陳啟明

（廣州市公路勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 511430）

瀝青路面作為典型的高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)形式，其材料組成、層位和結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)劣直接影響著路面功能和耐久性的發(fā)揮。路面為車輛行駛提供服務(wù)，在全壽命內(nèi)都不斷承受著車輛荷載的碾壓以及水、溫度等環(huán)境因素侵蝕和變化的影響，并且二者通常發(fā)生耦合作用，加速了路面材料的劣化以及結(jié)構(gòu)的破壞。由于這種影響至上而下逐漸變化，因此路面必須分層不同的層次進(jìn)行鋪筑，并且各層的材料組成和結(jié)構(gòu)特性也應(yīng)當(dāng)隨深度的不同而發(fā)生變化，使得每個(gè)結(jié)構(gòu)層能夠承擔(dān)不同的使命并充分發(fā)揮其性能特點(diǎn)，最終達(dá)到控制路面病害和破壞類型，延長路面功能和結(jié)構(gòu)使用壽命的目的。

1 結(jié)構(gòu)分析與組合原則

瀝青路面結(jié)構(gòu)是由不同材料、多個(gè)層次組合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要分結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)層厚度驗(yàn)算三大方面。最初的結(jié)構(gòu)組合應(yīng)以達(dá)到預(yù)期的使用性能要求和控制破壞為目標(biāo)，主要工作包括結(jié)構(gòu)層次安排、結(jié)構(gòu)層位的受力特性分析以及各層的材料性質(zhì)和參數(shù)選取[1]。進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)路面性能發(fā)揮的影響因素進(jìn)行分析，這些因素包括公路等級(jí)、交通荷載等級(jí)、路基的支撐條件、當(dāng)?shù)氐臍鉁貭顩r等方面。

1.1 結(jié)構(gòu)組合原則

公路等級(jí)高，則所需要承擔(dān)的交通荷載作用次數(shù)以及材料和結(jié)構(gòu)的可靠度、穩(wěn)定性、耐久性要求相應(yīng)會(huì)更高，根據(jù)疲勞設(shè)計(jì)原則，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下所產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)就應(yīng)該更小，以滿足相應(yīng)容許值的要求，因此就必須對(duì)結(jié)構(gòu)層整體厚度或強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的提升，以控制每層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變。當(dāng)所設(shè)計(jì)的低等級(jí)公路或中等、輕交通荷載等級(jí)的路面結(jié)構(gòu)可選用相對(duì)較少的結(jié)構(gòu)層數(shù)以及薄弱的材料。路基作為路面的基礎(chǔ)，其主要功能是為路面提供一個(gè)均勻、穩(wěn)定的支撐，使得路面結(jié)構(gòu)底部的受力狀態(tài)與理論計(jì)算模型相一致，并且避免路基路面變形不協(xié)調(diào)使得路面性能得不到發(fā)揮[2]。當(dāng)路基自身較軟弱、抗變形性能比較差，為了控制路基的豎向變形過大，除了改善路基之外，可也通過設(shè)計(jì)層后越大，結(jié)構(gòu)越強(qiáng)的路面來減弱傳遞到路基頂面的應(yīng)力。當(dāng)在潮濕多雨地區(qū)，除了滿足承載能力要求外，還應(yīng)設(shè)計(jì)完善的路面內(nèi)部排水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境的影響。

1.2 受力特性與結(jié)構(gòu)分析

通過瀝青路面結(jié)構(gòu)在雙圓垂直均布荷載作用下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，荷載作用下所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力隨著深度的增加而逐漸變小，瀝青面層大部分屬于高壓應(yīng)力區(qū)，剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，距離路表面5 ～8cm 時(shí)達(dá)到最大值，水平拉應(yīng)力一般出現(xiàn)在基層底面，表現(xiàn)出彎拉作用的特點(diǎn)。為了適應(yīng)這一特點(diǎn)，必須對(duì)路面結(jié)構(gòu)不同層位的性能提出不同的要求，如表面層應(yīng)選擇抗滑耐磨的材料，中面層應(yīng)選擇更大的模量值，基層應(yīng)具有良好的彎拉疲勞性能。

除了各結(jié)構(gòu)層自身的力學(xué)特性應(yīng)滿足各自的功能要求之外，為了受力協(xié)調(diào)，在結(jié)構(gòu)組合時(shí)還應(yīng)充分考慮上下結(jié)構(gòu)層次的相互作用以及層間結(jié)合條件是否滿足計(jì)算模型的要求。為了避免上層底面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力和水平剪應(yīng)力，上下層次的模量比不能過大。合理設(shè)計(jì)功能夾層，減緩無機(jī)結(jié)合料類基層固有的的溫縮和干縮裂縫對(duì)瀝青面層的影響。采用密級(jí)配瀝青混合料面層，控制水分通過空隙和裂縫進(jìn)入面層產(chǎn)生水損壞以及對(duì)基層頂面產(chǎn)生沖刷。各層位之間保持連續(xù)或分離狀態(tài)，以及對(duì)基層整體狀態(tài)的不同考慮，也決定著不同層位內(nèi)應(yīng)力狀況的分布。在合理處理好相鄰層次的性能特征和相互作用的同時(shí)還需要進(jìn)一步顧及路面體系中各結(jié)構(gòu)層性能的協(xié)調(diào)，以使得結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)能達(dá)到使整個(gè)路面結(jié)構(gòu)體系的綜合性能和壽命達(dá)到平衡狀態(tài)。

2 不同結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)破壞及設(shè)計(jì)控制

2.1 無機(jī)結(jié)合料基層瀝青路面

由于無機(jī)結(jié)合料基層結(jié)構(gòu)致密，板體性好，應(yīng)力擴(kuò)散能力強(qiáng)，因此車輛荷載通過這類半剛性基層傳到路基頂面的壓應(yīng)力很小，可以使得路基處于彈性變形狀態(tài)，與路面協(xié)同受力。大量研究表明，半剛性基層路面的路基由于荷載重復(fù)作用而產(chǎn)生的永久變形累積量不大，基本上不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性車轍，但這類路面結(jié)構(gòu)的無機(jī)結(jié)合料類基層疲勞開裂、半剛性材料自身的溫縮、干縮裂縫所導(dǎo)致的瀝青面層反射裂縫以及瀝青層本身的剪切流動(dòng)變形等破壞現(xiàn)象更為顯著?？刂屏芽p和瀝青層失穩(wěn)型車轍是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要破壞控制內(nèi)容，主要包括：控制無機(jī)結(jié)合料基層或底基層底面的沿行車方向的拉應(yīng)力，防止出現(xiàn)疲勞開裂。采取增厚瀝青層厚度或增設(shè)土工措施減緩反射裂縫的出現(xiàn)。提高瀝青各層的抗變形能力控制豎向永久變形。

2.2 瀝青結(jié)合料基層路面

瀝青結(jié)合料類基層與粒料類底基層結(jié)構(gòu)組合能夠很好地消除反射裂縫的影響，維持瀝青面層的連續(xù)性，但由于柔性基層組合在荷載作用下路基所受的壓應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生較大的變形，并且柔性基層總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如半剛性基層好，容易自上而下在全結(jié)構(gòu)層范圍類產(chǎn)生累積變形。除此之外，作為承重層的瀝青結(jié)合料基層會(huì)承受路面使用期內(nèi)主要的彎拉作用，層底的容易產(chǎn)生疲勞裂縫。因此，這類柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是控制瀝青混合料層層底沿行車方向水平拉應(yīng)變，避免產(chǎn)生自下而上的疲勞開裂?？刂茷r青層的永久變形和路基頂面的豎向壓應(yīng)變。

2.3 粒料類基層瀝青路面

半剛性基層和瀝青穩(wěn)定層都能適應(yīng)各等級(jí)交通狀況，而貧水泥混凝土剛性基層適合用于特重交通及以上情況，粒料類柔性基層適用于中等或輕交通等級(jí)道路。由于剛性路面結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)，模量遠(yuǎn)高于半剛性基層和柔性基層，并且抵抗層底彎拉拉應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)明顯，但由于上下層模量差異太大，層間結(jié)合往往成為薄弱點(diǎn)，容易在水平荷載作用下產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，破壞層間連續(xù)狀況，因此需要控制瀝青層的永久變形和層間抗剪切強(qiáng)度。粒料類瀝青路面由于綜合模量太小，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是控制永久變形，避免出現(xiàn)過量的車轍和路表不平整。

3 瀝青路面的其他破壞

在環(huán)境因素以及環(huán)境和荷載綜合作用下，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)各種形態(tài)類型的功能主導(dǎo)型損壞，主要包括溫縮裂縫、表面層磨損變形、表面抗滑能力下降和水損害等幾大類[3]。瀝青面層的低溫縮裂會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度變化程度出現(xiàn)不同間距的橫向開裂，裂縫橫貫行車道或部分車道寬。當(dāng)氣溫較高，瀝青混合料勁度模量降低，路面主要會(huì)出現(xiàn)變形類損壞，表現(xiàn)為車轍、縱向推移、局部沉陷等，當(dāng)面層混合料空隙率設(shè)計(jì)不合理，還會(huì)出現(xiàn)泛油等病害，影響表面抗滑性能。水損害是多雨地區(qū)瀝青路面主要的破壞類型，受車輛動(dòng)水壓力和其他病害的綜合作用明顯，表現(xiàn)為瀝青與集料剝落，基層頂面受到?jīng)_刷等，水損害往往伴隨裂縫類損壞而出現(xiàn)，并大大加劇了裂縫的發(fā)展和破壞。

4 結(jié)語

路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)道路技術(shù)等級(jí)、交通等級(jí)與氣候水文等自然因素，結(jié)合路面材料的力學(xué)特性合理選擇與安排路面結(jié)構(gòu)的各個(gè)層次，確保在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)能夠承受行車荷載與自然因素的共同作用，使得各結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度、模量、變形與力學(xué)響應(yīng)相匹配，控制不同種類的破壞類型，最終達(dá)到整個(gè)路面結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的要求。路面建設(shè)過程中還應(yīng)積極利用當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)性材料，在保證路用性能的前提下降低路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。研究為路面設(shè)計(jì)中深入理解各結(jié)構(gòu)層材料的受力特性和層位特點(diǎn)、控制不同結(jié)構(gòu)組合下的破壞類型提供理論依據(jù)。