公路瀝青路面設計要素分析

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瀝青材料具有良好的施工性和路用性，對車轍、開裂、溫縮等都具有較好的抵抗能力。同時，瀝青路面的行車噪聲小、耐老化、長期性能好等特點，使得其廣泛應用于我國公路的路面工程建設中。盡管瀝青路面具有較多優點，但是在我國長期實踐應用中仍然發現其諸多的病害問題，例如水損害、路面開裂、局部沉陷、車轍等，這些病害的存在不僅僅有施工質量和管理養護方面的問題，設計的方法和質量也是關鍵影響因素[1-2]。本文探討目前我國公路瀝青路面設計的相關問題，針對設計理念、設計方法、設計指標等闡述目前存在的問題及改善措施，以提高設計人員對瀝青路面路用性能和力學性能的把握，通過改善路面設計質量以減少運營中的病害問題和大量不必要的管養成本。

1瀝青路面設計理念

1.1存在的問題。瀝青路面根據其結構受力特性可以分為剛性、柔性和半剛性路面，其中半剛性瀝青路面具有良好的強度、剛度和穩定性，同時具有很好的抗壓和抗剪性能，通過在下層設置剛性的混凝土基層并在上層設置瀝青消耗層，因此具有很好的路用特性，在國內外的設計實踐中應用最多。然而，我國近幾年貨物運輸荷載等級和運輸量都在不斷增加，道路處于車輛荷載反復作用的情形下，加上環境溫度等作用，半剛性瀝青路面也出現了諸多病害，如開裂、唧漿、破損、沉陷等。傳統的設計理念主要考慮路面結構安全性，將彎沉等設計指標控制在安全范圍內，使得基層拉應力低于路面開裂強度，設計使用年限往往是10~15年。但是因為實際運輸荷載的不確定性，如果出現微小的裂縫問題就很容易導致路面性能快速衰減，致使實際的路面使用壽命往往只有5~8年。在這方面，國外開始提高路面設計厚度，并采用長壽命路面設計理念。1.2解決對策。從國外實踐來看，1980年瀝青路面設計厚度往往只有12cm，20世紀初期路面厚度發展到18cm左右，到目前路面厚度已經設計到18~30cm，長壽命瀝青路面設計理念就是提高路面設計厚度。大量研究證實[3]：瀝青路面存在極限拉彎應變值，在外界車輪荷載和溫度荷載作用下，拉彎應變值在該范圍之內時，就不會產生疲勞開裂和破壞，而只要路面厚度超過一定設計值，路面底部基層的拉彎應變就會低于上述疲勞極限而不會產生開裂。首先，直接接觸車輪壓力的是面層結構，往往需要采用高質量的瀝青混凝土，不僅要求具有良好的抗車轍、抗剝蝕和抗滲性能，還需要具有良好的材料品質，使得不能出現初始缺陷和裂縫，因為車輪作用下該區域是高應力區，很容易發生各類病害。其次，中間層是保證路面剛度的，應該具有較高的彈性模量，同時車輪作用的剪切力主要作用在該面層上，需要具有良好的抗車轍性能。底部基層是荷載作用下整個路面層產生彎沉效應最大的區域，該區域需要具有良好的抗裂性和抗疲勞性能，因此可以設計采用高柔性抗疲勞瀝青混凝土，使得路面層不出現開裂，保障路面層的使用壽命。長壽命瀝青路面的設計理念明確，通過增加路面層厚度并在不同區域設置對應性能的瀝青混凝土，從而使得整個路面層的使用壽命得到延長。在當前我國瀝青路面病害問題嚴重、車輛超載重載問題突出的情況下，大量的瀝青路面維修和更換會產生高昂的管理和養護成本，而引入長壽命瀝青路面的設計理念，可以改善這一現狀。

2瀝青路面設計方法

目前，國內外瀝青路面設計的方法主要有經驗法和力學-經驗法。經驗法就是基于試驗段的瀝青路面進行測試分析，從而建立路面、荷載、力學性能之間的經驗關系，比較成熟的經驗設計方法有CBR法和AASHTO法[4]，以AASHTO方法為例，其設計基礎就是通過試驗路段數據觀測和分析建立了路面性能-荷載-路面結構的關系，通過PSI（服務能力指數）確定路面的狀況，為設計提供標準。我國瀝青路面設計則是在借鑒國外經驗方法基礎上結合我國瀝青路面試驗數據修正模型，總體上也是經驗法。經驗法的缺陷就是隨著環境的變化而不能適用，而實際上環境對于路面的長期使用性能影響非常顯著。力學-經驗法則是根據荷載和環境參量確定路面結構性能的反應量，建立力學反應量與結構破損模式之間的關系，從而形成路面性能模型進行瀝青路面設計。力學-經驗法將路面結構視為多層線性彈性體系，各層材料用彈性模量和泊松比表征，設計的主要目的是通過力學分析確定瀝青底面層水平拉應變和道路表面的壓應變，具有兩個設計表征指標：底面層拉應力和道路表面永久變形（車轍深度）。力學-經驗法目前越來越多被推廣使用，但是由于路面的力學特性和實際使用性能之間缺乏明確的定量關系，根據力學分析結果直接推算路面層的受力性能缺乏合理性，這使得很多力學參數的設計控制指標不盡合理。總結而言，經驗法缺乏理論基礎也不具有廣泛適用性，對于特殊環境和變化的瀝青路面層構造，需要大量的試驗進行修正才能獲得較為準確的設計控制指標；力學-經驗法具有理論基礎，但是目前的體系沒有建立全面的力學關系，且瀝青路面使用性能是復雜的，通過若干個力學指標難以準確反應。改進的方法是將經驗法的相關參數融入力學-經驗法中，采用更加全面的指標體系來衡量瀝青路面的使用性能，并改進目前的力學理論和方法。

3瀝青路面設計指標

瀝青路面的設計指標需要根據其破壞損傷模式進行判別。目前瀝青路面的主要破壞損傷模式有結構性損傷和局部損傷兩種。結構性損傷就是在車輪荷載及環境作用下的疲勞開裂和永久性變形等，疲勞開裂主要是車輪作用下基層彎沉應變超過疲勞極限產生的開裂，永久變形則是長期車輪作用下路基頂面產生的不可恢復變形，針對這些破壞模式的主要設計指標是彎拉應力值。局部損傷是載重量大的車輪荷載對路面產生的剪切應力作用，伴隨著環境作用下的路面層退化，局部損傷主要表現為車轍病害，針對局部損傷的設計指標是面層剪切應力。這些設計指標相對比較單一。以彎沉指標為例，僅僅通過彎沉拉應力判斷路面是否會發生疲勞開裂是不盡合理的，實際的瀝青路面是顯著的彈塑性材料，在較大的車輪荷載作用下路面底部可能會發生彈塑性變形，而判斷是否開裂是拉應變超過材料的極限拉應變，而非拉應力。因此，采用拉應變作為控制是否開裂的標準更加合理。又如，路面剪應力是判斷車轍病害的指標，但是車轍問題往往受到水損害及環境溫度等影響顯著，例如高溫環境下瀝青路面的顆粒之間黏結性較低，此時重載貨車的車輪荷載作用很容易使得局部出現破壞，導致車轍病害，因此需要加入溫度等環境指標更加合理地判斷。鑒于瀝青路面使用性能的復雜性，目前這些簡化的瀝青路面設計指標具有一定的適用性，但是仍然不能全面地反應瀝青路面的使用狀況，需要建立更加全面而系統的指標體系判斷。

4結論

本文詳細討論了我國公路瀝青路面設計的若干問題，對設計理論、設計方法和設計指標等存在的不足進行了深入分析，并提出了解決措施和方向，力圖提高我國瀝青路面的設計質量。

參考文獻：

[1]王鑫.瀝青混凝土路面病害分析及防治[J].公路交通科技（應用技術版），2016（1）：132-135.

[2]鐘夢武，吳善周，謝立新，等.我國現行瀝青路面設計方法存在問題分析[J].湖南交通科技，2007，33（1）：7-9.

[3]張耀將.長壽命瀝青混凝土路面結構特點與設計分析[J].黑龍江交通科技，2016，39（1）：57-58.

[4]代景東.瀝青路面結構設計中存在問題的探討[J].工程與建設，2011，25（2）：210-211.

作者:周俊 單位:新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司