基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计方法研究

李 凡

(中电建冀交高速公路投资发展有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

近年来，随着我国经济水平不断提升，推动了交通运输业的发展，各类公路工程项目随之增多。路面作为公路的重要组成部分之一，其设计的合理与否直接关系到整个公路的耐久性。目前，我国高等级公路中普遍采用的是沥青路面，现行的设计规范中明确给出沥青路面各个结构层的使用寿命，即15年。如果各层均按15年的使用寿命进行设计，则当表面层损坏时，基层仍然完好。鉴于此，可基于结构层寿命递增的方法，对沥青路面进行设计，以此来达到耐久性的要求。

1 影响沥青路面耐久性的主要因素

沥青路面以其自身所具备的优良性能，如高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、耐疲劳性等，在公路工程建设中得到越来越广泛的应用。然而，通过对采用沥青路面的公路进行调查后发现，其中很大一部分都存在各种类型的病害问题，比较典型的病害为车辙、裂缝、水损害等[1]。当沥青路面出现上述病害时，路面的使用性能将会受到一定程度的影响，耐久性也会随之降低。由此可见，病害是沥青路面耐久性的主要影响因素。下面简要分析各种病害产生的原因。

1.1 沥青路面车辙的成因

车辙是沥青路面中较为常见的病害之一，其成因主要与外部因素有关，具体包括气候条件、交通流量、纵坡坡度等，沥青路面的大部分车辙都是各种外因综合作用所致。比如，炎热夏季里的持续高温，沥青在高温下会逐渐变软，如果车辆从其上经过，则会留下深浅不一的车辙；又如，当沥青路面的纵坡超过5%时，路面结构内部的剪切力会随之增大，这部分剪切力对路面的影响程度约等于车辆超载40%的荷载作用[2]，由此便会在沥青路面上留下车辙；再如，公路中的交通流量突然增大后，在车辆荷载的频繁作用下，沥青本身的性能会发生改变，此时很容易形成车辙。

1.2 沥青路面裂缝的成因

沥青路面的裂缝形式较多，如温缩裂缝、反射裂缝、沉降裂缝等。不同形式的裂缝其成因有所区别。比如，沉降裂缝是软土地基不均匀沉降所致；反射裂缝多出现在半刚性基层当中，主要是因为基层开裂后反射到沥青面层上所致，而水泥用量过大、细料含量多、配比不合理、养生不当是引起反射裂缝的主要原因。当沥青路面出现裂缝后，水会从裂缝处渗入，由此会对基层造成侵蚀，路面的整体耐久性会大幅度降低。

1.3 沥青路面水损害的成因

我国有很多高温多雨的地区，在温度和雨水的双重作用下，沥青路面常常会出现水损害的现象，由此不但会对路面的外观造成影响，而且还会导致沥青路面的耐久性大幅度降低。同时水损害会反复发生，由此产生的影响具有一定的持续性，进一步增大了沥青路面的养护维修难度[3]。沥青路面水损害最为常见的形式为沥青与集料剥离，导致此类病害的主要原因包括沥青等级、集料类型、空隙率等几个方面。

2 基于结构层寿命递增的沥青路面耐久性设计方法

2.1 沥青路面的使用寿命

在我国的高等级公路中，沥青路面的应用非常广泛，根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)的规定要求，沥青路面结构层中的各层寿命均应当按照15年进行设计，也就是说，组成结构层的各层寿命全部为15年。基于这一前提，当沥青路面的表面层服役15年后，结构层中的其他层也将出现结构性破坏。但是，通过调查发现，国内高等级公路使用年限超过15年的路段现已超过10 000 km，其中很大一部分都经过表面层、中下面层的翻修，而在这些翻修的路段中，基层基本上都保持良好的状况[4]。在整个结构层中，表面层的破坏最为严重，车辙、裂缝等病害随处可见。但必须指出的是，即使表面层和中面层全部损坏的路段，基层仍保持着良好的使用性能，结构层整体性破坏的路段少之又少，极少数结构层整体性破坏的路段，也是因为施工质量问题所致，与设计的使用寿命并无太大关联。综上，在高等级公路中，如果按照规范中给出的年限对结构层的使用寿命进行设计，其合理性有待商榷。

2.2 沥青路面设计中的耐久性

对于沥青路面而言，耐久性就是使用寿命，路面的耐久性越好，使用寿命就越长，相应的养护维修费用就越少。正因如此，使得耐久性成为沥青路面设计的关键指标之一。基于耐久性这一前提，在对沥青路面进行设计时，表面层的使用寿命一般在8年左右，而基层的使用寿命通常为表面层的5倍，即40年左右[5]。采用耐久性设计的沥青路面只要基层不出现整体性破坏，即使表面层受到严重损坏，通过各种养护维修措施，也能使路面的使用寿命达到30年以上。在耐久性的设计要求下，沥青路面中各个结构层的使用寿命应当具有一定的协调性和匹配性，当表面层出现车辙、裂缝等病害时，必须及时采取有效的措施进行处理，从而消除病害，保证路面的正常使用，由此能够进一步延长路面的使用寿命，从而达到耐久性的要求。

2.3 寿命递增理念

沥青路面结构层自上而下为表面层、中面层、下面层、基层、底基层。结构层寿命递增是一种较为先进的设计理念，具体是指组成结构层中的每个部分的设计使用寿命自上而下依次递增，这样能够使整个结构层的耐久性获得大幅度提升。基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计，要求结构层中下一层的使用寿命为上一层使用寿命的两倍，通过这种设计方法，能够使沥青路面结构层中的上一层在达到寿命周期时，下一层仍可正常服役，这样只需要对上一层进行翻修，便可使路面的使用性能恢复如初。

2.4 设计方法

在沥青路面中，最容易遭到破坏的是表面层，该层的养护和维修相对比较方便。而中面层以下的各层，虽然并不容易遭到破坏，但如果出现损坏，想要进行维修比较困难，并且在维修的过程中，不可避免地会对表面层造成影响。因此，基于结构层寿命递增的设计理念，可在规范标准允许的范围内，将沥青路面表面层的使用寿命设计得比较短，并在路面的全寿命周期内，通过预防性养护的方法，提高路面的耐久性。中面层位于表面层以下，是与表面层最为接近的一层，如果表面层受损，则会直接波及中面层，所以按照寿命递增的设计理念，沥青路面的中面层寿命可设计为10～15年左右，下面层的寿命要长于中面层，可设计为20～30年左右。相关研究结果表明，当半刚性基层破坏时，沥青路面所剩的寿命已经非常有限，基于此，依据寿命递增的理念，沥青路面的基层应当是整个结构层中寿命最长的一层，可设计为40～60年左右。按照上述设计方法，能够大幅度延长沥青路面的使用寿命。

从沥青路面的使用情况来看，结构层寿命递增的设计方法更加符合实际，这是因为沥青路面的破坏多发生在表面层，而该层具有容易维修和便于养护的特点，通过有效的养护及维修措施，能够在相对较短的时间内使表面层恢复使用性能，只要结构层中的其他各层均保持良好的状态，公路便可以正常使用。因此，这种设计方法变相延长了沥青路面的使用寿命，使路面达到耐久性的要求。通过对国外一些发达国家的公路工程进行研究后发现，他们在沥青路面的耐久性设计中，基本上采用的都是结构层寿命递增的方法，由此证明这种方法具有合理性与可行性，可在沥青路面设计中推广使用。

3 结语

综上所述，沥青路面的各个结构层若是按照同等使用寿命进行设计，则表面层在出现损坏时，基层却仍然能够保持良好的状态。可见，这种设计方法的合理性有所不足。而基于结构层寿命递增的方法要求下一层的使用寿命为上一层的2倍，由此当上一层达到使用寿命时，只需要对该层进行翻修，便可使路面恢复使用性能。从各方面综合来看，寿命递增设计要比同等寿命设计更加合理。