长寿命沥青路面结构设计研究

魏鹏

（天津城建设计院有限公司，天津市 300000）

0 引言

近年来，随着公路上的汽车荷载和交通量的增加，许多公路常常达不到甚至远远低于设计寿命时就出现了损坏，需进行较大规模的维修养护甚至重建。目前，我国的高速公路设计年限通常为20～30 a，而实际的使用寿命却只有8～10 a。有的高速公路甚至只营运了2～3 a就开始出现很严重的病害。对于城市间的重要道路、高速公路来说，公路的维修必然会对广大民众的出行造成不便，使人们的驾车时间延长，燃油消耗量增加，造成大量的用户费用、维修费用的浪费等问题，同时也给社会带来巨大的经济损失，从寿命周期费用分析的角度来看，毋庸置疑这是不经济的。如何延长公路的使用年限，这已成为我国乃至全世界公路建设者目前最为关心的问题之一[1-5]。

1 长寿命沥青路面设计理念

1.1 长寿命沥青路面设计理论基础

（1）疲劳极限

传统沥青路面结构设计方法与长寿命沥青路面结构设计方法区别很大，传统沥青路面设计荷载的输入参数是累计交通量，而长寿命沥青路面的参数是设计交通轴载，其理论基础是沥青混合料疲劳极限理论，所谓疲劳极限就是指沥青混合料存在一个弯拉应变临界点，当路面结构的弯拉应变低于这个值时，沥青混合料层底就不会出现疲劳损伤，这个拉应变临界点对应的就是疲劳极限。Long和Monismith建议控制沥青混凝土层底的弯拉应变不大于60 με。1许多科研人员认为改性沥青混合料的疲劳极限可以提高到100 με。日本研究人员西泽认为沥青混合料的疲劳极限应小于200 με。

（2）基顶压应变

国外大量的高速公路车辙状况调查显示，当沥青结构层厚小于18 cm时，车辙率较大；当沥青层厚大于18 cm时，车辙率将迅速降低。对于沥青层较厚的道路，车辙集中发生在沥青层表面，属于表面车辙。这是表面功能层损坏，通过进一步罩面设计就能够保证结构良好。

但是，对于因结构层的永久变形而导致的结构性车辙破坏，为了控制结构性车辙的车辙深度可通过控制路基土的永久变形来实现。在结构层设计上，道路研究人员建议把基顶压应变作为控制路面总变形量的设计指标。美国的长寿命路面建议路基土垂直压应变应小于200 με，若容许压应变大于结构层基顶压应变，则认为路面结构在设计年限内不会出现结构性车辙破坏，能够达到长寿命要求。

1.2 长寿命沥青路面的设计寿命

各个国家对于长寿命沥青路面的寿命期望从30～50 a不等。英国公路署、沥青协会和建设材料协会期望长寿命沥青路面的使用寿命能够达50 a以上；美国沥青路面协会对于长寿命路面的定义为必须达35 a以上的设计寿命。美国各州对于长寿命路面的定义有所不同，各州期望的长寿命路面的设计寿命在30～50 a之间；日本则定义长寿命路面的使用寿命在40～60 a之间。我国学者根据我国实际情况认为，长寿命沥青路面的使用年限应大于30 a。

假设把40 a作为长寿命路面的使用年限，针对这一目标，可以以主要承重层与表面功能层的设计寿命作为长寿命路面设计标准的主要控制指标。然后针对长寿命沥青路面各结构层的具体型式，选用相应的规范标准来进行验算、控制其设计寿命。结合国外设计相关规定，可以定义长寿命路面的设计标准如下：

（1）表面功能层设计寿命应在8 a以上；

（2）主要承重层设计寿命应该达40 a左右。

2 长寿命沥青路面结构组合设计要求

2.1 普通沥青路面结构组合设计要求

2.1.1 适应行车荷载的要求

作用在路面上的行车荷载一般包括水平力和垂直力，沿路表深度方向产生的剪应力及压应力逐渐衰减。所以，首先要求路面面层具有足够的抗变形能力和强度，其它各结构层应按照刚度和强度自上而下递减的规律进行组合，以使结构层充分发挥其效能。

根据这种原则，路面结构的层数越多，刚度和强度沿深度递减的规律越能体现出来。但就路面施工工艺及整体受力而言，层数又不宜过多，即结构层的厚度不能过小。适宜结构层厚度需要综合考虑施工工艺、强度要求、工程造价以及材料供应等，应从上到下由薄到厚。

沥青路面厚度与沥青品种和质量、交通量以及公路等级有关，须对这些因素进行综合考虑，沥青层厚度的确定须满足行车荷载的要求。选择基层、底基层的厚度时应考虑材料力学性能、交通特性和扩散应力的效果，并使压实机具的功能充分发挥出来且有利于施工。

路面结构的应力分布在很大程度上受到沥青路面相邻结构层材料的模量比的影响，是选定适宜结构层材料、合理确定结构层层数的重要考虑因素。根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）沥青路面结构组合设计，沥青面层与基层之间的模量比不宜小于3；底基层与基层之间的模量比不宜小于2.5；土基与底基层之间模量比不宜小于10。

2.1.2 具有良好的稳定性

在各种因素的作用下，路面结构须具备良好的稳定性。在进行路面结构层组合设计时须保证沥青路面的水稳定性。当沥青路面修筑在中湿和潮湿路段上时，由于沥青层透气性能不好，使基层和路基中水份蒸发的通道被割断，导致向基层聚积。如果基层材料中含土量较多，特别是土的塑性指数较大时，遇水则变软，刚度和强度急剧下降，导致路面开裂破坏。所以沥青路面的基层通常采用水稳定较好的材料，特别是在中湿路段以及潮湿路段尤应如此。

在季节性冻土地区，当路基土为易冻胀土，冻深较大时，经常产生翻浆和冻胀。在这种路面结构中应当设置防止翻浆和冻胀的垫层。确定路面总厚度时，应同时满足强度和防冻厚度的要求，以免较厚的聚冰带出现在路基内，防止导致路面开裂的不均匀冻胀的产生。防冻厚度与路基土质、路基潮湿类型、路面结构层材料热物理性质以及道路冻深有关。

在气候干燥和冰冻地区地区，无机结合料稳定粒料类基层经常产生收缩裂缝。如果在其上直接铺筑沥青层，会导致面层产生反射裂缝，为了解决这一问题可在其间加设者优质沥青材料层或一层粒料，也可以适当增加面层的厚度。

2.2 长寿命沥青路面结构组合要求

除了满足普通沥青路面的结构组合原则外，长寿命沥青路面的结构组合还需要考虑以下三个原则：

（1）满足长寿命路面设计指标及标准

借鉴国外长寿命沥青路面设计指标，沥青层底的弯拉应变应小于70με，而基顶的压应变应小于200με。为了满足长寿命沥青路面设计指标，沥青层的厚度与结构层的总体厚度都有一定要求。

（2）结构组合与路面结构类型相匹配

根据基层的不同，长寿命路面分为半刚性基层长寿命路面与柔性基层长寿命路面。结构类型不同，受力模式及特点不同，结构层的组合要求也不同。对于半刚性基层长寿命沥青路面而言，由于半刚性基层强度高，模量远大于沥青层，各结构层的应力应变一般均可满足长寿命路面的设计要求，因此控制半刚性基层的开裂成为关键问题。从结构组合方面考虑，不仅需要设置抗疲劳层以提高沥青路面的抗疲劳性能，而且需要设置高模量的沥青层来提高抗剪切变形的能力和减小基顶压应变。另外，需要提高土基的承载能力来减少对沥青层的要求。

（3）层间结合尽可能连续

为了提高沥青路面整体承载力，必须加强长寿命沥青路面层间结合，避免在荷载及高温作用下产生层间滑移，这是长寿命路面结构设计的重要内容。从结构组合来看，基层上应设置透层沥青，在半刚性基层上应设下封层，沥青层之间应设置粘层。

3 长寿命沥青路面结构层厚度设计

3.1 设计方法

随着交通量和轴载的增加，沥青路面的诸多设计方法的局限性也愈加显化，针对于解决此类问题诞生了基于力学的长寿命路面结构设计方法，运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应。实质上，此类设计方法与我国采用的传统力学经验法并无明显区别，仍然采用双圆荷载作用下的层状弹性理论体系。Monismith和Long1992年在TRB会议上提出了运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应。

3.2 设计使用年限

基于经济性考虑，路面设计寿命一般超过30a。各国长寿命沥青路面设计年限见表1。从表1中可见不同国家和地区长寿命路面设计年限选取标准从20～50 a不等，经专家论证北京市长寿命路面设计年限选择二者的中值35 a，作为长寿命路面设计使用年限。

表1 各国长寿命沥青路面结构设计年限a

3.3 国道G108长寿命路面示范工程设计标准

综合考虑技术与经济性，结合北京实际情况，国道G108长寿命路面采用如下设计标准。

设计年限：基层35 a，面层12 a。

沥青层极限应变标准：一般沥青层小于60με，改性抗疲劳层沥青混合料小于120με。

对于半刚性基层，应力强度比应小于0.35。土基顶面压应变：小于200με。

3.4 路面结构厚度计算

试验段位于起点（南村立交）——奇萝沱立交，各年交通量预测结果见表2。

车型调查结果显示，客车约67%，货车约33%。货车中，大货比例约占37.5%，居各货车车型之首；拖挂比例也相对较高，约占25.5%；小货、中货、大货、拖挂比例分别为17.5%，18.5%，37.5%，25.5%，重车（大货和拖挂车）约占总交通量的21%。这表明区域大型车比例相当高，长途过境车辆较多，货运相对较发达。

表2 各年交通量预测结果 veh/d

国道108与京港澳（京石）高速作为北京市西南部通道，其车辆轴载谱的分布具有一定的可借鉴性。根据北京市首都公路发展有限公司2010年11月份京港澳(京石)高速大型车轴载调查成果，车辆的最大轴重达到了322 kN，见表3。若以此作为半刚性路面的设计荷载，显然过于保守。

表3 京港澳高速公路最大轴重调查表

由图1可以看出约95%轴重在150 kN以下，同时考虑到本工程起点将来会设置检查站，因此，本次取150 kN轴载作为路面结构的设计轴载。

图1 京港澳高速公路货车轴载超载率分布

采用我国现行沥青路面设计程序和Shell的沥青路面计算程序Bisa3.0分别进行了计算，计算一致，结果见表4。

表4 组合路而结构计算结果

4 结语

长寿命沥青路面是我国高速公路发展的趋势，在路面设计中，应该从路基、基层、面层等方面共同入手，采用合理的结构形式和材料，延长其使用寿命，使其符合长寿命沥青路面结构的设计思想。