黃柳芬

本文深入探討了重載道路瀝青路面的設(shè)計(jì)方法，從荷載設(shè)計(jì)、材料選擇與配合比設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到有限元模擬技術(shù)的應(yīng)用，以及環(huán)保和再生材料的使用。研究表明，考慮到各種復(fù)雜的因素，如交通荷載、材料性能、地基條件和環(huán)境因素，有效的道路設(shè)計(jì)需要采用全面、系統(tǒng)的方法。同時(shí)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和再生材料的使用為改善道路性能和可持續(xù)性提供了新的可能性。

在我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，瀝青道路作為其重要組成部分，承載著重大的交通流量。然而，由于重載交通的影響，這些道路面臨著顯著的性能挑戰(zhàn)。因此，對(duì)于這些道路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究具有重要的實(shí)踐意義。本文旨在提供一種全面、系統(tǒng)的方法來(lái)設(shè)計(jì)重載道路的瀝青路面，以改善其性能，并延長(zhǎng)其使用壽命。

一、重載道路瀝青路面的重要性

首先，從功能角度考慮，重載道路是承載大量車輛流量的主要通道，其中包括大型商用車、貨車和公交車等。這些車輛對(duì)道路表面施加極大的荷載壓力，可能會(huì)導(dǎo)致路面快速磨損和損壞。而瀝青路面因其良好的耐磨性和彈性，可有效吸收這些重載壓力，減輕對(duì)道路結(jié)構(gòu)的損害，延長(zhǎng)道路使用壽命。其次，瀝青路面具有優(yōu)異的防水性能和較好的附著力，這對(duì)于重載道路尤為重要。對(duì)于經(jīng)常有重載車輛行駛的道路，保持路面干燥并防止水分侵入路基是至關(guān)重要的。最后，瀝青路面對(duì)駕駛者和乘客提供了更好的駕駛體驗(yàn)。瀝青路面的平滑性和靜音性相對(duì)優(yōu)秀，可提供更舒適的行車環(huán)境，減小噪音污染，這對(duì)于緩解駕駛員疲勞，提高行車安全具有積極作用。

二、重載道路的特點(diǎn)

重載道路是指設(shè)計(jì)用于承載大量、重量較大的車輛流量的道路，如公路、高速公路、主要城市街道等。其主要特點(diǎn)包括：

大流量：重載道路通常需要處理大量的車輛流量，對(duì)此重載道路表面需要具有高強(qiáng)度和耐磨性，以承受連續(xù)的交通荷載。

高負(fù)荷：重載道路經(jīng)常需要承受大型車輛，如貨車、公共汽車、拖拉機(jī)等的重壓。這需要道路設(shè)計(jì)考慮到足夠的承載能力和耐久性。

維護(hù)要求：由于重載道路的大流量和高負(fù)荷，對(duì)道路的維護(hù)需求更大，更頻繁。因此，道路材料和設(shè)計(jì)需要方便維修和保養(yǎng)。

三、瀝青路面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

1.道路使用環(huán)境

瀝青路面的設(shè)計(jì)需要考慮各種環(huán)境因素，包括氣候條件（如溫度、降雨量和濕度）、地形（如平原、山區(qū)或沿海地區(qū)）以及地區(qū)的一般環(huán)境條件（如城市、郊區(qū)或鄉(xiāng)村）。這些因素會(huì)影響到瀝青混合物的選擇和設(shè)計(jì)，以及路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.交通流量

交通流量是瀝青路面設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵因素。這涉及到車輛的數(shù)量，車輛類型（如乘用車、貨車、公共汽車等）以及其行駛頻率。所產(chǎn)生更高的交通流量，如重型車輛，將會(huì)對(duì)路面施加更大的壓力，從而造成瀝青路面的快速劣化,圖1為流程圖。

圖1 車流量影響圖式

圖2 應(yīng)力沿深度分布圖式

3.地質(zhì)和水文條件

地質(zhì)和水文條件也是影響瀝青路面設(shè)計(jì)的重要因素。這包括地下的土壤類型和條件，地下水表的深度，以及可能存在的任何地質(zhì)結(jié)構(gòu)或特征（如斷裂帶或石灰石洞穴）。這些因素會(huì)影響到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，以及排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和位置。

四、重載瀝青路面設(shè)計(jì)方法

1.荷載設(shè)計(jì)方法

（1）確定設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載是指道路預(yù)計(jì)在其設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)要承受的最大交通荷載。一般以標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)荷（比如ESAL，等同標(biāo)準(zhǔn)軸負(fù)荷）表示，ESAL是一種用于量化道路荷載的工具，它將所有類型和重量的車輛荷載轉(zhuǎn)化為一種標(biāo)準(zhǔn)化的、可比較的單位。通常情況下，可以通過(guò)交通流量調(diào)查和預(yù)測(cè)，以及對(duì)道路類型（如公路、主干道、支路等）的考慮，來(lái)確定設(shè)計(jì)荷載。

（2）確定荷載分布

車輛荷載在道路結(jié)構(gòu)中的分布方式對(duì)于道路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在實(shí)際情況中，荷載會(huì)隨著深度的增加而逐漸分散。通常情況下，荷載分布可以使用彈性理論或半彈性理論進(jìn)行計(jì)算。

2.材料選擇與配合比設(shè)計(jì)

（1）材料選擇

在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮其性能特性，如強(qiáng)度、耐候性、耐磨性和耐疲勞性等。重載道路瀝青路面的主要材料通常包括：

石油瀝青：具有良好的粘結(jié)性、防水性和耐候性，是道路混合料的主要粘結(jié)劑。

骨料：包括粗骨料（如碎石、礫石等）和細(xì)骨料（如砂、石粉等）。骨料的選擇應(yīng)考慮其強(qiáng)度、耐磨性和顆粒形狀等因素。

填料：用于填充骨料間隙的材料，通常為石粉或細(xì)砂。填料可以增強(qiáng)混合料的穩(wěn)定性和耐磨性。

添加劑：根據(jù)需求，可以添加各種改性劑或添加劑，以改善瀝青混合料的性能。例如，SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）改性瀝青可以提高路面的耐高溫、低溫裂縫和抗疲勞性能。

（2）配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)初拌：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，進(jìn)行初步的配合比試驗(yàn)，確定初步的瀝青用量和骨料分布。

試驗(yàn)混拌：按照初步配合比進(jìn)行混拌，制作瀝青混合料試樣，進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，如馬歇爾穩(wěn)定性試驗(yàn)、流值試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)等。

優(yōu)化配合比：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整配合比，尋找最優(yōu)配合比。最優(yōu)配合比應(yīng)使瀝青混合料具有良好的強(qiáng)度、耐久性、抗?jié)B性和抗疲勞性等。

試驗(yàn)驗(yàn)證：確定最優(yōu)配合比后，進(jìn)行大量試驗(yàn)，以驗(yàn)證配合比的合理性和混合料的性能。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

（1）考慮交通流量和交通組成

根據(jù)重載交通設(shè)計(jì)流量（AADT）和重型車輛百分比，計(jì)算道路設(shè)計(jì)車輛數(shù)（ESAL）。對(duì)于重載交通，需要特別關(guān)注重型車輛的影響?？墒褂靡韵鹿接?jì)算ESAL：ESAL = AADT×日換算系數(shù)×重車比例×軸荷換算系數(shù)×設(shè)計(jì)年限。

（2）地基承載能力

設(shè)計(jì)人員需對(duì)地基進(jìn)行詳細(xì)的勘察，評(píng)估地基承載能力（CBR值）；對(duì)于不同CBR值的地基，選擇合適的瀝青路面結(jié)構(gòu)，如厚度較大的瀝青路面或者水泥穩(wěn)定基層。同時(shí)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)承載能力較低的地基，采用地基改良技術(shù)，如加筋地基、預(yù)壓地基、土工合成材料加固等。

（3）路面結(jié)構(gòu)層數(shù)和厚度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用多層瀝青路面結(jié)構(gòu)，包括瀝青表面層、中間層、基層和地基層。在此基礎(chǔ)上，使用彈性模量法（如AASHTO 93設(shè)計(jì)法）進(jìn)行厚度設(shè)計(jì)，并根據(jù)地基反力系數(shù)（k）、層系數(shù)（ai）、應(yīng)力分布系數(shù)（mi）、設(shè)計(jì)車輛數(shù)（W18）、可靠性系數(shù)（R）等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，對(duì)于重載交通，可以考慮增加瀝青層的厚度，或者使用高強(qiáng)度的瀝青混合料；最后，需針對(duì)不同層次的瀝青混合料，可以調(diào)整層系數(shù)（ai）以優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

五、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

1.有限元模擬技術(shù)在瀝青路面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在瀝青路面設(shè)計(jì)中，有限元模擬技術(shù)屬于較為關(guān)鍵的輔助工具，它可以幫助設(shè)計(jì)人員理解路面結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載和環(huán)境條件下的性能。以下是結(jié)合重載交通對(duì)有限元模擬技術(shù)在瀝青路面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的分析：

（1）模型建立

建立具有多層結(jié)構(gòu)的道路模型是第一步?？紤]到道路構(gòu)造，模型需包括4厘米厚的瀝青表面層，10厘米厚的穩(wěn)定碎石基層，以及15厘米厚的土壤亞基層。在建立模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員需使用四面體或六面體元素，單個(gè)元素的邊長(zhǎng)可能在1～5厘米之間，以平衡模型的精度和計(jì)算效率。對(duì)于重載交通，路面結(jié)構(gòu)需要承受更大的負(fù)載，因此在建立模型時(shí)，需要特別考慮瀝青表面層和穩(wěn)定碎石基層的厚度和材料性能。例如，可能需要增加瀝青表面層的厚度，或者使用更高強(qiáng)度的材料，以提高路面結(jié)構(gòu)的承載能力。同時(shí)，也需要考慮土壤亞基層的承載能力和變形性能，以確保路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）材料性質(zhì)定義

對(duì)于重載交通，需要選擇彈性模量更高的材料，以提高路面結(jié)構(gòu)的承載能力。其中瀝青混合料通常假設(shè)為線性彈性材料，彈性模量可能在1～5 GPa之間，泊松比約為0.35?；鶎雍蛠喕鶎拥牟牧闲再|(zhì)則需要根據(jù)實(shí)際材料進(jìn)行設(shè)定。例如，穩(wěn)定碎石的彈性模量可能在100～500 MPa之間，土壤的彈性模量可能在50～200 MPa之間。

（3）邊界條件和荷載設(shè)置

模型的邊界條件通常設(shè)置為底部固定，表面自由。荷載可以模擬車輪荷載，例如標(biāo)準(zhǔn)雙軸荷載（10噸）。對(duì)于重載交通，需考慮更大的車輪荷載。荷載可以作用在表面的特定位置，例如在路面中心線上。另外，還可以考慮溫度荷載，例如模擬從-20℃到60℃的溫度變化。

（4）求解和后處理

在設(shè)定好模型、材料性質(zhì)、邊界條件和荷載后，設(shè)計(jì)人員可使用有限元分析軟件進(jìn)行求解。求解過(guò)程可能需要數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)，具體時(shí)間取決于模型的復(fù)雜度和計(jì)算機(jī)的性能。求解完成后，可以得到每個(gè)元素的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和溫度等信息。通過(guò)后處理，設(shè)計(jì)人員可查看各層的應(yīng)力分布，計(jì)算最大應(yīng)力的位置和大小。例如，最大應(yīng)力可能發(fā)生在瀝青層的底部，應(yīng)力值可能達(dá)到500 kPa。根據(jù)這些信息，還可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)裂縫的位置，以及在各種荷載和環(huán)境條件下的道路性能。對(duì)于重載交通路面設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這些信息可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)，提高其對(duì)重載的適應(yīng)性。

2.環(huán)保與再生材料的使用

（1）再生瀝青混合料（RAP）

對(duì)于重載交通路面，可以考慮在瀝青混合料中添加更高比例的RAP。但需確保RAP的質(zhì)量和性能滿足設(shè)計(jì)要求。此外，可以考慮使用改性瀝青來(lái)提高RAP混合料的性能，如耐磨性、抗疲勞性等，以滿足重載交通的要求。

（2）再生材料在基層和亞基層的應(yīng)用

在重載交通路面設(shè)計(jì)中，可以使用廢棄混凝土等再生材料作為基層和亞基層材料。針對(duì)重載交通的特點(diǎn)，需要對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，如增加粉碎程度，以提高其承載能力。同時(shí)，使用再生材料應(yīng)確保滿足層厚度和彈性模量的設(shè)計(jì)要求。

六、結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，重載道路瀝青路面的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到多種因素的綜合考慮和權(quán)衡。雖然存在許多挑戰(zhàn)，但通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，可有效提高道路性能，延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響。對(duì)這些設(shè)計(jì)方法的研究和探索將為我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大的支持。