重载交通长寿命沥青路面结构设计

重载交通长寿命沥青路面结构设计

江鸿

湖南省建筑设计院珠海分院广东珠海519000

摘要：长寿命沥青路面具有使用年限长、维修方便等优点，在公路建设中逐渐被广泛应用。在重载交通作用下沥青路面如何实现长寿命是路面结构研究的一种发展方向。本文对长寿命沥青路面的设计理念进行了介绍，阐述了长寿命沥青路面的理念及模型结构，并结合工程案例，对重载交通长寿命沥青路面结构设计进行了介绍。

关键词：重载交通；长寿命沥青路面；设计理念；结构设计

随着我国交通运输的快速发展，沥青路面早期破坏现象愈来愈严重，重载已成为影响路面使用性能和缩短路面使用寿命的重要因素之一。但在我国公路建设中，沥青路面的早期破坏现象及使用年限低等问题愈来愈突出，成为了制约我国交通事业发展的重要因素。对此，引进长寿命沥青路面设计理念已成为必然的趋势。长寿命沥青路面具有使用年限长，在使用期间路面的损坏仅发生在表层，不会发生结构性破坏，维修方便等优点。基于此，笔者进行了相关介绍。

1沥青路面设计理念

1.1长寿命沥青路面理念

长寿命沥青路面在美国被称为长效性或永久性路面。美国沥青路面协会（APA）对于长寿命沥青路面的定义为：路面使用年限达40年的沥青路面，并且在设计周期内确保路面不发生结构性破坏，破坏只发生在路面表面，仅需根据表面破损情况进行日常养护，平均罩面时间不小于12年。加拿大、欧洲、日本与南非亦对长寿命沥青路面进行了广泛研究，其主体设计思想与美国基本一致。

根据定义可知，长寿命沥青路面不是一直不损坏，而是不存在结构性损坏，发生在路面表层的功能性破坏可以通过预防性养护进行修复。维修时无需进行结构性大修，只需将沥青面层铣刨，然后铺设新的沥青面层即可，维修方便快捷，可大大减少对道路交通的影响。同时，与普通沥青路面相比，长寿命沥青路面能够承受更大的交通量和更重的交通荷载，初期投资偏高，但运营期的养护费用较低，在全寿命周期内总费用效益比最大。

1.2长寿命沥青路面模型结构

长寿命沥青路面基本模型结构如图1所示。

1）轮载下100～150mm区域是高受力区域，也是各种损坏（主要为轮辙）的发生区域。

2）表面层为厚度40～75mm的抗磨耗、抗剪切材料，需为车辆提供良好的行驶界面，应具有足够的构造深度，以及良好的抗车辙性、水稳定性。

3）联结层为厚度100～175mm的高模量、抗车辙材料，起到联结表面层与基层和分散荷载的作用。

4）基层为厚度75～100mm的高柔性抗疲劳材料，起到抵抗疲劳破坏的作用，应具备良好的水稳定性。

5）最大拉应变发生在基层底部，该区域最易发生疲劳破坏，其弯拉应变对于控制沥青混凝土层自下而上的疲劳开裂，防止路面过早出现结构性损坏具有特别重要的意义。

6）路基是道路的主体和路面的基础，承受着岩土自身重力及由路面传来的行车荷载，应具有足够的强度和稳定性，为沥青混凝土的铺筑提供一个良好的界面。

2长寿命沥青路面结构设计

2.1设计指标

国外长寿命沥青路面结构设计普遍采用沥青层底面弯拉应变（εr）和路基顶面压应变（εz）来预估路面结构寿命。

沥青层底面弯拉应变指标的主要作用是避免沥青层产生疲劳损坏，确保其寿命不小于路面使用寿命。目前，国内沥青路面设计规范中以沥青层层底拉应力为设计或验算指标，要求其最大拉应力不得超过材料的容许拉应力。实际上，沥青层的疲劳寿命并非受拉应力控制，以拉应变作为控制指标能够更好地反映沥青层的疲劳特性。因此，笔者建议采用沥青层底面弯拉应变作为长寿命路面结构计算的力学指标。

路基顶面压应变指标的主要作用是控制路面的总变形量。国内规范采用路表弯沉值控制路面总变形量。弯沉指标是一项综合指标，具有非唯一性，不同结构具有不同的破坏形态和破坏标准，两者之间无法建立协调统一的关联。因此，笔者建议采用路基顶面压应变作为长寿命沥青路面总变形量的控制指标。

长寿命沥青路面设计时一般不考虑交通量。根据极限应变理论，当交通量增加时，无限制地增加沥青表面层厚度是不可取的，因为当应变处于要求范围以内时就不会发生路面结构破坏，此时再增加厚度就是多余的。

由于沥青面层所处的外部环境复杂、恶劣，为保证材料的良好性能，避免初期破损，除以上2个设计指标外，根据国内相关试验研究结果，还需要增加1个沥青面层抗剪指标。实际上，道路中荷载引起的最大剪应力应小于抗剪试验所得的混合料最大抗剪强度，同时考虑剪切疲劳和抗剪安全系数的作用。对荷载引起的最大剪应力进行分析时，需要考虑轮胎非均布的特点和基层模量的影响，以及温度、离析、老化等引起的面层模量梯度等各种不利情况。

长寿命沥青路面设计指标如图2所示。

2.2路面结构组合设计

长寿命沥青路面结构组合设计时应根据其各结构层受力特性进行分层设计。对长寿命路面基本模型结构（见图1）进行力学分析可知，路面结构不同层位的受力特性不同。因此，应针对沥青路面结构不同区域的应力状态和功能区别选择相应的材料，才能更好地满足路面的使用性能要求。

1）表面层

长寿命沥青路面对于表面层的要求是平均罩面时间不小于12年。因此表面层应该具有良好的抗表面疲劳开裂、抗车辙及抗滑性能，同时能够降噪及减少水雾，可以采用骨架型密实型沥青混合料，并使用改性沥青或优质沥青，也可采用开大空隙开级配排水式沥青磨耗层（OGFC）。目前常用的高速公路表面层混合料有：改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13、橡胶沥青混合料ARAC-13、开级配沥青磨耗层OGFC-13。在一些对表面层性能要求较高，尤其是交通量大且重载车辆多的地区，通常使用改性沥青玛蹄脂碎石混合料。

2）联结层

联结层起扩散荷载的作用，须保证其稳定性、耐久性，以抵抗路面顶面以下由荷载产生的高应力导致的剪切破坏。通过计算发现，沥青路面的最大剪应力出现在路面顶面以下约100mm处，而随之轴载的增加，其位置有下移趋势。联结层的稳定性能可通过采用高温等级沥青胶结料或粗集料形成嵌挤骨架获得。联结层沥青的高温性能必须达到与面层沥青材料相同的要求，但考虑到路面结构的温度梯度较大，其低温性能可以在面层沥青材料的基础上适当降低。

3）基层

基层承受轮载产生的弯拉应力，起到防止路面产生疲劳破坏的作用，这就要求基层材料应具备良好的柔性、抗疲劳性、水密性。试验证明，在沥青混合料的拌制过程中，一定程度上增大沥青用量，有利于提高其抗疲劳特性。因此，目前国外在进行长寿命沥青路面施工时，都会进行合理的材料设计试验，增大沥青用量，以得出最适合长寿命沥青路面基层施工的材料。同时，应尽量降低沥青基层的孔隙率，以保证在集料间填充较多的沥青结合料，有利于增强基层的耐久性和柔性。考虑水的影响时，可选择高含量沥青混合料以保证其水密性，有利于提高路面结构的受力性能。根据国外研究资料表明，沥青碎石混合料设计空隙率达到18%时已具有一定排水功能，根据国内实践经验，推荐采用半开级配排水沥青碎石混合料基层。排水基层适用于特殊路段，目前在我国也只是处在试验阶段。基层沥青的高温性能要求须与面层沥青材料一致，但考虑其位置靠下，路面结构温度梯度较大，其低温性能可较联结层进一步降低。

4）路面基础

对于施工良好的沥青路面，车辙一般发生在路面结构上部。坚实的路面基础能大大减小各结构层层底拉应力，提高其疲劳寿命。从而有效地提高路面结构的使用寿命。因此，建议采取合理的措施来提高路基的承载能力，如采取冲击压实技术、固化剂处理路床等。研究还发现，路基湿度稍微增加就会导致其强度明显降低，因此路基设计时还必须考虑排水问题，必要时可设置碎石排水垫层，以保证路基强度。

3工程方案设计

某高速公路路线全长约43km，由过境客货运交通、进出当地交通以及旅游交通构成。其中客车出行比例约占56%，货车出行比例约占44%。按照车辆标准荷载计算，该项目属于特重交通等级。依据长寿命路面设计理念，在收集整理了多条高速公路的路面结构组合情况，并对国内沥青路面结构型式的发展趋势进行调研的基础上，结合兴延高速公路的交通特点及沿线情况，拟定该工程路面结构组合方案，见表1。

1）表面层采用SBS改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13。

2）联结层设计采用抗车辙的高模量沥青混合料，即中粒式SBS改性沥青混凝土AC-20C，并掺加0.5%的PR抗车辙剂。

3）上基层设计采用抗疲劳的沥青混合料。由于底基层为板体性较好的半刚性材料，因此上基层仍处于高压应力区。考虑其位置靠下，路面结构的温度梯度较大，低温性能可进一步降低。

4）下基层和底基层采用水泥稳定碎石和石灰粉煤灰稳定碎石组合修建。

5）上基层与下基层之间设置2cm橡胶沥青应力吸收层，防止反射裂缝的产生。

4结语

综上所述，重载交通长寿命沥青路面是解决路面早期损坏普遍、使用年限低等问题，提高路面使用年限的重要手段。因此，在公路建设过程中，可以引进长寿命沥青路面设计的理念，结合工程的实际情况，采取合理的长寿命沥青路面设计方案进行施工，从而提高路面的使用年限，促进长寿命沥青路面的推广应用及我国交通事业的发展。

参考文献：

[1]胡建强，刘双祥.基于长寿命路面结构的市政道路沥青路面加铺研究[J].北方交通.2016（01）

[2]满冠峰.某公路长寿命沥青路面设计分析[J].山西建筑.2014（34）