后，每產(chǎn)生 1 mm 輪轍變形所行走的次數(shù)，以次/mm 計。動穩(wěn)定度能較好地反應(yīng)瀝青路面在高溫季節(jié)抵抗車轍的能力。

根據(jù)日本研究表明：（1）輪胎碾壓次數(shù)為 20 萬次時，動穩(wěn)定度在 1 000 以上與不超出 1 000 時相比較，車轍量有明顯差異；（2）動穩(wěn)定度小于 1 000，輪胎碾壓次數(shù)為 10 萬次時的車轍量與動穩(wěn)定度超過 1 000，輪胎碾壓次數(shù)為 20 萬次時的車轍幾乎相等。據(jù)此規(guī)范中給出了每種交通等級下的動穩(wěn)定度最小值供設(shè)計選用。

動穩(wěn)定度主要來源于礦質(zhì)集料顆粒間的嵌鎖作用及瀝青的黏結(jié)作用。實驗表明，集料的嵌擠作用越好，動穩(wěn)定度越大；瀝青黏度越大（硬質(zhì)瀝青），動穩(wěn)定度越大。因此，在需要高穩(wěn)定度的瀝青混合料時可通過調(diào)整集料級配（選用密級配粗型瀝青混合料 AC-C 或瀝青馬蹄脂碎石 SMA），選用針入度較低的瀝青或添加改性劑（SBS、抗車轍劑、天然瀝青）來達到目的。

3.2 瀝青混合料的抗剪強度

瀝青混合料的抗剪強度為在交通荷載（豎向和水平作用力）作用下瀝青層所容許的抗剪強度，其表征著瀝青面層的抗變形的能力。目前瀝青混合料的抗剪強度可通過瀝青混合料抗剪強度實驗（三軸壓縮法）確定。

在具體計算時可通過以下過程控制瀝青混合料：根據(jù)瀝青混合料結(jié)構(gòu)及累計當(dāng)量軸次計算出瀝青混合料結(jié)構(gòu)層容許抗剪強度，根據(jù)彈性層狀體系計算出單次軸載作用下瀝青面層的剪應(yīng)力，通過比選最終確定瀝青混合料。實驗表明，瀝青混合料的抗剪強度來源于礦質(zhì)集料顆粒間的嵌鎖作用及瀝青的黏結(jié)作用。其也是通過調(diào)整集料級配（選用密級配粗型瀝青混合料 AC-C 或瀝青馬蹄脂碎石 SMA）、選用針入度較低的瀝青或添加改性劑（SBS、抗車轍劑、天然瀝青）來提高。

動穩(wěn)定度與瀝青混合料的抗剪強度兩個控制指標(biāo)均表征瀝青面層的抗變形的能力，一個偏于經(jīng)驗，一個偏于理論。國內(nèi)實驗表明，瀝青混合料的抗剪強度與瀝青動穩(wěn)定度之間存在良好的相關(guān)關(guān)系（相關(guān)性 R2=0.988），隨著瀝青混合料的抗剪強度增大，其穩(wěn)定度也呈上升趨勢。

3.3 模擬計算

為加強對瀝青抗剪強度的理解，以下根據(jù)規(guī)范擬定計算步驟及要求，對城市道路港灣車站處瀝青路面模擬計算。

假定某主干路上公交車站白天平均每分鐘有1 輛公交車停靠站（停靠站共 5 趟線路，每趟線路發(fā)車間隔 5 min），每輛公交車軸載等量代換約為4.5 個標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪軌跡分布系數(shù)為 0.7，道路縱坡為零，一般路段設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)一個車道上的累計當(dāng)量軸次為 1 800 萬次。

港灣車站處 15 a 同一位置停車的累計當(dāng)量軸次約 1 200 萬次。

港灣車站：抗剪強度結(jié)構(gòu)系數(shù) Kr=0.39Np0.15/Ac=4.5。

一般路段：抗剪強度結(jié)構(gòu)系數(shù) Kr=1.2/Ac=1.2。

采用 BISAR3.0 進行計算，水平力根據(jù)汽車剎車特性加載：對于港灣車站等緩慢制動路段結(jié)合規(guī)范選用 0.2 倍軸重；對于一般路段考慮緊急制動結(jié)合規(guī)范選用 0.5 倍軸重。

港灣車站：經(jīng)計算，剪應(yīng)力最大處位于離路表0.1 h1、距單圓荷載中心點δ處，最大剪應(yīng)力為τm=0.263 MPa，τm· Kr=0.263×4.5=1.18 MPa。

一般路段：經(jīng)計算，剪應(yīng)力最大處位于荷載外邊緣路表距單圓荷載中心點 0.9δ處。最大剪應(yīng)力為 τm=0.439 MPa。

根據(jù)以上計算分析，主干路一般路段瀝青路面混合料抗剪強度在 0.6 MPa 時即可滿足設(shè)計要求；港灣車站處瀝青路面混合料抗剪強度在 1.2 MPa以上方可滿足設(shè)計要求。目前普通密級配瀝青混合料抗剪強度（60℃）一般為 0.4～0.8 MPa，因此一般路段瀝青路面采用普通密級配瀝青混合料即可滿足抗剪的要求，而若滿足港灣車站處瀝青面層的使用要求，需采取措施（改用 SMA、添加抗車轍劑等）提高瀝青混合料的抗剪強度。

4 具體實施存在的難點

瀝青面層的永久變形理論已基本成熟，但目前在按規(guī)范中的理論進行實施時，尚存在以下問題需進一步研究解決。

4.1 設(shè)計層面

（1）目前由于設(shè)計規(guī)范中缺乏對每種材料的動穩(wěn)定度指標(biāo)的詳細規(guī)定，設(shè)計人員不能更好地判別是否該種材料的性能能滿足要求，是否需要進行改性。建議設(shè)計單位應(yīng)聯(lián)合瀝青混合料生產(chǎn)單位進行道路設(shè)計，詳細了解每種瀝青混合料的動穩(wěn)定度及抗剪強度指標(biāo)。

（2）目前市面上抗車轍劑種類眾多，質(zhì)量參差不齊，部分抗車轍劑犧牲了瀝青的低溫抗裂及水穩(wěn)定性。建議設(shè)計單位在進行改性劑的選擇時，應(yīng)從長遠的角度出發(fā)，詳細論證并合理取舍瀝青混合料的各種指標(biāo)。

（3）瀝青層剪應(yīng)力的計算理論尚不是特別完善，各參數(shù)取值尚不是特別明確且計算精度差，目前計算可通過殼牌石油公司的 BISSA3.0 進行粗略計算。

（4）目前瀝青抗剪強度與動穩(wěn)定度尚無統(tǒng)一的回歸公式，兩個指標(biāo)關(guān)聯(lián)性差。設(shè)計時經(jīng)常出現(xiàn)兩個指標(biāo)不能相互對應(yīng)或所提指標(biāo)與道路交通等級不對應(yīng)的現(xiàn)象，嚴重影響了瀝青混合料的選擇。

4.2 施工層面

（1）交叉口、港灣車站、公交專用道處單獨鋪裝，增加了施工的工序及施工難度。建議對路口間距較小的主次干路路口及路段處，采用同一種瀝青混合料，保證瀝青面層攤鋪的連續(xù)；對路口間距較大的可采用兩種不同的面層結(jié)構(gòu)，但在施工時應(yīng)保證每種瀝青混合料一定的施工面積及施工長度，以提高瀝青的攤鋪質(zhì)量，減小材料的浪費。

（2）瀝青路面產(chǎn)生了大量的接縫，接縫處容易發(fā)生水損害。施工時要進一步加強對瀝青面層接縫的處理，接縫應(yīng)按照高等級道路縱向接縫的處理方式處理。

（3）瀝青路面不能連續(xù)攤鋪碾壓，這樣會造成瀝青路面離析，且易造成壓實度不均勻，部分區(qū)域壓實度下降，最終道路瀝青的動穩(wěn)度降低，車轍加重。施工時應(yīng)加強對瀝青壓實的管理，攤鋪后及時碾壓，并根據(jù)實際對不同的面層結(jié)構(gòu)采用不同的壓實方案。