長壽命瀝青路面結構設計研究

魏鵬

（天津城建設計院有限公司，天津市 300000）

0 引言

近年來，隨著公路上的汽車荷載和交通量的增加，許多公路常常達不到甚至遠遠低于設計壽命時就出現了損壞，需進行較大規模的維修養護甚至重建。目前，我國的高速公路設計年限通常為20～30 a，而實際的使用壽命卻只有8～10 a。有的高速公路甚至只營運了2～3 a就開始出現很嚴重的病害。對于城市間的重要道路、高速公路來說，公路的維修必然會對廣大民眾的出行造成不便，使人們的駕車時間延長，燃油消耗量增加，造成大量的用戶費用、維修費用的浪費等問題，同時也給社會帶來巨大的經濟損失，從壽命周期費用分析的角度來看，毋庸置疑這是不經濟的。如何延長公路的使用年限，這已成為我國乃至全世界公路建設者目前最為關心的問題之一[1-5]。

1 長壽命瀝青路面設計理念

1.1 長壽命瀝青路面設計理論基礎

（1）疲勞極限

傳統瀝青路面結構設計方法與長壽命瀝青路面結構設計方法區別很大，傳統瀝青路面設計荷載的輸入參數是累計交通量，而長壽命瀝青路面的參數是設計交通軸載，其理論基礎是瀝青混合料疲勞極限理論，所謂疲勞極限就是指瀝青混合料存在一個彎拉應變臨界點，當路面結構的彎拉應變低于這個值時，瀝青混合料層底就不會出現疲勞損傷，這個拉應變臨界點對應的就是疲勞極限。Long和Monismith建議控制瀝青混凝土層底的彎拉應變不大于60 με。1許多科研人員認為改性瀝青混合料的疲勞極限可以提高到100 με。日本研究人員西澤認為瀝青混合料的疲勞極限應小于200 με。

（2）基頂壓應變

國外大量的高速公路車轍狀況調查顯示，當瀝青結構層厚小于18 cm時，車轍率較大；當瀝青層厚大于18 cm時，車轍率將迅速降低。對于瀝青層較厚的道路，車轍集中發生在瀝青層表面，屬于表面車轍。這是表面功能層損壞，通過進一步罩面設計就能夠保證結構良好。

但是，對于因結構層的永久變形而導致的結構性車轍破壞，為了控制結構性車轍的車轍深度可通過控制路基土的永久變形來實現。在結構層設計上，道路研究人員建議把基頂壓應變作為控制路面總變形量的設計指標。美國的長壽命路面建議路基土垂直壓應變應小于200 με，若容許壓應變大于結構層基頂壓應變，則認為路面結構在設計年限內不會出現結構性車轍破壞，能夠達到長壽命要求。

1.2 長壽命瀝青路面的設計壽命

各個國家對于長壽命瀝青路面的壽命期望從30～50 a不等。英國公路署、瀝青協會和建設材料協會期望長壽命瀝青路面的使用壽命能夠達50 a以上；美國瀝青路面協會對于長壽命路面的定義為必須達35 a以上的設計壽命。美國各州對于長壽命路面的定義有所不同，各州期望的長壽命路面的設計壽命在30～50 a之間；日本則定義長壽命路面的使用壽命在40～60 a之間。我國學者根據我國實際情況認為，長壽命瀝青路面的使用年限應大于30 a。

假設把40 a作為長壽命路面的使用年限，針對這一目標，可以以主要承重層與表面功能層的設計壽命作為長壽命路面設計標準的主要控制指標。然后針對長壽命瀝青路面各結構層的具體型式，選用相應的規范標準來進行驗算、控制其設計壽命。結合國外設計相關規定，可以定義長壽命路面的設計標準如下：

（1）表面功能層設計壽命應在8 a以上；

（2）主要承重層設計壽命應該達40 a左右。

2 長壽命瀝青路面結構組合設計要求

2.1 普通瀝青路面結構組合設計要求

2.1.1 適應行車荷載的要求

作用在路面上的行車荷載一般包括水平力和垂直力，沿路表深度方向產生的剪應力及壓應力逐漸衰減。所以，首先要求路面面層具有足夠的抗變形能力和強度，其它各結構層應按照剛度和強度自上而下遞減的規律進行組合，以使結構層充分發揮其效能。

根據這種原則，路面結構的層數越多，剛度和強度沿深度遞減的規律越能體現出來。但就路面施工工藝及整體受力而言，層數又不宜過多，即結構層的厚度不能過小。適宜結構層厚度需要綜合考慮施工工藝、強度要求、工程造價以及材料供應等，應從上到下由薄到厚。

瀝青路面厚度與瀝青品種和質量、交通量以及公路等級有關，須對這些因素進行綜合考慮，瀝青層厚度的確定須滿足行車荷載的要求。選擇基層、底基層的厚度時應考慮材料力學性能、交通特性和擴散應力的效果，并使壓實機具的功能充分發揮出來且有利于施工。

路面結構的應力分布在很大程度上受到瀝青路面相鄰結構層材料的模量比的影響，是選定適宜結構層材料、合理確定結構層層數的重要考慮因素。根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2006）瀝青路面結構組合設計，瀝青面層與基層之間的模量比不宜小于3；底基層與基層之間的模量比不宜小于2.5；土基與底基層之間模量比不宜小于10。

2.1.2 具有良好的穩定性

在各種因素的作用下，路面結構須具備良好的穩定性。在進行路面結構層組合設計時須保證瀝青路面的水穩定性。當瀝青路面修筑在中濕和潮濕路段上時，由于瀝青層透氣性能不好，使基層和路基中水份蒸發的通道被割斷，導致向基層聚積。如果基層材料中含土量較多，特別是土的塑性指數較大時，遇水則變軟，剛度和強度急劇下降，導致路面開裂破壞。所以瀝青路面的基層通常采用水穩定較好的材料，特別是在中濕路段以及潮濕路段尤應如此。

在季節性凍土地區，當路基土為易凍脹土，凍深較大時，經常產生翻漿和凍脹。在這種路面結構中應當設置防止翻漿和凍脹的墊層。確定路面總厚度時，應同時滿足強度和防凍厚度的要求，以免較厚的聚冰帶出現在路基內，防止導致路面開裂的不均勻凍脹的產生。防凍厚度與路基土質、路基潮濕類型、路面結構層材料熱物理性質以及道路凍深有關。

在氣候干燥和冰凍地區地區，無機結合料穩定粒料類基層經常產生收縮裂縫。如果在其上直接鋪筑瀝青層，會導致面層產生反射裂縫，為了解決這一問題可在其間加設者優質瀝青材料層或一層粒料，也可以適當增加面層的厚度。

2.2 長壽命瀝青路面結構組合要求

除了滿足普通瀝青路面的結構組合原則外，長壽命瀝青路面的結構組合還需要考慮以下三個原則：

（1）滿足長壽命路面設計指標及標準

借鑒國外長壽命瀝青路面設計指標，瀝青層底的彎拉應變應小于70με，而基頂的壓應變應小于200με。為了滿足長壽命瀝青路面設計指標，瀝青層的厚度與結構層的總體厚度都有一定要求。

（2）結構組合與路面結構類型相匹配

根據基層的不同，長壽命路面分為半剛性基層長壽命路面與柔性基層長壽命路面。結構類型不同，受力模式及特點不同，結構層的組合要求也不同。對于半剛性基層長壽命瀝青路面而言，由于半剛性基層強度高，模量遠大于瀝青層，各結構層的應力應變一般均可滿足長壽命路面的設計要求，因此控制半剛性基層的開裂成為關鍵問題。從結構組合方面考慮，不僅需要設置抗疲勞層以提高瀝青路面的抗疲勞性能，而且需要設置高模量的瀝青層來提高抗剪切變形的能力和減小基頂壓應變。另外，需要提高土基的承載能力來減少對瀝青層的要求。

（3）層間結合盡可能連續

為了提高瀝青路面整體承載力，必須加強長壽命瀝青路面層間結合，避免在荷載及高溫作用下產生層間滑移，這是長壽命路面結構設計的重要內容。從結構組合來看，基層上應設置透層瀝青，在半剛性基層上應設下封層，瀝青層之間應設置粘層。

3 長壽命瀝青路面結構層厚度設計

3.1 設計方法

隨著交通量和軸載的增加，瀝青路面的諸多設計方法的局限性也愈加顯化，針對于解決此類問題誕生了基于力學的長壽命路面結構設計方法，運用力學方法來分析路面結構對氣候和荷載的響應。實質上，此類設計方法與我國采用的傳統力學經驗法并無明顯區別，仍然采用雙圓荷載作用下的層狀彈性理論體系。Monismith和Long1992年在TRB會議上提出了運用力學方法來分析路面結構對氣候和荷載的響應。

3.2 設計使用年限

基于經濟性考慮，路面設計壽命一般超過30a。各國長壽命瀝青路面設計年限見表1。從表1中可見不同國家和地區長壽命路面設計年限選取標準從20～50 a不等，經專家論證北京市長壽命路面設計年限選擇二者的中值35 a，作為長壽命路面設計使用年限。

表1 各國長壽命瀝青路面結構設計年限a

3.3 國道G108長壽命路面示范工程設計標準

綜合考慮技術與經濟性，結合北京實際情況，國道G108長壽命路面采用如下設計標準。

設計年限：基層35 a，面層12 a。

瀝青層極限應變標準：一般瀝青層小于60με，改性抗疲勞層瀝青混合料小于120με。

對于半剛性基層，應力強度比應小于0.35。土基頂面壓應變：小于200με。

3.4 路面結構厚度計算

試驗段位于起點（南村立交）——奇蘿沱立交，各年交通量預測結果見表2。

車型調查結果顯示，客車約67%，貨車約33%。貨車中，大貨比例約占37.5%，居各貨車車型之首；拖掛比例也相對較高，約占25.5%；小貨、中貨、大貨、拖掛比例分別為17.5%，18.5%，37.5%，25.5%，重車（大貨和拖掛車）約占總交通量的21%。這表明區域大型車比例相當高，長途過境車輛較多，貨運相對較發達。

表2 各年交通量預測結果 veh/d

國道108與京港澳（京石）高速作為北京市西南部通道，其車輛軸載譜的分布具有一定的可借鑒性。根據北京市首都公路發展有限公司2010年11月份京港澳(京石)高速大型車軸載調查成果，車輛的最大軸重達到了322 kN，見表3。若以此作為半剛性路面的設計荷載，顯然過于保守。

表3 京港澳高速公路最大軸重調查表

由圖1可以看出約95%軸重在150 kN以下，同時考慮到本工程起點將來會設置檢查站，因此，本次取150 kN軸載作為路面結構的設計軸載。

圖1 京港澳高速公路貨車軸載超載率分布

采用我國現行瀝青路面設計程序和Shell的瀝青路面計算程序Bisa3.0分別進行了計算，計算一致，結果見表4。

表4 組合路而結構計算結果

4 結語

長壽命瀝青路面是我國高速公路發展的趨勢，在路面設計中，應該從路基、基層、面層等方面共同入手，采用合理的結構形式和材料，延長其使用壽命，使其符合長壽命瀝青路面結構的設計思想。