公路沥青路面结构设计探究

吴亚仲

【摘要】沥青路面是用沥青材料作胶结料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。在沥青路面的设计中会出现很多的问题。本文通过对公路沥青路面设计指标的分析，对提高路面性能可采取的措施进行了探讨。

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【关键词】沥青路面 结构设计 分析

沥青路面早期损害，除个别是由于路基的原因引起的不均匀沉陷外，绝大部分是由于沥青面层本身引起的：坑槽、泛油、车辙、网裂、松散等。因此，沥青的层面的设计是至关重要的。在进行路面结构设计时同时，必须确定路面结构的材料参数，路面结构的材料参数主要包括路面结构层的几何参数、力学参数，如泊松比、模量等，以确保路面结构设计合理。

一、交通荷载

1.轮压和标准轴载

利用气压表对车辆现场测试，发现货车压力普遍超过0.7MPa，对于轴载超过10t 的轮胎，胎压一般在0.8～1.1MPa 范围内，而且随着轴重增加，胎压也增大。交通部公路科研所《重载交通沥青路面轴载换算研究总报告》表明，根据实际接地面积计算出来的轮胎接地压力与轮胎内压并不相等。当轮胎内压较低时，接地压力比轮胎内压高；当轮胎内压较高时，接地压力低于轮胎内压。随着轮胎荷载的提高，在轮胎内压大于0.7MPa 时，试验的各级荷载作用下的轮胎内压均比接地压力大。轮胎内压与接地压力的差值和轮胎的刚度有关，而轮胎刚度与轮胎的材料和其构造有关，在路面结构设计中，为安全起见，一般以轮胎内压代替接地压力。

由于作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准车载，其他各种车载按照一定的原则换算成标准轴载。而标准轴载一般要求对路面的响应较大、同时又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。为了统一设计标准和便于交通管理，各个国家对标准轴载均有明确的规定。我国根据公路运输运营车辆的实际，公路与城市道路有关路面设计规范中均以100kN作为设计标准轴重。

2. 车道系数

轮迹横向分布系数应用到路面设计以前，还应分析一下荷载作用下，轮迹以外一定范围内的路面结构中所引起的不同程度的疲劳损坏。计算表明，对于国内典型沥青路面结构，在轮迹外50cm 距离内，该荷载产生的破坏作用，最大相当于增加10%作用次数的影响，更远距离处则可以不计；对于刚性路面板，相邻条带上的荷载要为该条带计算值最大增加6%的影响。可见轮迹范围外虽有影响但并不大。

根据典型路段轮迹横向分布的规律，可把轮迹横向分布系数划分为五个类别，可相应地列出各个类别的轮迹横向分布系数值。双向单车道1.0，双向两车道0.6～0.7，双向四车道0.4～0.5，双向六车道0.3～0.4，双向八车道0.25～0.35。

二、土基回弹模量

回弹模量能较好地反映地基所具有的部分弹性性质，所以，在以弹性半空间体地基模型表征土基的受力特性时，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。我国公路水泥混凝土路面、沥青路面设计方法中，都以回弹模量E作为地基的刚度指标，为了模拟车轮印迹的作用，通常都以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量。

路基回弹模量E0 的确定方法大致有以下几种：

1. 应用直径30.4cm 的刚性承载板在现有道路的土基顶面进行试验经修正后确定；

2.应用落锤式弯沉仪（FwD）进行现场试验，然后根据试验确定的FWD 测定的回弹模量与承载板测定的回弹量回归公式换算；

3.根据室内或现场CBR 试验结果，利用CBR 与回弹模量的相关关系推算；

4.根据路基顶面的回弹弯沉推算；

5.根据路基土的稠度与压实度，利用事先得到的回弹模量与稠度（或相对含水量）和压实度的关系式确定。

由第1与第2 方法得到的土基回弹模量与实际比较吻合，但需要根据土基不利季节含水量进行修正；第3種方法是国外经常采用的方法之一；其他方法可以间接推算土基回弹模量，但事先应进行一系列试验，得到所需的关系式，而且，推算的回弹模量的准确度和精度均较差。

三.路面结构层设计参数

路面结构由不同的材料逐层铺筑而成，不同的材料有不同的力学强度特性和相应的结构设计参数，路面力学计算理论一般建立在弹性力学基础上，除结构参数外，还有路面结构的材料类数、材料的计算参数包括模量和泊松比。泊松比一般比较稳定，在路面设计时一般对特定的材料选用一定的泊松比，如土基和无黏结材料的泊松比取0.35、无机结合料稳定材料的泊松比取0.25、沥青混凝土材料的泊松比取0.25、水泥混凝土材料的泊松比取0.15 等。

1.无机结合料稳定材料无侧限抗压回弹模量

无机结合料稳定材料（包括稳定细粒土、中粒土和粗粒土） 的无侧限抗压强度是按照预定干密度和压实度用静力压实法制备试件，试件高：直径=1：1的圆柱体、养生时间为设计龄期、侧向没有围压时，通过逐级加载和卸载试验计算得到抗压回弹模量。

无机结合稳定材料室内制件与现场制件设计参数比值随材料不同及施工条件而异。一般情况下，现场制件的模量与强度均比室内制件低，其降低的幅度不等，抗压强度降低幅度较小为10%～20%，抗压模量下降30%～40%，劈裂强度下降20%～60%，劈裂模量下降50%左右。无机结合料稳定材料的设计参数是根据大量试验结果取95%的保证率后（均值-1.645×标准差）得到代表值。在进行拉应力验算时，半刚性基层材料的疲劳方程由劈裂疲劳试验得到，半刚性基层材料的容许拉应力按下式计算：

σA=σSP/KS

式中：KS ——结构系数，对无机结合料稳定粒料KS=0.35e0.11/Ac；

对无机结合料稳定细粒土KS=0.45e0.11/Ac。

2.沥青材料的设计参数

沥青混凝土的抗压试验采用圆柱体试件，试件成型采用静压法、轮碾法、搓揉法和旋转压实成型法，试件的密度应符合马歇尔标准击实密度100%，用于抗压强度试验的试件个数不少于3个，用于抗压回弹试验的试件个数不少于3～6个。

沥青混凝土的劈裂试验既可以为沥青路面设计提供设计参数，也可以评价沥青混凝土的低温特性。我国沥青混凝土路面的设计参数采用静参数，采用的试验温度为15℃ ，试验加载速率为50mm/min，计算时相应的泊松比采用0.30。试件采用马歇尔击实成型的方法、轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件。采用马歇尔击实成型的试件尺寸要求直径101.6mm，高为63.5mm；轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件的尺寸要求直径为100mm 或150mm，高为40mm。

沥青混凝土材料的设计参数也是根据室内大量试验结果取95%的保证率后（均值一1.645×标准差）得到其代表值。再考虑现场大规模施工、质量变化较大的情况，将代表值给予适当的折减得到推荐值。

四.结语

要想提高沥青混凝土路面质量，降低病害的发生机率，必须深入了解路面结构设计各个参数的试验原理、参数自身的特性及在结构设计中的控制作用，对于路面的设计、施工和管理都有很重要的意义。

参考文献：

[1]黄晓明，朱湘编著.沥青路面设计.人民交通出版社，2012.

[2]孙德栋，彭波编著.沥青路面设计与施工技术.黄河水利出版社，2013.