長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

韓永林,曹磊

摘 要：通過分析材料剛度參數(shù)（回彈模量）的問題、強(qiáng)度理論與失效準(zhǔn)則的問題、疲勞強(qiáng)度與疲勞破壞準(zhǔn)則的問題，闡述了長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)，分析表明：為了計(jì)算結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)，需要首先選定力學(xué)理論與計(jì)算模型，確定荷載標(biāo)準(zhǔn)（荷載模型）以及與計(jì)算模型對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)，據(jù)此揭示結(jié)構(gòu)在全壽命周期中的力學(xué)響應(yīng) 及其演化規(guī)律。要確定結(jié)構(gòu)的抗力，則需預(yù)先掌握設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)計(jì)年限）、材料的強(qiáng)度參數(shù)、疲勞損傷的演化規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則（強(qiáng)度理論），并掌握材料失效與結(jié)構(gòu)失效的關(guān)聯(lián)性與差異性。根據(jù)山西省的實(shí)際交通提出一種長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，以達(dá)到省內(nèi)路面不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，損壞只發(fā)生在表面，使路面到達(dá)損壞的時(shí)間延長，將極大的緩解道路維修所帶來的巨大交通壓力，這將是對(duì)我國長壽命瀝青路面事業(yè)的一次大幅度的提升。

關(guān)鍵詞：長壽命;瀝青;路面結(jié)構(gòu)

0 引言

目前，世界各國大多采用力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力，其中，響應(yīng)和抗力是廣義的，可以是應(yīng)力、應(yīng)變、變形，也可以是其他物理量。所謂的力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法是指用力學(xué)的理論與方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)，用經(jīng)驗(yàn)的方法確定結(jié)構(gòu)抗力。

1 研究背景和必要性

1.1 研究目的、意義

長壽命路面按照美國瀝青路面聯(lián)合會(huì)（APA，Asphalt Pavement Alliance）的原 始定義，是指瀝青路面設(shè)計(jì)和建設(shè)后至少30～50年無結(jié)構(gòu)性修復(fù)和重建，僅需針對(duì)面層損壞進(jìn)行周期性修復(fù)。長壽命瀝青混凝土路面是近年提出的發(fā)展趨勢，但具有長期服務(wù)性能的瀝青混凝土路面概念并不是全新的。國外20世紀(jì)60年代以來修建了大量全厚式瀝青混凝土路面和深層高強(qiáng)瀝青混凝土路面。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些自20世紀(jì)60年代修建的瀝青混凝土路面無結(jié)構(gòu)性損壞的原因，在于基本上消除了傳統(tǒng)的面層底部產(chǎn)生的疲勞損壞，路面的損壞只發(fā)生在路面的上部。美國學(xué)者M(jìn)onismith先生提出了極限應(yīng)變的設(shè)想，認(rèn)為瀝青路面厚度超過一定值，荷載產(chǎn)生的應(yīng)變小于材料本身的極限應(yīng)變，材料就不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，因此，研究人員以此為基礎(chǔ)提出長壽命路面的概念。我國“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，提出了堅(jiān)定不移貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享新發(fā)展理念，努力提高公路事業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的貢獻(xiàn)率。為貫徹落實(shí)國家相關(guān)法律法規(guī)和技術(shù)政策，推進(jìn)公路行業(yè)的綠色、節(jié)能發(fā)展，促進(jìn)公路行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，助力落實(shí)交通強(qiáng)國建設(shè)綱要，路面長壽命化將是將來發(fā)展的主要方向。

1.2 長壽命路面特點(diǎn)

目前國內(nèi)長壽命瀝青路面主要有3種結(jié)構(gòu)形式：復(fù)合路面、傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面以及厚瀝青層路面。長壽命路面特點(diǎn)為：

（1）初期修建費(fèi)用高，日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少，總費(fèi)用效益比大。

（2）設(shè)計(jì)年限長，50年以上。

（3）損壞模式上，路面的損壞僅發(fā)生在表面層，不存在結(jié)構(gòu)性破壞。

（4）在養(yǎng)護(hù)維修上，只需要日常養(yǎng)護(hù)，不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性大修。

1.3 長壽命路面的必要性

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，無論是公路還是城市道路，都呈現(xiàn)出蒸蒸日上的景象，特別是我國1978年改革開放40多年的時(shí)間里，隨著國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的重視和投入的加大，道路建設(shè)從無到有，從低等級(jí)到高等級(jí)，截止到2018年我國高速公路通車?yán)锍踢_(dá)14萬公里位居世界第一。截止到2019年，我國36個(gè)城市，城市路網(wǎng)總體平均密度為

5.85 km/km2，南方城市路網(wǎng)密度總體平均值為6. 62 km/km2，

北方的為5.07 km/km2，超過世界上各個(gè)城市的路網(wǎng)密度。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量、荷載不斷增長，給我國瀝青路面都帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。雖然我國道路里程不斷創(chuàng)下新高，但是路面的早期破壞現(xiàn)象也日益突出，道路的使用壽命大大縮短。主要是由于近些年汽車數(shù)量和重型車比例急劇增加，導(dǎo)致道路設(shè)計(jì)中的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)增加，傳統(tǒng)瀝青路面，跟不上交通發(fā)展的需求。同時(shí)道路壽命得不到保證，大維修次數(shù)增多也導(dǎo)致道路擁堵，造成延遲費(fèi)用。獲得較長的道路使用壽命一直是道路研究者所追求的。國外研究人員認(rèn)為，長壽命就是只要維修及時(shí)，瀝青路面是可以長時(shí)間的使用。即保證路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，破壞只發(fā)生在表面層，那么瀝青路面就能獲得較長的使用年限，在這種背景下長壽命道路應(yīng)運(yùn)而生。我國瀝青路面發(fā)生破壞導(dǎo)致道路使用壽命大大減少，使得大量的國家資產(chǎn)受損。因此，延長瀝青路的使用壽命，也是我國道路工作者的初衷。為此，國內(nèi)很多單位針對(duì)提高瀝青路面使用性能、延長使用壽命進(jìn)行大量研究。雖然取得一些成果，但是瀝青路面的使用壽命仍離設(shè)計(jì)壽命相差甚遠(yuǎn)，究其原因主要是我國針對(duì)地區(qū)特定的氣候環(huán)境的大多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行套用，現(xiàn)有的道路結(jié)構(gòu)層的材料性能大多沒有結(jié)合實(shí)際道路情況進(jìn)行研究選取，并且研究不夠，加之我國氣候分區(qū)都是大區(qū)域劃分，每個(gè)地區(qū)都有各自的氣候特點(diǎn)，大區(qū)域氣候劃分下道路參數(shù)的選取不能做到那么的精細(xì)，將其應(yīng)用于大流量交通和氣候各異地區(qū)的路面設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)和施工來說是完全不能容許的，這使得設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用情況脫節(jié)，導(dǎo)致路面頻繁出現(xiàn)破壞。雖然近些年對(duì)路面材料的性能進(jìn)行改善，但瀝青面層的嚴(yán)重水損壞和車轍仍然很常見?；诖耍芯刻囟ǖ貐^(qū)長壽命瀝青路面就顯得尤為重要。

1.4 研究的意義

研究的意義主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）經(jīng)濟(jì)方面。與常規(guī)路面相比較而言，雖然在修筑前期的投入比較大，但是后期在道路養(yǎng)護(hù)與重筑上投入減少?？傮w更加的經(jīng)濟(jì)。（2）可持續(xù)發(fā)展方面。表面以下的結(jié)構(gòu)層可以一直使用無需更換，減少了路用材料更換的次數(shù)，從而減少路用材料資源的浪費(fèi)，使之更環(huán)保和具有可持續(xù)發(fā)展理念。（3）推廣、借鑒意義。進(jìn)一步完善我國長壽命瀝青路面事業(yè)，對(duì)推廣山西省以及其他地區(qū)的長壽命瀝青路面具有指導(dǎo)和借鑒意義。

2 長壽命路面的設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

2.1 材料剛度參數(shù)（回彈模量）的問題

由于路面材料是一種通過壓實(shí)成形的多相、多組分、多尺度的混合料，其抗拉剛度與抗壓剛度具有顯著的差異性，導(dǎo)致拉、壓、彎等力學(xué)試驗(yàn)方法得到的模量值不同，導(dǎo)致路面材料參數(shù)的不唯一性，以及參數(shù)選擇時(shí)人為的任意性和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)論的不確定性。

2.2 強(qiáng)度理論與失效準(zhǔn)則的問題

國內(nèi)外力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法所采用的強(qiáng)度理論主要有最大拉應(yīng)力理論和最大拉應(yīng)變理論，即認(rèn)為當(dāng)荷載在路面材料中所產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力（或最大拉應(yīng)變）達(dá)到材料所能承受的極限拉應(yīng)力（或極限拉應(yīng)變）時(shí)材料就會(huì)破壞，從而誘發(fā)路面結(jié)構(gòu)的破壞。因此，強(qiáng)度理論是建立材料和結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則的依據(jù)。然而，最大拉應(yīng)力和最大拉應(yīng)變失效準(zhǔn)則均只考慮了單向拉應(yīng)力（或拉應(yīng)變）的破壞效應(yīng)，而實(shí)際路面結(jié)構(gòu)卻處于三維應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。試驗(yàn)證明，三維應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力、應(yīng)變張量各分量的變化都會(huì)顯著影響極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變。然而，到目前為止，國內(nèi)外仍廣泛以此作為瀝青路面的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.3 疲勞強(qiáng)度與疲勞破壞準(zhǔn)則的問題

疲勞強(qiáng)度是指在確定的周期性荷載作用下，材料不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞所能承受的最大應(yīng)力水平。目前，國內(nèi)外的疲勞破壞準(zhǔn)則均只考慮了單向應(yīng)力或單向應(yīng)變產(chǎn)生的疲勞破壞效應(yīng)。路面處于三維應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力張量或應(yīng)變張量的各個(gè)分量都會(huì)對(duì)材料的疲勞壽命產(chǎn)生影響，正是這一原因?qū)е吕?、彎、劈不同試?yàn)方法得到的疲勞壽命不同。因此，建立三維應(yīng)力狀態(tài)下材料和結(jié)構(gòu)的疲勞破壞準(zhǔn)則具有顛覆性意義。此外，瀝青混合料的黏彈性效應(yīng)導(dǎo)致其強(qiáng)度與速度相關(guān)，所以用應(yīng)力表示的疲勞方程不能反映極限拉應(yīng)力破壞特征，且不同加載頻率所獲得的疲勞方程不同。同樣地，用應(yīng)變表征的疲勞不能反映極限拉應(yīng)變破壞特征，破壞準(zhǔn)則需采用剛度模量和瀝青飽和度（空隙率）進(jìn)行修正，這些問題均有待研究解決。

2.4 路基剛度參數(shù)（回彈模量）的問題

國內(nèi)外獲取路基回彈模量的方法不外乎兩類：一類是現(xiàn)場試驗(yàn)，經(jīng)典的方法是承載板試驗(yàn)，也有采用彎沉法或CBR（California Bearing Ratio）推算法的做法;另一類則是室內(nèi)試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)是獲得路基結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)最直接的方法，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，試驗(yàn)樣本數(shù)少，且離散性大;室內(nèi)試驗(yàn)方便、快捷，但得到的是標(biāo)準(zhǔn)密度、標(biāo)準(zhǔn)濕度下路基土的剛度參數(shù)，而路基內(nèi)不同深度的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)不同，所以其干密度和含水率均有差異，很難準(zhǔn)確反映路基結(jié)構(gòu)的剛度。此外，工程建設(shè)中，施工單位為確保工程質(zhì)量，大多盡可能地提高路基的壓實(shí)度，導(dǎo)致路基回彈模量遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，變相地降低了路面的質(zhì)量要求。隨著使用年限的延長，在當(dāng)?shù)貧夂虻拈L期作用下，大部分地區(qū)的路基濕度會(huì)逐漸增大，模量逐漸降低，從而降低了路面的承載能力和使用壽命?？梢?，路基的回彈模量應(yīng)按照設(shè)計(jì)值控制，關(guān)鍵是要確保其與氣候環(huán)境的一致性。

3 路面力學(xué)響應(yīng)的理論預(yù)測與工程實(shí)測的差異性

3.1 力學(xué)模型進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析

按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的力學(xué)模型進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算得到的力學(xué)響應(yīng)和實(shí)測結(jié)果一直存在較大的差異。以彎沉為例，理論值與實(shí)測彎沉之比少則1～2倍，多則4～5倍，顯然這已不是誤差的問題，而是力學(xué)模型正確與否的問題，前面所提到的剛度參數(shù)問題、破壞準(zhǔn)則問題、疲勞強(qiáng)度問題、路基剛度問題、設(shè)計(jì)理念問題等都是導(dǎo)致理論與實(shí)測差異性的直接原因。當(dāng)然，一直無法科學(xué)預(yù)測瀝青路面的車轍也是力學(xué)模型與模型參數(shù)方面一個(gè)長久的痛。

3.2 更新等壽命的設(shè)計(jì)理念

長期以來，國內(nèi)外在進(jìn)行路面疲勞壽命設(shè)計(jì)時(shí)，一直采用等壽命的設(shè)計(jì)理念，即無論是面層還是基層均按照相同的壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，實(shí)際工程中，路面的上面層直接承受車輛荷載的作用和復(fù)雜多變的氣候環(huán)境作用，其受力狀態(tài)惡劣，卻具有維修方便的優(yōu)勢;而下面層和基層承受著擴(kuò)散后的荷載作用，氣候環(huán)境作用也已大幅衰減，但維修卻極為不便。另一方面，現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法沒有提出有效控制路基關(guān)于環(huán)境的設(shè)計(jì)思想，導(dǎo)致路基剛度在全壽命周期中衰變顯著，影響了路面的使用壽命。在國內(nèi)現(xiàn)有長壽命瀝青路面服役性能調(diào)查與分析上，研究長壽命瀝青路面材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出適應(yīng)于山西省的長壽命路面典型結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究長壽命路面施工技術(shù)，最后進(jìn)行長壽命路面結(jié)構(gòu)全壽命周期效益分析。

3.3 長壽命路面設(shè)計(jì)新理念

長壽命路面，是指路面設(shè)計(jì)壽命不低于40年，相對(duì)于現(xiàn)有的路面其日常養(yǎng)護(hù)要求總費(fèi)用更低的路面結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)基本理念是：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次、荷載及輪胎壓力及容易維修、施工適應(yīng)性等，獲得40年及以上使用年限;設(shè)計(jì)年限內(nèi)不是不允許發(fā)生破壞，而是確保路面破壞的形式只發(fā)生在表面層，不發(fā)生結(jié)構(gòu)性的損壞，無需進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的大修。長壽命路面結(jié)構(gòu)工作者經(jīng)過研究認(rèn)為，瀝青路面結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞的原因?yàn)椋?/p>

（1）在重復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)層疲勞開裂導(dǎo)致貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)層的裂縫。

（2）在重復(fù)荷載作用下，路基頂面產(chǎn)生不可恢復(fù)的壓應(yīng)變，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生永久性變形。

4 山西應(yīng)用情況

山西地形較為復(fù)雜，是典型的黃土廣泛覆蓋的山地高原，地勢東北高西南低，境內(nèi)有山地、丘陵、高原、盆地、臺(tái)地等多種地貌類型。山西省各地年平均氣溫介于4.2℃～14.2℃之間，總體分布趨勢為由北向南升高，由盆地向高山降低;全省各地年降水量介于358～621毫米之間，季節(jié)分布不均，夏季6～8月降水相對(duì)集中，約占全年降水量的60%，且省內(nèi)降水分布受地形影響較大。山西采取的大區(qū)域氣候劃分，而在氣候各異的特定地區(qū)長壽命路面方面研究的空缺。改革開放40年來，我國的公路交通取得了令世界矚目的巨大成就，不同發(fā)展階段對(duì)應(yīng)的路面設(shè)計(jì)理論與方法均功不可沒。但毫無疑問，亦存在諸多有待進(jìn)一步完善之處。

5 結(jié)束語

我國一般瀝青道路的設(shè)計(jì)壽命為10～15年，能達(dá)到5年不發(fā)生破壞的少之甚少。跟隨長壽命路面的潮流，近年來，我國無論是在理論上的深入研究，還是工程實(shí)踐項(xiàng)目上，都取得了很大的成果。特別是在江蘇、山東、河南、等多地都修鋪了長壽命試驗(yàn)路段，路面的結(jié)構(gòu)形式采用不同的類型，所以，研究基于山西省地方環(huán)境的長壽命瀝青路面材料結(jié)構(gòu)顯的十分重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉.前期策劃管理在公路工程全過程管理中的作用及應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2020（8）：207+209.

[2]安華.公路施工技術(shù)及道路路面施工的質(zhì)量控制措施[J].黑龍江交通科技，2020（7）：55-56.

[3]王金偉.公路設(shè)計(jì)中新技術(shù)及新方法研究[J].黑龍江交通科技，2020（8）：46+48.