摘 要: 通過對公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的思考，并結(jié)合國外及廣東省不同結(jié)構(gòu)型式瀝青路面使用狀況的調(diào)查結(jié)果，得到了我國公路瀝青路面設(shè)計指標(biāo)及合理結(jié)構(gòu)型式方面若干結(jié)論，為科學(xué)地進行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的啟發(fā)和指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞: 公路工程 瀝青路面 結(jié)構(gòu)設(shè)計 實踐與分析
路面設(shè)計的目標(biāo)是通過合理的設(shè)計方法使得道路在設(shè)計使用年限內(nèi)能夠提供安全、舒適、快捷的服務(wù)。然而，目前我國高速公路瀝青路面普遍存在著初、早期破壞，且主要破壞型式同上個世紀(jì)90年代以前輕交通狀況下相比已發(fā)生了一定的變化。過去，瀝青路面損壞主要包括龜裂、車轍、低溫開裂等，這也是路面設(shè)計時重點控制的損壞類型。但是，隨著路面結(jié)構(gòu)強度的提高和路面損壞期的提前，這些傳統(tǒng)損壞出現(xiàn)得越來越少，有些已經(jīng)不再出現(xiàn)，而目前出現(xiàn)的損壞，不論是其形態(tài)還是原因都十分不同。所以，按照傳統(tǒng)理論來加強路面結(jié)構(gòu)是沒有效果的，甚至有時還適得其反[1]。
路面在使用實踐中所暴露的大量問題，使得道路工作者們不得不對現(xiàn)有的路面設(shè)計理論、設(shè)計方法及設(shè)計指標(biāo)進行反思。實際上，目前大量出現(xiàn)的路面早期損壞是現(xiàn)行理論和規(guī)范所難以做出更深解釋的。雖說設(shè)計方法基于力學(xué)，但分析的范圍和所考慮的主要受力方式，相對于目前復(fù)雜的荷載狀況而言卻過于簡單[1]。對于不同的路面結(jié)構(gòu)，對其使用性能變化規(guī)律的認識不夠清楚，更缺少定量的研究；因此，我們必須用發(fā)展的眼光對重交通路面的損壞原因、機理重新進行認識，及時掌握新條件下的新變化，通過路面的合理化設(shè)計來控制路面的主要破壞型式，從而真正達到路面設(shè)計的目的。
1 我國瀝青路面設(shè)計指標(biāo)的分析
縱觀我國建國以來的各版公路柔性（瀝青）路面設(shè)計規(guī)范,在設(shè)計方法和指標(biāo)方面的思想是一脈相承的,都以路表彎沉作為主要設(shè)計控制指標(biāo)。但是隨著高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，路表彎沉指標(biāo)也表現(xiàn)出諸多的局限性。
1.1 高速公路瀝青路面主要破壞型式
路面設(shè)計的目標(biāo)就是通過合理的設(shè)計方法使得道路在設(shè)計使用年限內(nèi)能夠提供安全、舒適、快捷的服務(wù)。然而，目前我國高速公路瀝青路面普遍存在著初、早期破壞，且主要破壞型式同上個世紀(jì)90年代以前輕交通狀況下相比已發(fā)生了一定的變化。高等級瀝青路面的主要破壞形式可以歸納為以下幾個方面：①由于路基不均勻沉降導(dǎo)致的路面下陷和開裂；②車轍破壞；③瀝青面層的水損害；④半剛性基層瀝青路面反射裂縫破壞；⑤瀝青路面的結(jié)構(gòu)性破壞。因此，有必要通過路面的合理化設(shè)計來控制路面的主要破壞型式，從而真正達到路面設(shè)計的目的。
1.2 路表彎沉指標(biāo)的適用性
經(jīng)過長時間的研究，維姆（Hveem）于1955年發(fā)表了《路面彎沉和疲勞破壞》一文，這篇被Monismith譽為路面領(lǐng)域內(nèi)最重要的論文闡述了路面彎沉和路面疲勞損壞間的關(guān)系，對后來采用分析方法預(yù)測路面疲勞開裂的研究產(chǎn)生了非常重要的影響。路表彎沉遂成為路面設(shè)計的一個重要指標(biāo)，受到各國研究人員的青睞，甚至得到了不恰當(dāng)?shù)难油?/font>[2]。在我國的瀝青路面規(guī)范中路表彎沉也成為路面設(shè)計的一個關(guān)鍵性控制指標(biāo)。路表彎沉指標(biāo)主要具有以下優(yōu)點：
(1) 彎沉指標(biāo)的突出優(yōu)點是其直觀性和可操作性，它建立在大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計回歸的基礎(chǔ)上，對于交通不太繁重，結(jié)構(gòu)層較薄情況（控制沉陷為主）是較適用的，但對繁重交通，路面結(jié)構(gòu)較厚情況(控制疲勞和開裂為主)下其適用性降低；
(2) 在路面結(jié)構(gòu)單一的中、輕交通時代，該指標(biāo)既可表征路面結(jié)構(gòu)的整體變形，也可用于表征路面結(jié)構(gòu)的整體剛度。
然而，隨著公路建設(shè)規(guī)模的擴大和道路等級的提高，路表彎沉也暴露出了以下主要缺點：
(1) 彎沉指標(biāo)同路面結(jié)構(gòu)主要破壞型式?jīng)]有必然關(guān)系，該指標(biāo)控制的目標(biāo)不明確；
(2) 重載交通時代路面結(jié)構(gòu)繁多，經(jīng)驗性的路表彎沉指標(biāo)無法反映路面結(jié)構(gòu)各層次的破壞特征；
(3) 路表彎沉主要來源于土基的變形，且受氣候環(huán)境條件影響頗大，尤其是路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的干濕狀況，若用該指標(biāo)來對不同路面結(jié)構(gòu)強度的評定顯得缺乏說服力；
(4) 規(guī)范針對特定的破壞類型設(shè)置了相應(yīng)的單項控制指標(biāo)，形成了綜合設(shè)計指標(biāo)和單項設(shè)計指標(biāo)并存的局面，當(dāng)進行結(jié)構(gòu)組合和材料選用的設(shè)計時, 兩者之間將出現(xiàn)兼容性和協(xié)調(diào)性的問題。
綜上所述，路表彎沉指標(biāo)顯然已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)今重載交通時代路面設(shè)計的要求，尋求新的瀝青路面設(shè)計控制指標(biāo)是擺在我國道路工作者面前的一項艱巨任務(wù)。
1.3瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計指標(biāo)的相容性
目前，我國瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計與路面材料設(shè)計基本上是相脫離的。由于種種原因，路面材料的抗壓模量設(shè)計取值往往帶有很大的隨意性，同樣是水泥穩(wěn)定粒料，設(shè)計值卻差別很大，例如同屬廣東省的廣肇、佛開高速公路設(shè)計值很小，只有500Mpa，而廣珠西卻為1600MPa。對于同種材料(6%水泥穩(wěn)定碎石或石屑)在相同施工水平和要求條件下，設(shè)計取值的過大差異，對于保證路面施工質(zhì)量是不易的，同時在設(shè)計上可能也是不經(jīng)濟的或是太冒險。此外，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料組成設(shè)計相容性較差，還表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1) 路面材料強度測試中的受力模式與其在道路應(yīng)用中的實際受力情形相差較遠；
(2) 路面材料性能評價指標(biāo)與其實際路用性能之間的對應(yīng)關(guān)系不明確；
(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計階段采用的材料設(shè)計參數(shù)指標(biāo)與實際施工時路面材料配合比設(shè)計、質(zhì)量檢測指標(biāo)不一致。
2 瀝青路面合理結(jié)構(gòu)型式的分析
當(dāng)前，我國高速公路瀝青路面普遍存在初期建設(shè)費用較低，而車轍、水損害、開裂、泛油等早期破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象。無需贅言，出現(xiàn)上述早期病害的主要原因固然與瀝青混合料均勻性差、材料質(zhì)量良莠不齊、施工質(zhì)量達不到要求、養(yǎng)護不及時等因素有關(guān)，但與路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計本身存在缺陷也不無關(guān)系。我國瀝青路面結(jié)構(gòu)有其自身的特點，這是我國國情所決定的，是公路建設(shè)發(fā)展歷史的必然結(jié)果。
2.1 我國公路瀝青路面結(jié)構(gòu)型式分析
進入20世紀(jì)80年代，由于交通量迅速增長，我國開始修建二級公路、一級公路，瀝青面層逐步向瀝青混凝土發(fā)展，基層和底基層的強度要求也隨之增加，特別是當(dāng)高速公路的出現(xiàn)時，我國的瀝青缺乏和路面承載能力低的問題逐漸突出起來。正是在當(dāng)時這種形勢下，半剛性基層基于其較好的板體性能、較高的承載力及良好的經(jīng)濟性等優(yōu)點，使得半剛性基層瀝青路面成為我國瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要型式，并幾乎成為高速公路瀝青路面的唯一結(jié)構(gòu)型式。無可否認，這種路面結(jié)構(gòu)為我國瀝青路面的發(fā)展做出了巨大的貢獻。但是，近年來許多瀝青路面發(fā)生的嚴(yán)重早期損害，使得人們不得不對此結(jié)構(gòu)提出一些質(zhì)疑，如半剛性基層的收縮開裂會引起瀝青路面的反射裂縫，半剛性基層瀝青路面對重載車來說具有更大的軸載敏感性，以及半剛性基層損壞后沒有愈合的能力且無法進行修補等�；诖耍F(xiàn)在許多單位和學(xué)者開始主張在中國也大量地發(fā)展柔性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)型式。對此，我們絕不能“人云亦云”，而必須用辯證的否定觀來分析問題。首先，我們畢竟還是發(fā)展中國家，經(jīng)濟承受能力雖然已經(jīng)有了很大的增長，但仍然還處于一個不高的水平。從路面結(jié)構(gòu)方面說，半剛性基層造價低的特點仍然是其它路面結(jié)構(gòu)所無法比擬的。長期以來我國遵循“強基薄面”的方針，鋪筑的是瀝青層較薄的半剛性基層瀝青路面，這一點已經(jīng)深入人心，要想一下子得到改變是不現(xiàn)實的，也是不合理的。即使采用了柔性基層瀝青路面也不見得就沒有問題了，所以我們不可能一下子都改成柔性基層瀝青路面，將半剛性基層瀝青路面全盤否定，而要有一個對半剛性基層瀝青路面的再認識和對柔性基層瀝青路面的研究和熟悉的過程[2]。
2.2 國內(nèi)、外瀝青路面結(jié)構(gòu)型式的比較
縱觀國際，20世紀(jì)80年代以后，許多發(fā)達國家的高速公路和重交通公路由以往普遍采用半剛性基層瀝青路面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅渴褂萌嵝曰鶎訛r青路面或全厚式路面。盡管許多國家正在修建或曾經(jīng)修建過半剛性基層瀝青路面，但是我國的半剛性基層瀝青路面同國外卻有著諸多的不同，主要表現(xiàn)在設(shè)計理念的不同：
國外通常將半剛性基層的路用功能定義為改善濕軟路基或?qū)β坊难a強，一般用在路基不好的地方，盡管也起到承重層的作用，但并不是作為主要的承重層來看待。其主要的功能是：一是對路基起到補強的作用；二是進一步改善路基的受力狀態(tài)，有效地擴散集中荷載，極大地減少荷載作用下土基的垂直壓應(yīng)變，有效地減少因路基性質(zhì)不均勻?qū)е鲁霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫的可能性；三是起到調(diào)平的作用[2]。上述功能在廣東省深汕高速公路西段低填方軟基路段就得到了實際應(yīng)用，并實現(xiàn)了良好的路面使用性能，這就從實踐上說明了該設(shè)計理念的正確性。
反觀我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，瀝青面層主要是起一個功能層作用，而半剛性基層才是主要的承重層。基于該理念，瀝青面層厚度的確定基本都是經(jīng)驗性的。設(shè)計的步驟是先經(jīng)驗地確定瀝青層厚度，然后通過計算確定半剛性基層、底基層厚度，且對地基重視程度不足，導(dǎo)致土基強度普遍較低。然而，國外設(shè)計時，主要是先假定半剛性基層的厚度，使基層達到改善路基工作性能以符合有關(guān)規(guī)范的要求，然后通過力學(xué)計算確定需要的瀝青層厚度。也就是說，瀝青層才是真正的承重層，路面的破壞必須保證基層以下的所謂“基礎(chǔ)”不發(fā)生破壞，因此在正確把握瀝青路面使用條件的前提下，一般“基礎(chǔ)”是不會出現(xiàn)破壞的，需要維修的只是瀝青面層，這也是長壽命路面的出發(fā)點。
3 國外及廣東省典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實踐
3.1國外瀝青路面的應(yīng)用情況
華盛頓州I－90州際高速公路是一條成功的例子，該路為厚瀝青層柔性基層路面，瀝青層厚度為16～45cm，西段各試驗段均沒有因結(jié)構(gòu)性損壞產(chǎn)生的重修。I－90州際高速公路總里程480km，已使用了23～35年，其中西段，即厚瀝青層柔性基層路面225km。東段第一次維修的平均時間間隔為12.4年，西段則為18.5年，西段第一次維修時間間隔為6～21年，這么大的變化幅度表明影響路用性能的因素不僅僅是路面厚度及交通量等傳統(tǒng)因素，調(diào)查表明可能最大的因素是采用了不同的路面結(jié)構(gòu)層[3]。
新澤西州交通部對使用26年的I－287州際高速公路的路面破損狀況進行了調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)25cm厚瀝青面層維修很少，路表在行車道產(chǎn)生了疲勞裂縫及縱向開裂，車轍深度達到25mm以上；但進一步的調(diào)研表明這些病害的發(fā)展深度并沒有達到路表深度75mm以下，因此只銑刨表面的75mm瀝青層，重鋪100mm瀝青層，2001年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)任何車轍和開裂病害[3]。
根據(jù)澳大利亞瀝青路面聯(lián)盟（APAA）的報告，在悉尼采用較厚瀝青層路面獲得成功。例如Orbital大道，該路為修建于1969年的重載交通道路，使用了25年無須重修。其路面結(jié)構(gòu)一側(cè)是全厚式路面，另一側(cè)則為粒料基層瀝青路面。澳大利亞瀝青路面聯(lián)盟認為澳大利亞和美國一樣均獲益于在主要道路上采用良好設(shè)計及精心施工的厚瀝青路面。
3.2 廣東省典型路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況
廣東省自1989年秋至2001年冬這12年間共修建近1000km的高速公路瀝青路面，水損害是其主要破壞類型，而卻從未因車轍病害而進行大、中修。這些情況表明，雖然廣東省地處南方炎熱多雨潮濕地區(qū)，但2001年之前，車轍病害并不是廣東省高速公路的主要病害類型。2002年以來，由于連續(xù)幾年的夏季高溫、車輛超載及縱坡較大等原因致使車轍病害成為廣東省高速公路的主要病害之一。
根據(jù)調(diào)查，廣東省使用性能良好高速公路車轍深度、構(gòu)造深度、平整度、基層材料7天抗壓強度、路面破損一覽表分別見表1、2、3、4、5,廣東省典型道路結(jié)構(gòu)及其主要破壞類型見表6[4]。
上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：
(1) 廣東省使用性能良好的高速公路既有組合式結(jié)構(gòu)也有半剛性基層結(jié)構(gòu)；
(2) 使用性能良好的高速公路基層材料7天抗壓強度基本在3MPa～4MPa之間；
(3) 作為典型的半剛性基層瀝青路面的機荷高速反射裂縫極少；
作為另一典型路段，深汕高速公路西段K120+800～K129+960為長9.16km的軟基段，地質(zhì)條件復(fù)雜。原設(shè)計該軟基段均采用袋裝砂井進行排水固結(jié)法預(yù)壓處理。由于設(shè)計變更及廣汕立交施工(廣汕公路修筑臨時便道)的影響，左線K120+918～K120+958段及右線K120+915～K129+935段未能及時進行軟基處理，K128+457農(nóng)產(chǎn)橋，蝦池一、二橋等路段也均未能及時進行軟基處理，這些路段變更后改為水泥粉噴樁處理。為解決橋頭跳車問題，對水閘中橋兩邊橋頭及長沙灣大橋西岸橋頭做了水泥噴樁復(fù)合地基處理。
另外，深汕西K129+450～K129+960段為深汕高速公路西段地質(zhì)條件最差的軟土地基段，該段軟土層厚度超過20m，地基土極軟，而且還包括兩座中橋和長沙灣特大橋西岸橋臺及引道路堤銜接段，對軟基工后沉降要求高。經(jīng)充分論證后，采用加密的袋裝砂井并加兩層土工布再加反壓護道，長沙灣大橋附近三十米范圍內(nèi)采用變間距粉噴樁，并配合現(xiàn)場施工監(jiān)測的綜合方案進行處理。
考慮到該段軟土地基地質(zhì)條件較差的現(xiàn)狀，本軟基段的路面結(jié)構(gòu)組合也進行了必要的變更，具體的變更情況見表7。
變更后的路面結(jié)構(gòu)實際上考慮到了該路段地質(zhì)條件復(fù)雜，軟基處理后可能仍不能滿足該路段的交通使用條件。由于該段絕大部分路基屬于低填方（一般高程在0～0.5m之間），變更后采用了20cm5％水泥穩(wěn)定碎石上基層及20cm3％水泥穩(wěn)定碎石下基層，以期達到以下三個目標(biāo)：(1)擴散行車荷載，進一步減少土基頂面壓應(yīng)變；(2)對軟基進行補強；(3)起到調(diào)平的作用。
該路段運營至今，除極少數(shù)橋頭附近發(fā)生了較大工后沉降外，其它路段均沒有出現(xiàn)較大工后沉降，且出現(xiàn)過大差異沉降的路段僅局限于極少數(shù)橋頭附近，重修相對較簡單。至于極少數(shù)橋頭出現(xiàn)較大工后沉降的主要原因，可能是因為局部軟基因施工期較緊導(dǎo)致路基工程特性未能完全滿足要求或軟基地質(zhì)條件較為復(fù)雜；另外，變更后的路面結(jié)構(gòu)雖考慮到水泥穩(wěn)定碎石對路基的補強及擴散荷載的作用，但未能完全奏效。從該路段處理方法的整體效果來看，變更后的路面結(jié)構(gòu)成功的解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下的路基工后過大沉降的問題，同時也說明半剛性基層材料只要應(yīng)用正確就可以起到減輕低填方軟基路段工后過大沉降的問題。在目前路基施工水平相對較低的現(xiàn)狀下，這種處理方法為廣東省的高速公路建設(shè)起到了很好的典范作用。
4 結(jié)語
通過對我國公路瀝青路面設(shè)計指標(biāo)及合理結(jié)構(gòu)型式的分析，并結(jié)合國外及廣東省不同結(jié)構(gòu)型式瀝青路面使用狀況的調(diào)查結(jié)果，主要有以下結(jié)論：
(1) 隨著公路建設(shè)規(guī)模的擴大和道路等級的提高，路表彎沉指標(biāo)已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)今重載交通時代路面設(shè)計的要求，必須尋求新的瀝青路面設(shè)計控制指標(biāo)。
(2) 我國瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計與路面材料設(shè)計基本上是相脫離的，主要表現(xiàn)在路面材料強度測試中的受力模式與其在道路應(yīng)用中的實際受力情形相差較遠，路面材料性能評價指標(biāo)與其實際路用性能之間的對應(yīng)關(guān)系不明確等方面。
(3) 就廣東省而言，使用性能良好的高速公路瀝青路面既有組合式結(jié)構(gòu)也有半剛性基層結(jié)構(gòu)，而且半剛性基層材料只要應(yīng)用正確還可以起到減輕低填方軟基路段工后過大沉降的問題。所以我們必須辯證地分析問題，一方面努力研究國外的路面結(jié)構(gòu)，同時對現(xiàn)有的半剛性基層瀝青路面進行再認識，努力克服其一些不合理的因素，使其得到改進，更加完善。
參考文獻
1. 孫立軍. 重交瀝青路面損壞研究的誤區(qū)[J]. 中國公路建設(shè)市場，2004(10).
2. 沈金安等. 高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京：人民交通出版社，2004:253-308.
3. 沈金安. 國外瀝青路面設(shè)計方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004:298-313.
4. 葉燕呼等. 廣東省高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)使用情況調(diào)查報告[R]，廣東省交通科研所，2002.
