重載道路瀝青路面設計方法研究分析

黃柳芬

本文深入探討了重載道路瀝青路面的設計方法，從荷載設計、材料選擇與配合比設計、結構設計到有限元模擬技術的應用，以及環保和再生材料的使用。研究表明，考慮到各種復雜的因素，如交通荷載、材料性能、地基條件和環境因素，有效的道路設計需要采用全面、系統的方法。同時，現代設計技術和再生材料的使用為改善道路性能和可持續性提供了新的可能性。

在我國基礎設施建設中，瀝青道路作為其重要組成部分，承載著重大的交通流量。然而，由于重載交通的影響，這些道路面臨著顯著的性能挑戰。因此，對于這些道路的設計方法進行深入研究具有重要的實踐意義。本文旨在提供一種全面、系統的方法來設計重載道路的瀝青路面，以改善其性能，并延長其使用壽命。

一、重載道路瀝青路面的重要性

首先，從功能角度考慮，重載道路是承載大量車輛流量的主要通道，其中包括大型商用車、貨車和公交車等。這些車輛對道路表面施加極大的荷載壓力，可能會導致路面快速磨損和損壞。而瀝青路面因其良好的耐磨性和彈性，可有效吸收這些重載壓力，減輕對道路結構的損害，延長道路使用壽命。其次，瀝青路面具有優異的防水性能和較好的附著力，這對于重載道路尤為重要。對于經常有重載車輛行駛的道路，保持路面干燥并防止水分侵入路基是至關重要的。最后，瀝青路面對駕駛者和乘客提供了更好的駕駛體驗。瀝青路面的平滑性和靜音性相對優秀，可提供更舒適的行車環境，減小噪音污染，這對于緩解駕駛員疲勞，提高行車安全具有積極作用。

二、重載道路的特點

重載道路是指設計用于承載大量、重量較大的車輛流量的道路，如公路、高速公路、主要城市街道等。其主要特點包括：

大流量：重載道路通常需要處理大量的車輛流量，對此重載道路表面需要具有高強度和耐磨性，以承受連續的交通荷載。

高負荷：重載道路經常需要承受大型車輛，如貨車、公共汽車、拖拉機等的重壓。這需要道路設計考慮到足夠的承載能力和耐久性。

維護要求：由于重載道路的大流量和高負荷，對道路的維護需求更大，更頻繁。因此，道路材料和設計需要方便維修和保養。

三、瀝青路面設計的關鍵因素

1.道路使用環境

瀝青路面的設計需要考慮各種環境因素，包括氣候條件（如溫度、降雨量和濕度）、地形（如平原、山區或沿海地區）以及地區的一般環境條件（如城市、郊區或鄉村）。這些因素會影響到瀝青混合物的選擇和設計，以及路面結構的設計。

2.交通流量

交通流量是瀝青路面設計的另一個關鍵因素。這涉及到車輛的數量，車輛類型（如乘用車、貨車、公共汽車等）以及其行駛頻率。所產生更高的交通流量，如重型車輛，將會對路面施加更大的壓力，從而造成瀝青路面的快速劣化,圖1為流程圖。

圖1 車流量影響圖式

圖2 應力沿深度分布圖式

3.地質和水文條件

地質和水文條件也是影響瀝青路面設計的重要因素。這包括地下的土壤類型和條件，地下水表的深度，以及可能存在的任何地質結構或特征（如斷裂帶或石灰石洞穴）。這些因素會影響到基礎設計，以及排水系統的設計和位置。

四、重載瀝青路面設計方法

1.荷載設計方法

（1）確定設計荷載

設計荷載是指道路預計在其設計生命周期內要承受的最大交通荷載。一般以標準軸負荷（比如ESAL，等同標準軸負荷）表示，ESAL是一種用于量化道路荷載的工具，它將所有類型和重量的車輛荷載轉化為一種標準化的、可比較的單位。通常情況下，可以通過交通流量調查和預測，以及對道路類型（如公路、主干道、支路等）的考慮，來確定設計荷載。

（2）確定荷載分布

車輛荷載在道路結構中的分布方式對于道路設計至關重要。在實際情況中，荷載會隨著深度的增加而逐漸分散。通常情況下，荷載分布可以使用彈性理論或半彈性理論進行計算。

2.材料選擇與配合比設計

（1）材料選擇

在選擇材料時，應考慮其性能特性，如強度、耐候性、耐磨性和耐疲勞性等。重載道路瀝青路面的主要材料通常包括：

石油瀝青：具有良好的粘結性、防水性和耐候性，是道路混合料的主要粘結劑。

骨料：包括粗骨料（如碎石、礫石等）和細骨料（如砂、石粉等）。骨料的選擇應考慮其強度、耐磨性和顆粒形狀等因素。

填料：用于填充骨料間隙的材料，通常為石粉或細砂。填料可以增強混合料的穩定性和耐磨性。

添加劑：根據需求，可以添加各種改性劑或添加劑，以改善瀝青混合料的性能。例如，SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）改性瀝青可以提高路面的耐高溫、低溫裂縫和抗疲勞性能。

（2）配合比設計

試驗初拌：根據經驗和規范，進行初步的配合比試驗，確定初步的瀝青用量和骨料分布。

試驗混拌：按照初步配合比進行混拌，制作瀝青混合料試樣，進行路用性能試驗，如馬歇爾穩定性試驗、流值試驗、浸水馬歇爾試驗等。

優化配合比：根據試驗結果，調整配合比，尋找最優配合比。最優配合比應使瀝青混合料具有良好的強度、耐久性、抗滲性和抗疲勞性等。

試驗驗證：確定最優配合比后，進行大量試驗，以驗證配合比的合理性和混合料的性能。

3.結構設計措施

（1）考慮交通流量和交通組成

根據重載交通設計流量（AADT）和重型車輛百分比，計算道路設計車輛數（ESAL）。對于重載交通，需要特別關注重型車輛的影響。可使用以下公式計算ESAL：ESAL = AADT×日換算系數×重車比例×軸荷換算系數×設計年限。

（2）地基承載能力

設計人員需對地基進行詳細的勘察，評估地基承載能力（CBR值）；對于不同CBR值的地基，選擇合適的瀝青路面結構，如厚度較大的瀝青路面或者水泥穩定基層。同時，在實際的設計過程中，設計人員應對承載能力較低的地基，采用地基改良技術，如加筋地基、預壓地基、土工合成材料加固等。

（3）路面結構層數和厚度設計

設計人員應采用多層瀝青路面結構，包括瀝青表面層、中間層、基層和地基層。在此基礎上，使用彈性模量法（如AASHTO 93設計法）進行厚度設計，并根據地基反力系數（k）、層系數（ai）、應力分布系數（mi）、設計車輛數（W18）、可靠性系數（R）等參數進行計算。同時，對于重載交通，可以考慮增加瀝青層的厚度，或者使用高強度的瀝青混合料；最后，需針對不同層次的瀝青混合料，可以調整層系數（ai）以優化路面結構設計。

五、現代設計技術的應用

1.有限元模擬技術在瀝青路面設計中的應用

在瀝青路面設計中，有限元模擬技術屬于較為關鍵的輔助工具，它可以幫助設計人員理解路面結構在不同負載和環境條件下的性能。以下是結合重載交通對有限元模擬技術在瀝青路面設計中的應用的分析：

（1）模型建立

建立具有多層結構的道路模型是第一步。考慮到道路構造，模型需包括4厘米厚的瀝青表面層，10厘米厚的穩定碎石基層，以及15厘米厚的土壤亞基層。在建立模型時，設計人員需使用四面體或六面體元素，單個元素的邊長可能在1～5厘米之間，以平衡模型的精度和計算效率。對于重載交通，路面結構需要承受更大的負載，因此在建立模型時，需要特別考慮瀝青表面層和穩定碎石基層的厚度和材料性能。例如，可能需要增加瀝青表面層的厚度，或者使用更高強度的材料，以提高路面結構的承載能力。同時，也需要考慮土壤亞基層的承載能力和變形性能，以確保路面結構的穩定性。

（2）材料性質定義

對于重載交通，需要選擇彈性模量更高的材料，以提高路面結構的承載能力。其中瀝青混合料通常假設為線性彈性材料，彈性模量可能在1～5 GPa之間，泊松比約為0.35。基層和亞基層的材料性質則需要根據實際材料進行設定。例如，穩定碎石的彈性模量可能在100～500 MPa之間，土壤的彈性模量可能在50～200 MPa之間。

（3）邊界條件和荷載設置

模型的邊界條件通常設置為底部固定，表面自由。荷載可以模擬車輪荷載，例如標準雙軸荷載（10噸）。對于重載交通，需考慮更大的車輪荷載。荷載可以作用在表面的特定位置，例如在路面中心線上。另外，還可以考慮溫度荷載，例如模擬從-20℃到60℃的溫度變化。

（4）求解和后處理

在設定好模型、材料性質、邊界條件和荷載后，設計人員可使用有限元分析軟件進行求解。求解過程可能需要數分鐘到數小時，具體時間取決于模型的復雜度和計算機的性能。求解完成后，可以得到每個元素的應力、應變、位移和溫度等信息。通過后處理，設計人員可查看各層的應力分布，計算最大應力的位置和大小。例如，最大應力可能發生在瀝青層的底部，應力值可能達到500 kPa。根據這些信息，還可準確預測會出現裂縫的位置，以及在各種荷載和環境條件下的道路性能。對于重載交通路面設計來說，這些信息可以幫助設計人員優化路面結構，提高其對重載的適應性。

2.環保與再生材料的使用

（1）再生瀝青混合料（RAP）

對于重載交通路面，可以考慮在瀝青混合料中添加更高比例的RAP。但需確保RAP的質量和性能滿足設計要求。此外，可以考慮使用改性瀝青來提高RAP混合料的性能，如耐磨性、抗疲勞性等，以滿足重載交通的要求。

（2）再生材料在基層和亞基層的應用

在重載交通路面設計中，可以使用廢棄混凝土等再生材料作為基層和亞基層材料。針對重載交通的特點，需要對廢棄混凝土進行適當的處理，如增加粉碎程度，以提高其承載能力。同時，使用再生材料應確保滿足層厚度和彈性模量的設計要求。

六、結束語

總的來說，重載道路瀝青路面的設計是一個復雜的過程，涉及到多種因素的綜合考慮和權衡。雖然存在許多挑戰，但通過科學的設計方法，結合現代設計技術，可有效提高道路性能，延長其使用壽命，同時減少對環境的影響。對這些設計方法的研究和探索將為我國基礎設施建設的可持續發展提供強大的支持。