瀝青路面設計的基本原則

文

責任編輯/謝博識 美術編輯/李儀靈

公路的使用功能由路面呈現(xiàn)。路面是公路直接承受車輛與環(huán)境作用的層狀結構體。瀝青路面作為多元復雜的經(jīng)濟社會技術系統(tǒng)，具有運動性，充滿矛盾性。對瀝青路面發(fā)展起決定性作用的是路面設計的基本原則，反映經(jīng)濟社會技術的綜合要求。備受關注的力學響應問題，實際上是技術層面的一個點，其隨時間動態(tài)變化構成線，表現(xiàn)于材料、結構、荷載、環(huán)境等構成面。點線面體協(xié)調(diào)平衡，取決于路面設計的基本原則，包括安全性、舒適性、適用性、經(jīng)濟性、耐久性、環(huán)保與可持續(xù)性等原則。

發(fā)展歷程回顧

1902年伊利諾伊大學的貝克爾（IRA O.BAKER）教授在著作《道路與路面》的前言中指出，道路建造和養(yǎng)護的科學是基于確立的基本原則，藝術取決于來自這些原則的正確推理，而不是遵從施工的規(guī)則和方法。

路面設計的基本原則及其落地實施，最直接的體現(xiàn)是在設計標準規(guī)范中，且隨歷史發(fā)展不斷演變。瀝青路面在我國的使用僅有百年，高速公路三十幾年。新中國成立前，受當時經(jīng)濟技術條件限制，涉及瀝青路面的標準規(guī)范少且粗疏。1958年發(fā)布實施的《路面設計規(guī)范》（草案）提出了路面等級及種類選擇的因素，1978年《公路柔性路面設計規(guī)范》（內(nèi)部試行）首次明確了路面設計應遵循的原則，隨后1986年版、1997年版和2006年版中有所調(diào)整，而在2017年版《公路瀝青路面設計規(guī)范》中改變了表述。

民國時期

1919年《修治道路條例》規(guī)定了國道、省道、縣道、里道分類及其寬度要求，未涉及路面；這一年，美國《公路工程師手冊》歷經(jīng)3年編纂完成，全面介紹了瀝青、瀝青面層、瀝青碎石路面和瀝青混凝土路面等技術及其發(fā)展。1929年《國道工程標準及規(guī)則》規(guī)定國道路面分類四種，其中丙種路面必要時得施用柏油材料。1934年《公路工程準則》提出路面建筑分為六級，有壓實厚度規(guī)定要求，但指出“六級路面，如水泥、柏油等高級路面非絕對需要及有國產(chǎn)材料可利用時不宜建筑以節(jié)費用。”1941年《公路工程設計準則》將路面種類分為高級、中級、低級，高級包括瀝青路面，中級包括瀝青類材料表面處置路面，并規(guī)定路面等級視交通量及財政狀況而定，依據(jù)當?shù)厮a(chǎn)路面材料及各路段路床土壤狀況設計之，以期合用與經(jīng)濟。

1947年版路面規(guī)范

1958年版路面設計規(guī)范

1978年版柔性路面設計規(guī)范

京臺高速公路路面鋪筑

作為首個路面設計規(guī)范，1947年的《公路路面規(guī)范草案初稿》提出，決定選擇和采用何種路面之因素為：（1）運量及運量之性質(zhì)；（2）土壤及氣候情形；（3）現(xiàn)行之可用材料；（4）分期筑路；（5）經(jīng)濟觀點；（6）財力情形；（7）保養(yǎng)組織及方法；（8）聲音；（9）行車舒適；（10）外觀；（11）塵埃；（12）附近土地所有權人之意見。在“柔性路面之設計”部分，介紹了確定路面厚度的一些理論公式、經(jīng)驗公式和通用方法。

新中國成立后

1951年版《公路工程設計準則》（草案）提出了公路標準分等即一等路到五等路，同時將路面分成三級即高級路面、中級路面、低級路面，并規(guī)定“在設計時，應就經(jīng)濟狀況、行車密度、載重等級、土壤性質(zhì)、材料供應、未來發(fā)展等統(tǒng)籌決定。”1954年版《公路工程設計準則》中，路面結構的鋪砌層由磨耗層、防護層和承重層組成，路面分類為柔性路面、剛性路面、半剛性路面，路面等級細分為I、II、III三等九級，并規(guī)定“選擇路面等級時，應以就地取材為原則，并就行車密度、行車速率、荷載類型、土壤性質(zhì)、氣候條件及未來發(fā)展等統(tǒng)籌決定，以符合于經(jīng)濟和技術的合理性。”1956年版《公路工程設計準則》（修訂草案）中，路面又可分為高級路面、簡易式高級路面、過渡式路面和低級路面，路面之選擇應根據(jù)使用任務、就地取材、經(jīng)濟條件、自然條件等方面的原則在技術經(jīng)濟上進行比較決定之。1981年版《公路工程技術標準》首次提出高速公路、一級公路應采用高級路面。

1958年發(fā)布實施的《路面設計規(guī)范》（草案）將路面分為高級路面、次高級路面、過渡式路面和低級路面四個等級，以及柔性路面、剛性路面二類，并提出：“對路面等級及種類的選擇，應根據(jù)技術經(jīng)濟計算、使用要求及下列各項因素確定：（1）公路路線等級和投資額的大小；（2）交通密度和交通性質(zhì)；（3）當?shù)刂凡牧系男再|(zhì)；（4）當?shù)貧夂颍募巴寥罈l件；（5）運輸費用的降低和投資額的償還期限；（6）將來養(yǎng)護費用的大小；（7）施工機具和運輸工具的供應情況。”

1966年《公路路面設計規(guī)范》是對1958年版規(guī)范的部分修訂，在修訂說明中指出系根據(jù)“公路工程技術標準（第四次送審稿）中有關路面設計原則性的規(guī)定”，提出了在路面設計中應做到的五項要求。那時，渣油表處逐步推廣使用，而路面設計原則仍主要來源于公路工程設計準則。

1976年以后

1976年，隨著黑色路面迅猛增長，集中全國24個單位對研究成果進行交流討論，委托交通部科學研究院編寫《柔性路面設計方法及計算參數(shù)》報告，首次提出路面結構設計的技術經(jīng)濟原則，“為了既節(jié)約又適用，除貫徹就地取材、按材設計、分期修建等原則外，根據(jù)我國公路交通運輸特點，當前可以按‘薄面強基穩(wěn)土基’這個總的原則進行設計”，詳細分析了理由，并認為“‘薄面強基穩(wěn)土基’這三者是有機聯(lián)系的三個環(huán)節(jié)，是考慮面層、基層、土基三者關系的指導原則，不能片面強調(diào)一方面而忽視另一方面，亦即沒有‘穩(wěn)土基’就不能獲得‘強基’，沒有‘強基’就不能用‘薄面’。”

落實到1978年《公路柔性路面設計規(guī)范》（內(nèi)部試行）中，第1條提出，為實現(xiàn)新時期的總任務，做到精心設計，采用先進技術；提出經(jīng)濟合理、安全適用的設計方案。第2條規(guī)定，路面設計應遵循以下原則：（1）因地制宜，就地取材，方便施工，利于養(yǎng)護；（2）按路基穩(wěn)定、基層堅實、面層耐用的要求進行綜合設計；（3）加強調(diào)查研究，大搞技術革新和科學實驗，認真總結經(jīng)驗，積極采用新技術、新材料、新工藝、新設備；（4）對分期修建的工程，應統(tǒng)一規(guī)劃，使前期工程在后期能充分利用。

瀝青鋪面330m×300m

1997年版公路瀝青路面設計規(guī)范

2017年版公路瀝青路面設計規(guī)范

1986年《公路柔性路面設計規(guī)范》第1.0.3條“設計原則”規(guī)定，路面設計應根據(jù)使用要求及氣候、水文、地質(zhì)等自然條件，密切結合當?shù)貙嵺`經(jīng)驗，進行路基路面綜合設計；應遵循因地制宜、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護的原則，比選路面結構設計方案；在條件許可下，優(yōu)先選用便于機械化和工廠化施工的方案。使設計具有技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用，并與環(huán)境協(xié)調(diào)的綜合效益。當時，高速公路建設已經(jīng)起步，密實性的瀝青混凝土開始應用，瀝青層由柔變韌。

1997年以后

1997年《公路瀝青路面設計規(guī)范》第1.0.1條指出，使路面在設計年限內(nèi)滿足各級公路相應的承載能力、耐久性、舒適性、安全性的要求，確保工程質(zhì)量、降低工程造價。第1.0.4條“設計原則”規(guī)定：（1）路面設計應根據(jù)使用要求及氣候、水文、地質(zhì)等自然條件，密切結合當?shù)貙嵺`經(jīng)驗，進行路基路面綜合設計。（2）在滿足交通量和使用要求的前提下，應遵循因地制宜、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護、節(jié)約投資的原則，進行路面設計方案的技術經(jīng)濟比較，選擇技術先進、經(jīng)濟合理、安全可靠、有利于機械化、工廠化施工的路面結構方案。（3）結合當?shù)貤l件，積極推廣成熟的科研成果，對行之有效的新材料、新工藝、新技術應在路面設計方案中積極、慎重地加以運用。（4）路面設計方案應注意環(huán)境保護和施工人員的健康和安全。

路面結構

瀝青層厚度劃分

2006年《公路瀝青路面設計規(guī)范》第1.0.5條規(guī)定了瀝青路面設計遵循的原則，包括：按照全壽命期成本的理念設計路面；進行路基路面綜合設計；遵循因地制宜、合理選材、節(jié)約資源的原則，選擇技術先進、經(jīng)濟合理、安全可靠、方便施工的路面結構方案；結合當?shù)貤l件，積極、慎重地推廣新技術、新結構、新材料、新工藝；符合國家環(huán)境保護的有關規(guī)定，保護相關人員的安全和健康，重視材料的再生利用與廢棄料的處理。2012年我國高速公路通車里程躍居世界第一，多為瀝青路面。至今，隨著改性瀝青、SMA瀝青瑪蹄脂混合料等的利用，瀝青路面朝著高性能、多功能發(fā)展。

2017年《公路瀝青路面設計規(guī)范》改變了路面材料的設計參數(shù)、調(diào)整了設計指標，建立了動態(tài)參數(shù)和多指標新設計體系。總則第1.0.3條規(guī)定，“應根據(jù)公路等級、路面使用性能要求和所需承擔的交通荷載，結合當?shù)貧夂颉⑺摹⒌刭|(zhì)、材料、建設和養(yǎng)護條件、工程實踐經(jīng)驗和環(huán)境保護要求等，進行結構組合、材料設計和厚度設計，通過技術經(jīng)濟分析選定設計方案”。在結構組合設計中，第4.1.1條提出，路面結構組合設計應針對各種路面結構組合的力學特性、功能特性及其長期性能衰變規(guī)律和損壞特點，遵循路基路面綜合設計的理念，保證路面結構的安全、耐久和全壽命周期經(jīng)濟合理。

路面鋪筑

有關原則要求分析

總體上看，路面設計的基本原則可以分為經(jīng)濟、社會、技術等層面，設計、施工、養(yǎng)護等階段。經(jīng)濟層面包括投資成本、效益等方面，社會層面包括使用安全、舒適、環(huán)保等方面，技術層面包括綜合、材料、結構、荷載、環(huán)境條件等方面，現(xiàn)擇其典型簡要分析。

關于就地取材與合理選材

改革開放（1978年）以前，普遍表述為就地取材，此后隨著高速公路、高等級公路路面的修建和發(fā)展，調(diào)整為合理選材。針對下一步的長壽命路面目標，從全壽命周期的角度擇優(yōu)用材。就地取材、合理選材、擇優(yōu)用材，既體現(xiàn)發(fā)展進步，又各有不同適用對象。

關于薄面強基穩(wěn)土基

1976年作為技術經(jīng)濟原則正式提出以來，廣為人知并產(chǎn)生了深遠的影響，作為一定時期路面結構協(xié)調(diào)設計的體現(xiàn)，對形成有中國特色的半剛性基層瀝青路面體系發(fā)揮了重要作用。中國半剛性基層瀝青路面近30年發(fā)展的主要變化在于，瀝青面層由薄面到厚面、強面、優(yōu)面；半剛性基層由薄到厚、強度低到強度高；路基則由穩(wěn)到強，最終應為優(yōu)面強基強路基。

關于路面壽命與設計使用年限

京昆高速公路

公路的使用年限主要取決于路面。路面壽命是經(jīng)濟性、耐久性、綜合效益的主要體現(xiàn)，在規(guī)范中稱為設計年限，在不同時期有一些不同的表述，而以此作為全壽命周期則顯然不合理。2017年版規(guī)范中，將路面設計使用年限定義為“在正常設計、施工、使用和養(yǎng)護條件下，路面不需結構性維修的預定使用年限”，回歸了其路面壽命的本義。2006年版規(guī)范中，設計年限指在計算累計當量軸次時所取用的基準時間。1997年版規(guī)范中，高級路面的設計年限是指在規(guī)定期限內(nèi)預測標準累計軸次所需承載力，并允許在該期限內(nèi)進行一次恢復路表功能的維修（罩面），路面應具有的使用壽命。1978年規(guī)范給出了面層設計使用年限。1958年規(guī)范規(guī)定了鋪砌層需要大修的期限，用于計算可能發(fā)展的遠景交通量，高級路面10年至15年。1956年《公路工程設計準則》中，使用年限是指按表列交通量使用時，面層兩次大修的相隔年限。

《公路工程技術標準》規(guī)定，高速公路、一級公路設計交通量預測年限為20年，二、三級公路設計交通量預測年限為15年。路面的設計使用年限顯然與此并不一致。眾所周知，路面壽命越長越好，但對路面設計來說，關鍵應該是要準、而不是一味地長。另外，路基、基層、面層，以及瀝青面層的磨耗層、聯(lián)結層等，使用壽命也要區(qū)別對待方見精細，如應路基永久、基層長久、面層耐久，需進一步明確。

第四代瀝青路面及其特征

綠化因地制宜

品質(zhì)路面理念

關于結構安全

路面的安全性應包括使用安全和結構安全，不同于其他工程。從社會層面的路面使用者角度來看，更關注的當然是使用即行車安全。所謂路面結構的安全，實際上是技術層面的可靠性，包含路面結構整體強度、抗疲勞耐久性，還有路表提供的抗滑耐久性。另外，舒適性也是用戶對路面使用功能的一項基本、特殊要求，是區(qū)別于其他工程的一個獨特標志。

關于設計理論

1986年版規(guī)范中指出，路面設計是以雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀體系理論為基礎，以路表容許彎沉值作為路面整體剛度的控制指標計算結構厚度。1997年版規(guī)范中規(guī)定，路面設計應采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系理論，以設計彎沉值為路面整體剛度的設計指標，計算路面結構厚度。2017年版規(guī)范中表述為，路面力學結構指標計算應采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論。實際上，所謂理論不過是固化了許多參數(shù)條件的力學響應標準化計算模型，其層間接觸狀態(tài)、參數(shù)內(nèi)涵與測試方法、荷載模型等對結果影響很大。

關于平衡性原則

平衡性是系統(tǒng)設計的基本特征，平衡設計是一切路面設計的根本要求，是路面矛盾性的辯證解決之道，涉及原材料、混合料、結構、環(huán)境條件、地質(zhì)因素、決策、控制等各個方面。例如，路基永久、基層長久、面層耐久，就是結構壽命平衡設計的相對性目標。路基是路面的基礎、難以進行維修，半剛性基層是承重層、也不易養(yǎng)護，瀝青面層及磨耗層決定表面使用性能、可以更新，不同層位的受力狀態(tài)不同、破壞形態(tài)不同步，因此對其結構性能、使用功能和壽命要求應該有所區(qū)別。平衡性原則在各版次路面設計規(guī)范中體現(xiàn)都不夠充分，也是瀝青路面設計的難點之一。

結束語

加快建設交通強國，打造平安百年路面品質(zhì)工程的背景下，路面設計的基本原則需要豐富完善發(fā)展提升。對應于以耐久高性能為主要特征的第五代路面體系，要注重總體性、安全性、舒適性、適用性、經(jīng)濟性、耐久性、環(huán)保與可持續(xù)性、創(chuàng)新性等原則要求，同時研究給出具體實施路徑。如總體性方面，理念引領，創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享；目標導向，保證穩(wěn)定性、提高耐久性，強化成本、效益分析的準確性；以耐久性為核心，路面設計使用年限翻一番、翻兩番（長壽命）兩步走；以系統(tǒng)性為基礎，平衡設計，實現(xiàn)路基永久、基層長久、面層耐久。中國公路的奠基人之一、原交通部公路總局副局長趙祖康先生在1947年《公路路面規(guī)范初稿草案》序中說“公路路面之優(yōu)劣，有關行車之舒適，車輛之壽命，養(yǎng)路之費用，行車之速度，以及公路兩旁居民之福利安寧，至為重要。”要堅持以人民為中心思想，突出路面的社會性、公益性、服務性原則。如在其中的環(huán)保與可持續(xù)性方面，低碳節(jié)能減排、降噪抑塵解污、再生循環(huán)利用等，綠色路面工程亦大有可為。