瀝青路面結構設計方法研究與發展

謝香蓮

（湖南省高速公路管理局衡陽管理處，湖南衡陽 421000）

瀝青路面結構設計方法研究與發展

謝香蓮

（湖南省高速公路管理局衡陽管理處，湖南衡陽 421000）

通過借鑒國外的研究成果，中國構建了自己的瀝青路面結構設計方法，但根據該方法設計的瀝青路面通常在使用不到10年就需要進行大中修，更嚴重的僅使用2～3年就出現早期損壞，遠未達到其設計使用期限。文中就國內瀝青路面出現的問題作簡要分析，指出現行路面結構設計方法的缺陷，并對瀝青路面結構設計研究近況進行評述，最后對瀝青路面結構設計新理念進行了展望。

公路；瀝青路面；結構設計；路用性能

隨著中國交通運輸量的日益增加，普通瀝青路面結構已不滿足重載交通的特殊需求，不同程度的路面病害越來越多，浮現的時間也日益靠前，即使通過各種措施對設計、施工及養護進行改善，但因其設計方法自身的缺陷路面病害的提前發生成為一種必然趨勢。中國現行瀝青路面設計中，路面結構設計與材料組成設計互相分離，而結構設計上的缺陷只能通過提高材料性能的方法來彌補；設計指標過于單一，不能有效分析路面的結構破壞形式，沒有明顯的控制作用；設計參數不能代表真實的外在環境和荷載變化；路面厚度的選擇局限于力學角度，沒有完全從整個壽命周期的角度考慮后期養護、改建等成本。為此，必須對重交通路面的損壞機理和緣由進行深入調查與分析，及時把控新環境下的新變化，優化路面結構設計。

1 瀝青路面結構設計方法的發展

瀝青路面設計方法共經歷了古典理論法、經驗設計法和理論分析法3個階段。古典理論法將土基層頂面的應力大小作為路面設計厚度的基本參數，隨著路面力學理論、施工技術水平及路面結構形式和研究方法的不斷進步，該方法逐漸走向末路。目前，經驗法和理論分析法是最主要和使用頻率最高的路面設計方法。

經驗法是根據試驗道路監測數據換算路面性能和結構及路面上覆荷載三者之間的關系，其中最有名的是美國CBR法。CBR法以試驗所得加州承載比作為路面的基本性能參數，根據路面數據測量與調查結果，得出CBR值-輪載-路面結構層厚度之間的經驗關系曲線，路面各結構層厚度可通過路面材料的CBR值進行軸當量換算得到。該方法以加州承載比作為路面材料的一種性能指標已得到廣泛使用。

理論分析法或力學-經驗法是基于經驗的設計方法，它最開始研究路面在荷載和環境因素共同影響下的力學性能反應，將路面性能與應力應變建立模型，并從模型中分析它們之間的關系，最后根據設計初衷對其進行合理的結構規劃。理論分析法的框架由殼牌公司的專家在第一屆瀝青路面結構設計國際會議上提出，并經過不斷完善形成了多種不同設計方法。AI和柔性路面設計法（Shell）是其中的典型代表，世界上多數國家均借鑒這兩種方法的研究成果制定本國的路面設計理論方法，且都是以裂縫和永久變形作為設計標準。中國瀝青路面設計方法也屬于理論分析法，路面模型的建立借鑒了Shell法，把路面看成多層彈性體系進行路面設計。

2 中國瀝青路面結構設計方法的缺陷

2.1 路表彎沉指標的局限

路表彎沉是指在荷載作用下路面整體結構在豎直方向產生的位移，其大小表示路面整體構造在抵抗變形能力方面的強弱，具有整體性、表觀性。路面是多層彈性體結構，是用類型各異的材料組成結構層，并將互不相同的結構層進行組合而成，各層結構可擁有相異的力學、幾何屬性，路面結構性能的好壞與各結構層組成的整體性能相關，也取決于各層結構性能的優劣。尤其是當結構層間的組合或材料選用不相適宜時，對于具有相同彎沉值的兩個不同路面結構，會因結構層組合或材料類型上的迥異使其

使用期限或承載能力各異。因此，不能在路表彎沉指標與含有不同破壞類型及破壞標準的不同路面結構之間尋求一種密切的聯系。同時，路表彎沉的大小主要取決于土基的變形量，但外部環境條件也對其有影響，特別是受路面內部結構中干濕情況影響很大，故把各不相同的路面結構強度由路表彎沉來評定不具有足夠的說服力。路表彎沉指標對于復雜路面結構不能說明和囊括所有不同路面結構的差異與多種破壞類型，瀝青路面主要設計參數有待完善。

2.2 粗放型路面設計

在影響瀝青路面力學參數的眾多因素中，環境的作用不可忽視。瀝青路面使用性能的衰減不僅受外部荷載作用，也與溫度、空氣、陽光和降水等作用密切相關，而絕大部分路面設計方法忽略濕度或水的影響，對溫度的影響也僅作粗略考慮，不能保證適用于每種不同情況。如在溫差變化較劇烈的地區，由于應力大于瀝青層抗拉強度而造成的低溫縮裂問題在規范中并沒有考慮。

2.3 結構設計與材料設計相脫離

瀝青路面結構組合方式和路面材料選取并不具有協調性，缺乏對不同材料性能與路面使用性能間關系的考慮，對路面材料的選取著重于其本身的性能，沒有考慮各層材料間的相互影響，只是單一地根據各層功能、特性選取相應的材料，未給予路面結構整體性的思量。同時沒有確定路面材料性能評價指標與實際中其路用性能之間的相應聯系。

2.4 未考慮經濟因素

現行路面設計方法確定了路面結構和厚度組成，卻未考慮路面結構的修建費用、維修費用、使用者費用和進行全壽命分析費用，這些因素均會造成路面結構可靠度嚴重下降。

在日益嚴俊的交通背景下，依據舊有方式設計的路面結構浮現出的問題逐漸增多，隨著社會的發展，路面設計理念及方法需不斷更新和完善。

3 基于路用性能的長壽命瀝青路面設計新理念

3.1 長壽命瀝青路面

重載貨車交通量的大幅增長使路面通常在設計年限之前就出現嚴重損壞。為從根本上使瀝青路面的性能得到改善，減少壽命周期費用，延長其使用年限，長壽命瀝青路面設計理念應運而生，且自20世紀90年以來成為研究熱點。

長壽命瀝青路面設計理念是在不改變路面足夠厚度的條件下，使路面病害限定在路面表層（25～100 mm），只需定期對路面表面進行養護，即可基本保證運營情況下路面結構穩定，確保在瀝青路面使用期限里結構不會遭受過大損壞。圖1為長壽命路面結構示意圖。

圖1 長壽命路面結構示意圖

3.2 基于路用性能的全壽命周期設計理念

從全壽命瀝青路面的路用性能出發，將材料、環境、荷載及結構等各種因素綜合考慮，選取一個全方位且符合設計規范的設計方法。在瀝青路面結構設計的決定因素中，一般會考慮荷載、環境、結構及材料4個指標的綜合影響，把路用性能作為路面結構設計的宗旨，結合路面建設及養護維修等基本費用，探討全壽命周期內路面的效益，從中選取經濟效益最大的路面結構組合方案。此即基于路用性能的瀝青路面設計全壽命周期理念。

在路面結構方案選定過程中，除要考慮路面建設期初的各項性能、費用外，還要考慮路面在運營、改建、養護中的經濟效益和性能指標，即在路面的整個壽命周期里選取經濟效益較為顯著的路面結構組合方案。

一般采取效益-費用比法、現值法和年費用法等，將效益費用所占比例最大的方案或時機選為最適宜方案。例如基于效益-費用比法，對比分析不同路面結構設計方式，選取不同路面的最佳養護方案及時機，得出每種設計方法在全壽命周期里的費用-效益指標，進而選出在全壽命周期內的最佳路面方案。

3.3 長壽命瀝青路面結構層設計特點

（1）長壽命瀝青路面結構層回彈模量及厚度值是基于理論分析法，結合彈性層狀體系理論觀察各結構層應力和應變變化情況，由控制地基頂面壓應變、瀝青層層底拉應變等主要參數所得出。

（2）長壽命瀝青路面思想是依據原水泥砼路面

設計理念提出的，對抗疲勞層的設置并沒有特別考慮，但長壽命瀝青路面基層瀝青混合料通常具有較大油石比，所以其在抗疲勞方面表現優秀。

（3）為防止反射裂縫的出現，長壽命瀝青路面通常用級配碎石或瀝青碎石等組成其底基層或基層的結構。

（4）世界上大多數國家均基于實際調查和統計總結出長壽命路面結構設計方式，長壽命瀝青路面結構設計方法尚未完善。

4 結語

瀝青路面結構設計期限通常為15～20年，而中國瀝青路面實際運營不足10年便需進行大型檢測修整，有的甚至運營2～3年就出現早期破壞。中國瀝青路面結構設計中，依據彈性層狀體系進行路面結構計算，把瀝青面層底部彎拉應力、路表設計彎沉和基層底面彎拉應力作為主要設計參數。而隨著道路交通事業的快速發展，當前路表彎沉等設計指標不能反映實際路面的損壞狀況，也不符合重載交通背景下路面構造設計要求。由于瀝青路面結構設計方式和選取路面材料的方法不協調，導致材料性能和路面性能之間構建不出直接的關聯，對路面在高軸載、高輪壓作用下的狀況也考慮不夠周全。總之，國內瀝青路面設計方式尚存在一定缺陷，需不斷改進和發展。

結合國內瀝青路面結構設計現狀，該文認為瀝青路面設計方法應向路面設計性能方向發展，盡管當前該設計構造出的框架體系處于萌牙階段，但若想從根本上解決瀝青路面建設中遇到的問題，就必須丟棄目前簡單的思維模式，根據路面性能的需要進行進一步研究，并參照先進、前衛的設計方式，如材料特性與結構相協調的設計、永久性路面結構的壽命匹配和路面經濟型修復等理念，設計出性能優良的瀝青路面。

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