瀝青路面結構組合性能與控制破壞設計研究

陳啟明

（廣州市公路勘察設計有限公司,廣東 廣州 511430）

瀝青路面作為典型的高等級路面結構形式，其材料組成、層位和結構組合的優劣直接影響著路面功能和耐久性的發揮。路面為車輛行駛提供服務，在全壽命內都不斷承受著車輛荷載的碾壓以及水、溫度等環境因素侵蝕和變化的影響，并且二者通常發生耦合作用，加速了路面材料的劣化以及結構的破壞。由于這種影響至上而下逐漸變化，因此路面必須分層不同的層次進行鋪筑，并且各層的材料組成和結構特性也應當隨深度的不同而發生變化，使得每個結構層能夠承擔不同的使命并充分發揮其性能特點，最終達到控制路面病害和破壞類型，延長路面功能和結構使用壽命的目的。

1 結構分析與組合原則

瀝青路面結構是由不同材料、多個層次組合而成的復合結構。在進行結構設計時，主要分結構組合設計、材料設計和結構層厚度驗算三大方面。最初的結構組合應以達到預期的使用性能要求和控制破壞為目標，主要工作包括結構層次安排、結構層位的受力特性分析以及各層的材料性質和參數選取[1]。進行結構組合設計時應當根據路面性能發揮的影響因素進行分析，這些因素包括公路等級、交通荷載等級、路基的支撐條件、當地的氣溫狀況等方面。

1.1 結構組合原則

公路等級高，則所需要承擔的交通荷載作用次數以及材料和結構的可靠度、穩定性、耐久性要求相應會更高，根據疲勞設計原則，在標準荷載作用下所產生的力學響應就應該更小，以滿足相應容許值的要求，因此就必須對結構層整體厚度或強度進行相應的提升，以控制每層結構的應力應變。當所設計的低等級公路或中等、輕交通荷載等級的路面結構可選用相對較少的結構層數以及薄弱的材料。路基作為路面的基礎，其主要功能是為路面提供一個均勻、穩定的支撐，使得路面結構底部的受力狀態與理論計算模型相一致，并且避免路基路面變形不協調使得路面性能得不到發揮[2]。當路基自身較軟弱、抗變形性能比較差，為了控制路基的豎向變形過大，除了改善路基之外，可也通過設計層后越大，結構越強的路面來減弱傳遞到路基頂面的應力。當在潮濕多雨地區，除了滿足承載能力要求外，還應設計完善的路面內部排水系統應對環境的影響。

1.2 受力特性與結構分析

通過瀝青路面結構在雙圓垂直均布荷載作用下的應力計算結果可知，荷載作用下所產生的垂直應力隨著深度的增加而逐漸變小，瀝青面層大部分屬于高壓應力區，剪應力呈現出先增大后減小的規律，距離路表面5 ～8cm 時達到最大值，水平拉應力一般出現在基層底面，表現出彎拉作用的特點。為了適應這一特點，必須對路面結構不同層位的性能提出不同的要求，如表面層應選擇抗滑耐磨的材料，中面層應選擇更大的模量值，基層應具有良好的彎拉疲勞性能。

除了各結構層自身的力學特性應滿足各自的功能要求之外，為了受力協調，在結構組合時還應充分考慮上下結構層次的相互作用以及層間結合條件是否滿足計算模型的要求。為了避免上層底面產生過大的拉應力和水平剪應力，上下層次的模量比不能過大。合理設計功能夾層，減緩無機結合料類基層固有的的溫縮和干縮裂縫對瀝青面層的影響。采用密級配瀝青混合料面層，控制水分通過空隙和裂縫進入面層產生水損壞以及對基層頂面產生沖刷。各層位之間保持連續或分離狀態，以及對基層整體狀態的不同考慮，也決定著不同層位內應力狀況的分布。在合理處理好相鄰層次的性能特征和相互作用的同時還需要進一步顧及路面體系中各結構層性能的協調，以使得結構組合設計能達到使整個路面結構體系的綜合性能和壽命達到平衡狀態。

2 不同結構組合的結構破壞及設計控制

2.1 無機結合料基層瀝青路面

由于無機結合料基層結構致密，板體性好，應力擴散能力強，因此車輛荷載通過這類半剛性基層傳到路基頂面的壓應力很小，可以使得路基處于彈性變形狀態，與路面協同受力。大量研究表明，半剛性基層路面的路基由于荷載重復作用而產生的永久變形累積量不大，基本上不會產生結構性車轍，但這類路面結構的無機結合料類基層疲勞開裂、半剛性材料自身的溫縮、干縮裂縫所導致的瀝青面層反射裂縫以及瀝青層本身的剪切流動變形等破壞現象更為顯著。控制裂縫和瀝青層失穩型車轍是結構設計的主要破壞控制內容，主要包括：控制無機結合料基層或底基層底面的沿行車方向的拉應力，防止出現疲勞開裂。采取增厚瀝青層厚度或增設土工措施減緩反射裂縫的出現。提高瀝青各層的抗變形能力控制豎向永久變形。

2.2 瀝青結合料基層路面

瀝青結合料類基層與粒料類底基層結構組合能夠很好地消除反射裂縫的影響，維持瀝青面層的連續性，但由于柔性基層組合在荷載作用下路基所受的壓應力較大，容易產生較大的變形，并且柔性基層總體結構強度不如半剛性基層好，容易自上而下在全結構層范圍類產生累積變形。除此之外，作為承重層的瀝青結合料基層會承受路面使用期內主要的彎拉作用，層底的容易產生疲勞裂縫。因此，這類柔性基層瀝青路面結構設計的主要任務是控制瀝青混合料層層底沿行車方向水平拉應變，避免產生自下而上的疲勞開裂。控制瀝青層的永久變形和路基頂面的豎向壓應變。

2.3 粒料類基層瀝青路面

半剛性基層和瀝青穩定層都能適應各等級交通狀況，而貧水泥混凝土剛性基層適合用于特重交通及以上情況，粒料類柔性基層適用于中等或輕交通等級道路。由于剛性路面結構承載能力強，模量遠高于半剛性基層和柔性基層，并且抵抗層底彎拉拉應力的優勢明顯，但由于上下層模量差異太大，層間結合往往成為薄弱點，容易在水平荷載作用下產生較大的剪應力，破壞層間連續狀況，因此需要控制瀝青層的永久變形和層間抗剪切強度。粒料類瀝青路面由于綜合模量太小，其結構設計的主要任務是控制永久變形，避免出現過量的車轍和路表不平整。

3 瀝青路面的其他破壞

在環境因素以及環境和荷載綜合作用下，瀝青路面會出現各種形態類型的功能主導型損壞，主要包括溫縮裂縫、表面層磨損變形、表面抗滑能力下降和水損害等幾大類[3]。瀝青面層的低溫縮裂會根據當地環境溫度變化程度出現不同間距的橫向開裂，裂縫橫貫行車道或部分車道寬。當氣溫較高，瀝青混合料勁度模量降低，路面主要會出現變形類損壞，表現為車轍、縱向推移、局部沉陷等，當面層混合料空隙率設計不合理，還會出現泛油等病害，影響表面抗滑性能。水損害是多雨地區瀝青路面主要的破壞類型，受車輛動水壓力和其他病害的綜合作用明顯，表現為瀝青與集料剝落，基層頂面受到沖刷等，水損害往往伴隨裂縫類損壞而出現，并大大加劇了裂縫的發展和破壞。

4 結語

路面結構組合設計應根據道路技術等級、交通等級與氣候水文等自然因素，結合路面材料的力學特性合理選擇與安排路面結構的各個層次，確保在設計使用期內能夠承受行車荷載與自然因素的共同作用，使得各結構層的強度、模量、變形與力學響應相匹配，控制不同種類的破壞類型，最終達到整個路面結構滿足技術經濟合理的要求。路面建設過程中還應積極利用當地經濟性材料，在保證路用性能的前提下降低路面建設與養護費用。研究為路面設計中深入理解各結構層材料的受力特性和層位特點、控制不同結構組合下的破壞類型提供理論依據。