長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

劉紀(jì)鋒

（邯鄲市交通運(yùn)輸局公路工程一處，河北 邯鄲 056000）

長壽命瀝青路面，又稱為長效性瀝青路面、永久性瀝青路面，是國際道路工程界基于壽命周期總費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)的原則提出的新技術(shù)，是指設(shè)計(jì)使用壽命大于40年的瀝青路面，起源于歐洲。其特點(diǎn)是在較長的使用期內(nèi)能夠提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的運(yùn)輸服務(wù)，并且維修方便，較厚的瀝青層減少了傳統(tǒng)的瀝青層底面開裂，并避免了結(jié)構(gòu)性車轍，使路面損壞僅限于路面表層，因此只需要定期進(jìn)行表面銑刨、罩面修復(fù)就能夠使路面在較長的使用年限內(nèi)不需要大型的結(jié)構(gòu)性重建。這種瀝青路面的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)在國外是成熟的，然而，國內(nèi)關(guān)于長壽命瀝青路面的研究才剛剛起步，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對長壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)指標(biāo)不匹配[1]。因此，為了解決長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工中存在的諸多問題，需進(jìn)行長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的研究。

1 拉應(yīng)力與拉應(yīng)變

在我國瀝青路面設(shè)計(jì)方法中，一直采用層底拉應(yīng)力對路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。而國外則一直采用拉應(yīng)變進(jìn)行驗(yàn)算。相關(guān)資料顯示，長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)采用拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)算瀝青層的受力狀態(tài)更合理；而半剛性基層仍以層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.1 瀝青混合料疲勞極限是長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)中最重要的理論基礎(chǔ)。歐洲和美國的大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多全厚式瀝青路面和高強(qiáng)度瀝青路面在服務(wù)期超出使用年限后，仍能提供令人滿意的交通服務(wù)。針對這一現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料存在疲勞極限。疲勞極限理論能夠很好地吻合實(shí)際工程狀況，并且為長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，所以國外長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)均以拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.2 從路面力學(xué)分析可以明顯看出：雖然路面結(jié)構(gòu)中的微元體在某一個(gè)方向上承受壓應(yīng)力，但由于處于三向應(yīng)力狀態(tài)，在該方向上，微元體仍然可能產(chǎn)生拉應(yīng)變。盡管理論分析認(rèn)為受拉應(yīng)力的點(diǎn)也可能產(chǎn)生壓應(yīng)變，但計(jì)算結(jié)果證明，在路面結(jié)構(gòu)中不存在這樣的點(diǎn)。瀝青混合料是一種受壓性能高于受拉性能的材料。研究人員和工程師通常更重視拉應(yīng)力或拉應(yīng)變。

1.3 道路的破壞通常是行車荷載多次作用后的結(jié)果，屬于疲勞破壞。在100kN雙圓均布荷載下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值與材料的破壞強(qiáng)度相差較大。理論經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法根據(jù)材料的疲勞性能和結(jié)構(gòu)層的受力狀態(tài)來確定道路能夠承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。材料的疲勞試驗(yàn)方法有很多種。采用最廣泛的是小梁重復(fù)彎曲試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)結(jié)果決定了路面設(shè)計(jì)中應(yīng)力、應(yīng)變驗(yàn)算指標(biāo)的大小[3]。然而，由于疲勞試驗(yàn)采用小梁試件，試件內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變分布簡單。計(jì)算時(shí)采用單向受力假設(shè)，即將梁設(shè)想成由眾多平行于梁軸線的縱向纖維組成，在梁內(nèi)各縱向纖維之間無積壓，僅承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。

2 路基頂面豎向壓應(yīng)變

1962年， Pettie和Dormon提出了通過控制路基頂面的豎向壓應(yīng)力或壓應(yīng)變來限制路基土的永久變形，并進(jìn)而限制路面結(jié)構(gòu)永久變形的構(gòu)想。其論點(diǎn)是：路面結(jié)構(gòu)的功用是防止路基受到過量的應(yīng)力，因?yàn)楹笳邥孤坊a(chǎn)生過量的永久變形，并使路面結(jié)構(gòu)相應(yīng)產(chǎn)生過大的永久變形或（和）開裂，材料的塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變成正比，彈性應(yīng)變限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變也就可相應(yīng)地被限定；而控制住路基的彈性應(yīng)變水平，路基、路面結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變以及永久變形量也可相應(yīng)地得到控制。在整理分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用路基壓應(yīng)變替代壓應(yīng)力可以使關(guān)系式不隨路基模量而變化。這一壓應(yīng)變關(guān)系式隨后成為Shell設(shè)計(jì)方法的一項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

但是，該設(shè)計(jì)指標(biāo)能夠限制路面結(jié)構(gòu)永久變形的結(jié)論是基于路面結(jié)構(gòu)的永久變形主要來源于路基的假設(shè)。對于瀝青層較薄的柔性結(jié)構(gòu)而言，路基和粒料基層的永久變形占大部分，這種假設(shè)同實(shí)際的偏差可能不太大，而對于承受重交通的厚瀝青層，軸載應(yīng)力不可能在路基和粒料層產(chǎn)生大的永久變形量，路表車轍量大部分產(chǎn)生于瀝青層?？刂苹攭簯?yīng)變不能限制瀝青層壓應(yīng)變的大小，從而無法實(shí)現(xiàn)限制路面塑性變形的目的。因此，對于柔性結(jié)構(gòu)和復(fù)合基層結(jié)構(gòu)長壽命瀝青路面，基頂壓應(yīng)變只能控制路基自身的塑性變形。

路基對長壽命瀝青路面有著至關(guān)重要的作用。在道路鋪筑過程中，堅(jiān)實(shí)的路基為施工運(yùn)輸車輛、攤鋪和壓實(shí)設(shè)備提供了穩(wěn)定的工作平臺。道路服務(wù)期內(nèi)，路基不僅要承受路面?zhèn)鬟f下來的車輛荷載，同時(shí)還要承受凍、融，干、濕等環(huán)境變化帶來的不利作用。在道路設(shè)計(jì)過程中，一方面要加強(qiáng)路基自身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，另一方面，要合理設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)，為路基減負(fù)。前者不屬于路面設(shè)計(jì)范疇。路基達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度要求后，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，以路基頂面豎向壓應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)，控制路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通常采用的基頂壓應(yīng)變的設(shè)計(jì)值為200με。

3 路面彎沉指標(biāo)分析

早期的路面結(jié)構(gòu)形式相對單一，對于同一種路面結(jié)構(gòu)（相同的結(jié)構(gòu)層組合和材料類型），路表彎沉值的大小可以反映出路面結(jié)構(gòu)的抗變形能力。路表彎沉值小的路面結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力和較長的使用壽命。因而，可依據(jù)相同的破壞標(biāo)準(zhǔn)判斷其承載能力（標(biāo)準(zhǔn)軸載重復(fù)作用次數(shù)）。然而，隨著科學(xué)的發(fā)展和施工技術(shù)手段的進(jìn)步，新的路面結(jié)構(gòu)形式層出不窮。對于不同種類的路面結(jié)構(gòu)（不同的結(jié)構(gòu)層組合和材料類型），路表彎沉值大的路面結(jié)構(gòu)，其承載能力或使用壽命并不一定會比路表彎沉值小的路面結(jié)構(gòu)差[3]；反之亦然。因而，不能僅依據(jù)這一指標(biāo)值判斷出路面結(jié)構(gòu)的承載能力，或者比較出不同路面結(jié)構(gòu)的承載能力的高低。在我國，路表彎沉指標(biāo)成為廣受爭議的指標(biāo)。

規(guī)范的修訂者也意識到了這個(gè)問題。因此，各版規(guī)范中路表彎沉公式不斷被修正：一方面修正公式中的常數(shù)項(xiàng)，另一方面增加公式中的系數(shù)項(xiàng)。前者隨著軸載變重、路面等級提高和路面結(jié)構(gòu)變厚而不斷減小，即設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。后者則隨著路面結(jié)構(gòu)組合和材料類型的變化而通過增加系數(shù)項(xiàng)不斷進(jìn)行調(diào)整——由面層類型系數(shù)到公路等級系數(shù)再到基層類型系數(shù)，試圖通過細(xì)化路面結(jié)構(gòu)和材料類型的辦法來克服彎沉指標(biāo)非唯一性的缺點(diǎn)。然而，新的路面結(jié)構(gòu)組合和材料類型總是會隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷涌現(xiàn)，而設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂總是滯后于發(fā)展的。

半剛性基層瀝青路面破壞的主要形式之一是反射裂縫，說明半剛性材料在整體的路面結(jié)構(gòu)中是相對薄弱環(huán)節(jié)，而彎沉并不能控制半剛性材料的破壞。因此，對于半剛性基層瀝青路面，路表彎沉不能起到控制作用。

鑒于以上分析，在長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用路表彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。對于半剛性基層瀝青路面，雖然其對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有控制作用，但由于彎沉值是設(shè)計(jì)和施工驗(yàn)收相對應(yīng)的唯一指標(biāo)，為便于控制施工質(zhì)量，不能取消這個(gè)指標(biāo)。

4 結(jié)語

我國的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)長的演變過程，基本上是建立在缺乏瀝青和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較差的國情的基礎(chǔ)上，自行發(fā)展起來的?？墒歉咚俟窞r青路面的早期破壞使得我們不得不對瀝青路面的結(jié)構(gòu)類型和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行反思。長壽命瀝青路面作為一種新的路面結(jié)構(gòu)類型，其設(shè)計(jì)指標(biāo)必將不同于半剛性基層瀝青路面。因此深入分析長壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對規(guī)范長壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)與施工具有重要意義。

[1]李峰，孫立軍，胡曉.長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐綜述[J].公路， 2005， （5）： 122-127.

[2]JTG D50—2006， 公路瀝 青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]孫立軍，胡圣，張小寧.路面彎沉盆上的惰性點(diǎn)[J].公路交通科技， 2001， 18（3）： 1-5.