謝香蓮

（湖南省高速公路管理局衡陽管理處，湖南衡陽 421000）

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究與發(fā)展

謝香蓮

（湖南省高速公路管理局衡陽管理處，湖南衡陽 421000）

通過借鑒國外的研究成果，中國構(gòu)建了自己的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，但根據(jù)該方法設(shè)計的瀝青路面通常在使用不到10年就需要進(jìn)行大中修，更嚴(yán)重的僅使用2～3年就出現(xiàn)早期損壞，遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計使用期限。文中就國內(nèi)瀝青路面出現(xiàn)的問題作簡要分析，指出現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的缺陷，并對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究近況進(jìn)行評述，最后對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計新理念進(jìn)行了展望。

公路；瀝青路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計；路用性能

隨著中國交通運輸量的日益增加，普通瀝青路面結(jié)構(gòu)已不滿足重載交通的特殊需求，不同程度的路面病害越來越多，浮現(xiàn)的時間也日益靠前，即使通過各種措施對設(shè)計、施工及養(yǎng)護進(jìn)行改善，但因其設(shè)計方法自身的缺陷路面病害的提前發(fā)生成為一種必然趨勢。中國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計中，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料組成設(shè)計互相分離，而結(jié)構(gòu)設(shè)計上的缺陷只能通過提高材料性能的方法來彌補；設(shè)計指標(biāo)過于單一，不能有效分析路面的結(jié)構(gòu)破壞形式，沒有明顯的控制作用；設(shè)計參數(shù)不能代表真實的外在環(huán)境和荷載變化；路面厚度的選擇局限于力學(xué)角度，沒有完全從整個壽命周期的角度考慮后期養(yǎng)護、改建等成本。為此，必須對重交通路面的損壞機理和緣由進(jìn)行深入調(diào)查與分析，及時把控新環(huán)境下的新變化，優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展

瀝青路面設(shè)計方法共經(jīng)歷了古典理論法、經(jīng)驗設(shè)計法和理論分析法3個階段。古典理論法將土基層頂面的應(yīng)力大小作為路面設(shè)計厚度的基本參數(shù)，隨著路面力學(xué)理論、施工技術(shù)水平及路面結(jié)構(gòu)形式和研究方法的不斷進(jìn)步，該方法逐漸走向末路。目前，經(jīng)驗法和理論分析法是最主要和使用頻率最高的路面設(shè)計方法。

經(jīng)驗法是根據(jù)試驗道路監(jiān)測數(shù)據(jù)換算路面性能和結(jié)構(gòu)及路面上覆荷載三者之間的關(guān)系，其中最有名的是美國CBR法。CBR法以試驗所得加州承載比作為路面的基本性能參數(shù)，根據(jù)路面數(shù)據(jù)測量與調(diào)查結(jié)果，得出CBR值-輪載-路面結(jié)構(gòu)層厚度之間的經(jīng)驗關(guān)系曲線，路面各結(jié)構(gòu)層厚度可通過路面材料的CBR值進(jìn)行軸當(dāng)量換算得到。該方法以加州承載比作為路面材料的一種性能指標(biāo)已得到廣泛使用。

理論分析法或力學(xué)-經(jīng)驗法是基于經(jīng)驗的設(shè)計方法，它最開始研究路面在荷載和環(huán)境因素共同影響下的力學(xué)性能反應(yīng)，將路面性能與應(yīng)力應(yīng)變建立模型，并從模型中分析它們之間的關(guān)系，最后根據(jù)設(shè)計初衷對其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)規(guī)劃。理論分析法的框架由殼牌公司的專家在第一屆瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計國際會議上提出，并經(jīng)過不斷完善形成了多種不同設(shè)計方法。AI和柔性路面設(shè)計法（Shell）是其中的典型代表，世界上多數(shù)國家均借鑒這兩種方法的研究成果制定本國的路面設(shè)計理論方法，且都是以裂縫和永久變形作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。中國瀝青路面設(shè)計方法也屬于理論分析法，路面模型的建立借鑒了Shell法，把路面看成多層彈性體系進(jìn)行路面設(shè)計。

2 中國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的缺陷

2.1 路表彎沉指標(biāo)的局限

路表彎沉是指在荷載作用下路面整體結(jié)構(gòu)在豎直方向產(chǎn)生的位移，其大小表示路面整體構(gòu)造在抵抗變形能力方面的強弱，具有整體性、表觀性。路面是多層彈性體結(jié)構(gòu)，是用類型各異的材料組成結(jié)構(gòu)層，并將互不相同的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行組合而成，各層結(jié)構(gòu)可擁有相異的力學(xué)、幾何屬性，路面結(jié)構(gòu)性能的好壞與各結(jié)構(gòu)層組成的整體性能相關(guān)，也取決于各層結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)層間的組合或材料選用不相適宜時，對于具有相同彎沉值的兩個不同路面結(jié)構(gòu)，會因結(jié)構(gòu)層組合或材料類型上的迥異使其

使用期限或承載能力各異。因此，不能在路表彎沉指標(biāo)與含有不同破壞類型及破壞標(biāo)準(zhǔn)的不同路面結(jié)構(gòu)之間尋求一種密切的聯(lián)系。同時，路表彎沉的大小主要取決于土基的變形量，但外部環(huán)境條件也對其有影響，特別是受路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)中干濕情況影響很大，故把各不相同的路面結(jié)構(gòu)強度由路表彎沉來評定不具有足夠的說服力。路表彎沉指標(biāo)對于復(fù)雜路面結(jié)構(gòu)不能說明和囊括所有不同路面結(jié)構(gòu)的差異與多種破壞類型，瀝青路面主要設(shè)計參數(shù)有待完善。

2.2 粗放型路面設(shè)計

在影響瀝青路面力學(xué)參數(shù)的眾多因素中，環(huán)境的作用不可忽視。瀝青路面使用性能的衰減不僅受外部荷載作用，也與溫度、空氣、陽光和降水等作用密切相關(guān)，而絕大部分路面設(shè)計方法忽略濕度或水的影響，對溫度的影響也僅作粗略考慮，不能保證適用于每種不同情況。如在溫差變化較劇烈的地區(qū)，由于應(yīng)力大于瀝青層抗拉強度而造成的低溫縮裂問題在規(guī)范中并沒有考慮。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計相脫離

瀝青路面結(jié)構(gòu)組合方式和路面材料選取并不具有協(xié)調(diào)性，缺乏對不同材料性能與路面使用性能間關(guān)系的考慮，對路面材料的選取著重于其本身的性能，沒有考慮各層材料間的相互影響，只是單一地根據(jù)各層功能、特性選取相應(yīng)的材料，未給予路面結(jié)構(gòu)整體性的思量。同時沒有確定路面材料性能評價指標(biāo)與實際中其路用性能之間的相應(yīng)聯(lián)系。

2.4 未考慮經(jīng)濟因素

現(xiàn)行路面設(shè)計方法確定了路面結(jié)構(gòu)和厚度組成，卻未考慮路面結(jié)構(gòu)的修建費用、維修費用、使用者費用和進(jìn)行全壽命分析費用，這些因素均會造成路面結(jié)構(gòu)可靠度嚴(yán)重下降。

在日益嚴(yán)俊的交通背景下，依據(jù)舊有方式設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)浮現(xiàn)出的問題逐漸增多，隨著社會的發(fā)展，路面設(shè)計理念及方法需不斷更新和完善。

3 基于路用性能的長壽命瀝青路面設(shè)計新理念

3.1 長壽命瀝青路面

重載貨車交通量的大幅增長使路面通常在設(shè)計年限之前就出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。為從根本上使瀝青路面的性能得到改善，減少壽命周期費用，延長其使用年限，長壽命瀝青路面設(shè)計理念應(yīng)運而生，且自20世紀(jì)90年以來成為研究熱點。

長壽命瀝青路面設(shè)計理念是在不改變路面足夠厚度的條件下，使路面病害限定在路面表層（25～100 mm），只需定期對路面表面進(jìn)行養(yǎng)護，即可基本保證運營情況下路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保在瀝青路面使用期限里結(jié)構(gòu)不會遭受過大損壞。圖1為長壽命路面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 長壽命路面結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 基于路用性能的全壽命周期設(shè)計理念

從全壽命瀝青路面的路用性能出發(fā)，將材料、環(huán)境、荷載及結(jié)構(gòu)等各種因素綜合考慮，選取一個全方位且符合設(shè)計規(guī)范的設(shè)計方法。在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定因素中，一般會考慮荷載、環(huán)境、結(jié)構(gòu)及材料4個指標(biāo)的綜合影響，把路用性能作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的宗旨，結(jié)合路面建設(shè)及養(yǎng)護維修等基本費用，探討全壽命周期內(nèi)路面的效益，從中選取經(jīng)濟效益最大的路面結(jié)構(gòu)組合方案。此即基于路用性能的瀝青路面設(shè)計全壽命周期理念。

在路面結(jié)構(gòu)方案選定過程中，除要考慮路面建設(shè)期初的各項性能、費用外，還要考慮路面在運營、改建、養(yǎng)護中的經(jīng)濟效益和性能指標(biāo)，即在路面的整個壽命周期里選取經(jīng)濟效益較為顯著的路面結(jié)構(gòu)組合方案。

一般采取效益-費用比法、現(xiàn)值法和年費用法等，將效益費用所占比例最大的方案或時機選為最適宜方案。例如基于效益-費用比法，對比分析不同路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，選取不同路面的最佳養(yǎng)護方案及時機，得出每種設(shè)計方法在全壽命周期里的費用-效益指標(biāo)，進(jìn)而選出在全壽命周期內(nèi)的最佳路面方案。

3.3 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計特點

（1）長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層回彈模量及厚度值是基于理論分析法，結(jié)合彈性層狀體系理論觀察各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力和應(yīng)變變化情況，由控制地基頂面壓應(yīng)變、瀝青層層底拉應(yīng)變等主要參數(shù)所得出。

（2）長壽命瀝青路面思想是依據(jù)原水泥砼路面

設(shè)計理念提出的，對抗疲勞層的設(shè)置并沒有特別考慮，但長壽命瀝青路面基層瀝青混合料通常具有較大油石比，所以其在抗疲勞方面表現(xiàn)優(yōu)秀。

（3）為防止反射裂縫的出現(xiàn)，長壽命瀝青路面通常用級配碎石或瀝青碎石等組成其底基層或基層的結(jié)構(gòu)。

（4）世界上大多數(shù)國家均基于實際調(diào)查和統(tǒng)計總結(jié)出長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法尚未完善。

4 結(jié)語

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計期限通常為15～20年，而中國瀝青路面實際運營不足10年便需進(jìn)行大型檢測修整，有的甚至運營2～3年就出現(xiàn)早期破壞。中國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，依據(jù)彈性層狀體系進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)計算，把瀝青面層底部彎拉應(yīng)力、路表設(shè)計彎沉和基層底面彎拉應(yīng)力作為主要設(shè)計參數(shù)。而隨著道路交通事業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)前路表彎沉等設(shè)計指標(biāo)不能反映實際路面的損壞狀況，也不符合重載交通背景下路面構(gòu)造設(shè)計要求。由于瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方式和選取路面材料的方法不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致材料性能和路面性能之間構(gòu)建不出直接的關(guān)聯(lián)，對路面在高軸載、高輪壓作用下的狀況也考慮不夠周全。總之，國內(nèi)瀝青路面設(shè)計方式尚存在一定缺陷，需不斷改進(jìn)和發(fā)展。

結(jié)合國內(nèi)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀，該文認(rèn)為瀝青路面設(shè)計方法應(yīng)向路面設(shè)計性能方向發(fā)展，盡管當(dāng)前該設(shè)計構(gòu)造出的框架體系處于萌牙階段，但若想從根本上解決瀝青路面建設(shè)中遇到的問題，就必須丟棄目前簡單的思維模式，根據(jù)路面性能的需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，并參照先進(jìn)、前衛(wèi)的設(shè)計方式，如材料特性與結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的設(shè)計、永久性路面結(jié)構(gòu)的壽命匹配和路面經(jīng)濟型修復(fù)等理念，設(shè)計出性能優(yōu)良的瀝青路面。

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2016-05-10