長壽命瀝青路面設計方法研究

摘要 為了提高瀝青路面的使用性能和使用年限，文章首先對瀝青路面進行了損壞分析，歸納了面層底部拉應變、基層底部拉應力、面層抗剪性能及基層頂部的壓應變等長壽命瀝青路面的設計指標；然后，闡述了長壽命瀝青路面設計方法中結構設計和結構層材料設計的相關要求；最后，根據具體工程實例從長壽命路面結構組合、材料選擇等方面進行了探討，并進行了試驗驗證，以期提高我國長壽命瀝青路面的建設水平。

關鍵詞 長壽命；瀝青路面；設計方法

中圖分類號 U416.21 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0108-03

0 引言

瀝青路面具有養護方便、無接縫和行駛舒適性好等優點，在我國公路建設中成為應用最為廣泛的路面結構形式。隨著我國經濟的快速發展，持續增長的交通量和交通荷載對路面設計提出了更高要求，原有的路面結構設計方法已無法適應新的需求，導致瀝青路面發生病害的概率大大增加，具有病害嚴重、范圍大、時間早等特點[1]。因此，如何延長瀝青路面的使用年限、降低路面病害的嚴重程度逐漸引起道路相關人員的關注。長壽命瀝青路面是指對瀝青路面設計、建設及運營養護等全壽命周期進行優化設計。與常規高速公路瀝青路面設計壽命15年相比，長壽命瀝青路面的設計壽命更長，一般大于40年。在長壽命瀝青路面設計的使用年限內，應確保路面的基層不會出現結構性損壞，僅進行路面的功能性修復即可。長壽命瀝青路面可以很好地解決目前常規瀝青出現早期病害嚴重的問題。該文對瀝青路面的損壞進行探討，研究長壽命瀝青路面的設計指標，確定設計方法，并結合具體工程實例對長壽命瀝青路面的設計進行具體分析，旨在為同類項目提供參考。

1 瀝青路面損壞分析

瀝青路面的損壞形式眾多，可將其分為功能性破壞和結構性破壞[2]。結構性破壞主要包括路基永久變形、裂縫、唧漿等，而功能性破壞是指路面的抗滑性、平整性不足，主要包括車轍、松散、磨光等。不同損壞之間存在著內在聯系及相互作用，比如路面出現裂縫病害后會加速水損害，而水損害同時會降低路面的整體強度，導致裂縫病害進一步加重。當前期路面結構設計不合理，路面的結構性破壞也會引起路面的功能性破壞。

長壽命瀝青路面具有在使用年限內路面不出現結構性破壞的特點，道路管理人員通過定期養護、維修就可保證路面的功能性良好。但在后期道路運營階段，如果未對路面進行及時養護，未對出現的功能性破壞進行及時修復，路面的質量會下降，可能引起路面的結構性破壞。在設計長壽命瀝青路面時，應重點考慮瀝青混合料的優化設計及施工質量，降低道路運營前期出現車轍及水損害的概率[3]。在瀝青混合料設計中，為保證路面具有良好的高溫穩定性，混合料應具有堅實的骨架結構，增強集料的嵌擠力，避免集料受高溫狀態下瀝青變形的影響。提高路面的水穩定性需要瀝青混合料具有較好的密實性，避免水分進入路面結構內部，因此混合料中細集料和瀝青的占比應較大。骨架密實結構具有較小的孔隙和堅實的骨架結構，可充分保障路面的高溫穩定性和水穩定性，在施工時應嚴格根據設計要求控制混合料的離析和壓實度。

2 長壽命瀝青路面設計指標確定

瀝青路面結構由層狀體系組成，不同層之間的相互作用較為復雜。目前設計指標通常采用路表彎沉，并對路面底部拉應力進行驗算。國外將路基頂部的壓應變和面層底部的拉應變作為設計指標，車轍主要受壓應變的影響，而面層的疲勞破壞則受拉應變的影響[4]。我國多數瀝青路面采用半剛性基層，該文將基層底部的拉應力和面層底部的拉應變作為設計指標，將基層頂部的壓應變和面層的抗剪性能作為驗算指標。

（1）面層底部拉應變

在進行瀝青路面面層疲勞開裂損壞分析時，通常采用面層底部的拉應力進行驗算，材料的容許拉應力應小于面層底部受到的最大拉應力。但是，瀝青路面面層的疲勞壽命受拉應變的影響更大，采用拉應變更能反映材料的疲勞特性[5]。因此，該文采用面層底部的拉應變作為瀝青路面結構層設計的力學設計指標，在設計時，材料的疲勞壽命Nf的計算如式（1）所示。

式中：Nf——實際疲勞壽命；Nl——室內試驗疲勞壽命；TCF——溫度修正系數；SF——修正系數，受施工變異性、裂縫發展等因素的影響。

（2）基層底部拉應力

基層材料的破壞模式主要有兩種，分別為壓碎破壞和疲勞破壞。在材料性能檢測中通常已對壓碎破壞進行了驗證，基本不會出現在路面結構中。半剛性基層材料的脆性相對較大，在外部荷載的作用下會出現疲勞破壞。因此，為了避免基層底面出現開裂破壞，采用基層底部拉應力作為控制指標。在路面結構設計過程中，選用材料的容許應力應大于基層底部受到的拉應力。基層底部拉應力σ的計算如式（2）所示。

式中：σ——容許拉應力（MPa）；σS——極限劈裂強度（MPa）；K——抗拉強度結構系數。

（3）面層抗剪性能

在進行長壽命瀝青路面設計中，除了選用面層底部拉應變和基層底部拉應力控制路面材料的性能以保證路面的使用年限外，為了避免瀝青路面表面層在運營早期出現局部損壞，應增加抗剪性能檢測指標以保證路面材料具有良好性能。瀝青混合料的抗剪強度應大于路面受外部荷載所引起的最大剪應力。抗剪強度計算如式（3）所示。

式中：τR——容許剪應力（MPa）；c——路面材料的黏聚力（MPa）；α——內摩擦角（°）；σR——破壞面的正應力（MPa）；K——抗剪強度系數。

（4）基層頂部的壓應變

瀝青路面的作用是保護路基不直接承受外部荷載，通過面層的應力分散作用保證路基不會出現較大的沉降。因此，在路面設計理念中，基層頂部的應力和垂直位移是重要的控制指標。在之前的路面結構設計中往往將強度指標放在首位。但在現代公路路面設計中，為了保障道路的功能性將變形作為第一設計指標。路面開裂和車轍是進行路面設計時需重點考慮的指標。控制面層底部的拉應變和基層底部拉應力可以很好地保證路面的結構強度滿足要求，減少路面出現開裂的可能性。車轍的深度控制目前并無較好的計算方法，如果車轍僅出現在路面表面層，僅需進行罩面設計就可以保證路面結構層的穩定。但是對于路面各結構層累積變形導致的結構性車轍，其車轍深度主要受路基永久變形的影響，在施工時應嚴格控制路面的壓實度。因此，在路面設計時應將基層頂部的壓應變作為控制路面變形的指標。

3 長壽命瀝青路面設計方法

（1）結構設計

長壽命瀝青路面結構設計的理論基礎為彈性層狀體系理論，即土基在水平和豎直方向均是無限；不同層的材料均具有均勻性和各向同性；路層表面受到水平和豎直的荷載作用；無窮遠處水平方向和豎直方向的應力、應變和位移均為零；不同結構層之間存在相對水平位移、完全滑動和連續等三種情形。在長壽命瀝青路面結構設計計算時，為了確保瀝青路面結構的穩定性、安全性和使用年限，需對目前通用的雙圓均布垂直荷載計算模型進行優化，以更好地模擬路面荷載的作用形式，客觀反映路面的真實受力狀態。當車輛荷載和路面結構完全相同時，不同的輪載作用力和分布形式導致路面結構產生的受力情況也大相徑庭，特別在車輛附近作用面的受力狀態會有明顯差異。因此，為了確保路面結構設計的科學合理，對于車輪實際的接地壓力大小和分布形式應予以重點考慮。

（2）路面結構層材料設計

長壽命瀝青路面結構材料應根據不同結構層的功能進行合理選擇。長壽命瀝青路面的損壞僅出現在瀝青面層，因此瀝青面層需具備良好的穩定性和較高的強度，避免在道路運營階段受到外部車輛荷載作用而出現變形現象。瀝青路面結構層材料的選用、配合比設計及性能試驗應進行針對性考慮。結構層材料的設計方法應以路面損壞機理為基礎，根據路面的實際使用性能進行設計。材料的強度和剛度需根據不同結構層的功能要求進行優化。根據前文分析，長壽命瀝青路面不會出現結構性損壞，所以瀝青路面的基層和墊層應具有較高的強度，同時應重點考慮材料的抗剪能力、抗疲勞特性及良好的溫縮和干縮性能。

4 工程實例

4.1 工程概況

某一級公路，路面寬度為21 m，路線起訖樁號為K10+000～K38+050，路線全長28.05 m。道路存在填挖現象，起伏較大。項目區域屬亞熱帶季風氣候，夏季炎熱，年平均氣溫為16.8℃；冬季寒冷，一月氣溫最低，平均氣溫為2.5℃。該項目選取K20+100～K21+100路段作為試驗路段。根據現場調查，該路段車流量較大，重載車輛占據較大比重，路面損壞較為嚴重。

4.2 重載車輛對瀝青路面的影響

相關研究表明，路面內部的應力狀態與車輛軸載成非線性關系，軸載越大，對路面的影響越嚴重。由于影響輪壓的因素眾多，參考實際調查結果，該文選取0.7 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa和1.3 MPa的軸載對瀝青層的疲勞開裂壽命進行研究。瀝青層疲勞開裂壽命與軸載的關系如圖1所示：

從圖1可以看出，在重載交通下，瀝青層疲勞開裂壽命與軸載大小成負相關關系，且下降趨勢明顯。

4.3 長壽命路面設計

根據前文分析，該文選用的路面結構層如表1所示。基層主要可分為兩部分，上基層選用與瀝青混凝土同樣的密級配瀝青穩定碎石，與傳統基層相比，該結構不僅排水能力和水穩性更好，而且基層和面層可以直接進行更好的黏結，使得各層之間的應力減少，降低裂縫出現的概率。半剛性底基層保證了路面整體的穩定性，路面的承載力和強度較好。

該項目瀝青路面結構在高溫重載和標準荷載作用下的各指標值如表2所示：

由表2可以看出，選用的路面結構在高溫重載的不利條件下，路面的各性能指標均較好，面層底部拉應變增加了3.66%，基層頂部壓應變增加了39.08%，基層底部拉應力增加了29.90%，面層容許剪應力增加了45.15%。各性能指標均能滿足容許值的要求，說明該項目選用的路面結構層科學合理。

4.4 瀝青混合料的各項路用性能試驗結果

對選用的瀝青混合料進行路用性能試驗，結果如表3所示：

由表3可以看出，與標準車轍試驗下的動穩定度DS相比，高溫重載車轍試驗下的動穩定度DS更小，但車轍試驗下的3 000次變形量更大，說明在重載及高溫作用下，路面的抗變形能力下降，但均能滿足指標要求，且路面結構均能滿足浸水殘留穩定度不小于85%、凍融劈裂不小于80%的要求。

5 結語

長壽命瀝青路面的應用可以很好地解決由于道路頻繁養護造成的交通擁堵問題，為道路出行者提供安全、穩定的保障。該文對瀝青路面的損壞進行了探討，研究了長壽命瀝青路面的設計指標，確定了設計方法，并結合具體工程實例對長壽命瀝青路面的設計進行了具體分析。下一階段應充分考慮地區的差異性，根據不同地區對長壽命瀝青路面的使用需求，因地制宜地進行設計，并對長壽命瀝青路面結構和材料進行多維度研究。

參考文獻

[1]楊建軍，黃旺，關宏信，等.瀝青路面結構三維應力狀態及失效準則分析[J].中國公路學報， 2023（12）：1-11.

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[3]徐希忠，韋金城，閆翔鵬，等.長壽命瀝青路面研究現狀及展望[J].中外公路， 2023（1）：36-43.

[4]王超，宮官雨，陳乙方.考慮氣候變化影響的瀝青路面長期服役耐久性評估[J].土木工程學報， 2023（2）：110-120.

[5]劉邦一.長壽命復合式瀝青路面結構狀態檢測與疲勞壽命研究[D].南京：東南大學， 2022.