瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘要：本文探討瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、材料研究等方面的技術(shù)要點，完善瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的觀念。
關(guān)鍵詞：路面結(jié)構(gòu)；路面設(shè)計；抗車轍性能
對瀝青路面應(yīng)依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合高速公路的實際情況(路基狀況、氣象資料、沿線情況、交通運(yùn)輸?shù)?以及國內(nèi)外高等級公路路面結(jié)構(gòu)特點和業(yè)主的要求進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料設(shè)計，并采用設(shè)計規(guī)范規(guī)定的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計專用程序(APDS)
1我國高速公路的結(jié)構(gòu)
與混凝土路面相比。瀝青路面具有表面平整、無接縫、行車舒適、耐磨、振動小、噪音低、施工期短等優(yōu)點．因而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，2O世紀(jì)5O年代以來。各國修建的瀝青路面數(shù)量迅速增長。瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計初始，其主要目的就是為保護(hù)路基土不經(jīng)受車輛的直接作用．通過路面?zhèn)鞑ブ镣粱膽?yīng)力被擴(kuò)散而不會造成土基過大的沉降．這點反應(yīng)在設(shè)計思想及設(shè)計方法上．主要是控制土基頂面應(yīng)力及垂直位移量．可以運(yùn)用古典力學(xué)公式進(jìn)行驗算。當(dāng)古典理論公式無法客觀地描述路面結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)時，人們通過大量的野外測試．修筑試驗路對實際車輛行駛效果進(jìn)行系統(tǒng)觀察．形成了以車輛荷載作用下確保路面結(jié)構(gòu)承載力能力為核心的經(jīng)驗設(shè)計法�，F(xiàn)代理論分析設(shè)計法是以D．M．Burmister1943年發(fā)表的彈性雙層體系理論解析解為起始的。我國瀝青路面設(shè)計方法的總系統(tǒng)是以理論分析為基礎(chǔ)。采用雙圓垂直均勻荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論。以設(shè)計彎沉值為路面整體剛度的設(shè)計指標(biāo)，對高等級公路要對瀝青面層和半剛性材料的基層、底基層進(jìn)行層底拉應(yīng)力的驗算。我國現(xiàn)行規(guī)范中雖然對路面等級、瀝青面層厚度等做了規(guī)定，但其規(guī)定的區(qū)間范圍大。如將累計標(biāo)準(zhǔn)軸次400萬次作為高速公路、一級公路與二級公路的分界值；高速公路瀝青層厚度為12cm～18cm等。
將高速公路設(shè)計年限等同于路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命來考慮瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計問題是不合適的．道路設(shè)計年限應(yīng)該大于路面的設(shè)計使用壽命。在延長使用年限瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。國外瀝青路面聯(lián)合會提出的永久性路面概念給人們以新的啟示。永久性路面或永久命瀝青路面并不是一個新的概念，早在2O世紀(jì)6O年代，北美地區(qū)就已經(jīng)開始修建全厚式和加厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)。全厚式路面是一種直接修筑在土基上的瀝青路面結(jié)構(gòu)；加厚式路面是在土基與路面間加入一層相對較薄的粒料基層。這類路面的主要優(yōu)點是總厚度比有常規(guī)基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)更薄，同時可以減少疲勞裂縫的可能性，并使路面可能發(fā)生的破壞限制在路面結(jié)構(gòu)的上部。這樣，當(dāng)路表面的破壞達(dá)到某一臨界水平時只需更換表面層，而不需要改變路面標(biāo)高，這是一種最經(jīng)濟(jì)的路面維修方式。
近年來在材料選擇、混合料設(shè)計、性能測試和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面所做出的努力，可以使道路管理部門通過周期性地更換瀝青面層來獲得瀝青路面結(jié)構(gòu)更長的服務(wù)性能(超過5O年)，這就是所謂永久性路面的概念。這項技術(shù)的核心是按功能合理設(shè)置路面的結(jié)構(gòu)層：要求路面結(jié)構(gòu)的面層具有抗車轍、不透水和抗磨耗的能力；中間層具有良好的耐久性；基層要具有抗疲勞和耐久的能力(見圖1)�！�
圖1永久性路面設(shè)計概念
永久性路面不僅適用于大交通量道路．經(jīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后也可用于中、低等級交通量的道路。國外馬里蘭州將SMA用于加厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)的面層，該路的行車速度可大于90km/h．日累計軸載次數(shù)大于2000(ESAL)/日。國外加利福尼亞州在日交通量為15000～150000輛的道路上都采用過這種路面結(jié)構(gòu)。
2基于力學(xué)方法的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是以強(qiáng)度為第一設(shè)計指標(biāo)．而現(xiàn)代高速公路的功能設(shè)計是以變形為第一控制參數(shù)。表面車轍和路面開裂已成為瀝青路面兩種主要的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。但現(xiàn)行路面標(biāo)準(zhǔn)并無切合實際的車轍深度計算方法。一般設(shè)計規(guī)范均采用間接調(diào)控的手段來達(dá)到控制路面車轍深度的目的。如邱延峻在“柔性路面路基土的永久變形”一文中指出，路基土的永久變形直接控制柔性路面的車轍深度，而路基土的永久變形主要是通過壓實度來加以限制。事實上除了路基土以外。路面各結(jié)構(gòu)層永久變形的大小都對車轍深度有直接的影響。
以往國外采用經(jīng)驗法設(shè)計瀝青路面結(jié)構(gòu)。這種方法無法考慮按功能設(shè)置路面結(jié)構(gòu)層或解釋路面結(jié)構(gòu)層在抗疲勞、車轍和低溫裂縫方面的作用。實際上瀝青路面的每一個結(jié)構(gòu)層都有其特定的作用．因此需要一個新的方法來評價各結(jié)構(gòu)層在路面結(jié)構(gòu)中的作用。實踐證明，基于力學(xué)的設(shè)計方法可以承擔(dān)這一角色，這個方法就是瀝青路面設(shè)計的力學(xué)經(jīng)驗法。
瀝青路面設(shè)計的力學(xué)方法最早于20世紀(jì)6O年代提出，但真正在國外用于路面設(shè)計是在2O世紀(jì)80～90年代，如華盛頓州、肯塔基州和明尼蘇達(dá)州等�，F(xiàn)公路科研院(NCHRC)正在開展研究，并計劃將力學(xué)經(jīng)驗法用于AASHTO路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指南2002.
瀝青路面的力學(xué)設(shè)計非常類似于其他土木工程的設(shè)計過程，如橋梁、樓房、水壩等。它采用力學(xué)原理分析路面與荷載間的相互作用，針對某種路面破壞類型，確定路面結(jié)構(gòu)的臨界狀態(tài)，通過正確選擇材料和層厚，設(shè)計出避免破壞的路面。永久性路面所采用的設(shè)計原則為：面層要有足夠的剛度抵抗車轍，基層要有足夠的厚度和柔度避免出現(xiàn)疲勞破壞。
3永久性路面的材料設(shè)計
永久性路面結(jié)構(gòu)是按功能來設(shè)置每一個結(jié)構(gòu)層，例如面層抗車轍、基層抗疲勞，這就要求材料的選擇、混合料設(shè)計以及性能評價試驗要有針對性地進(jìn)行�；旌狭系膭偠刃枰鶕�(jù)混合料所處的層位和功能要求(車轍或疲勞)來優(yōu)化選擇。然而，對于所有的結(jié)構(gòu)層，混合料的耐久性是一個基本要求。
3.1瀝青混合料基層
瀝青混合料基層被指定用來抵抗交通荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞。大量研究指出：高瀝青含量有利于防止瀝青混合料的疲勞裂縫(見圖2(a))。保證瀝青路面疲勞壽命的另一個途徑是足夠的路面結(jié)構(gòu)厚度，以降低路面底層拉應(yīng)變的水平(見圖2(b))�！ �
圖2瀝青基層抗疲勞能力
基層的瀝青含量應(yīng)考慮現(xiàn)場壓實度為最大密度的96％-98％。瀝青等級應(yīng)具有與上面層相同的高溫特性以及與中間層相同的低溫特性．如果這一層在施工期間開放交通，還應(yīng)做材料的車轍性能評價。
3.2瀝青混合料中間層
中間層或連結(jié)層必須兼顧穩(wěn)定性和耐久性。這一層的穩(wěn)定性可以通過粗集料間骨料的相互接觸(骨架密實型級配)以及高溫穩(wěn)定性好的的膠結(jié)料來獲得。為了獲得較大的內(nèi)摩阻力．形成堅實的骨架．必須采用經(jīng)破碎的集料。關(guān)于集料的最大粒徑，一種觀點認(rèn)為，應(yīng)采用較大的公稱最大粒徑(38．1mm)；另一種觀點認(rèn)為，只要確保集料顆粒間的相互接觸，較小的集料尺寸也能達(dá)到相同的效果。中間層采用的膠結(jié)料高溫等級應(yīng)該與表面層相同。低溫等級可能要低一級，因為這一層的溫度梯度較大，低溫也不如面層嚴(yán)酷(見圖3)。中間層混合料設(shè)計可以按標(biāo)準(zhǔn)Superpave方法確定最佳瀝青用量，并應(yīng)進(jìn)行車轍、水敏感性等性能評價試驗。
3.3瀝青混合料磨耗層
對磨耗層的材料要求一般取決于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗和經(jīng)濟(jì)條件。有些情況下，特別是城市重交通道路．由于車轍、耐久性、透水以及磨耗等方面的要求而選擇SMA。馬里蘭州、喬治亞州和威斯康星州在重交通道路上采用SMA都取得了成功的經(jīng)驗。為了保證這種混合料的耐久性，一定要盡量降低混合料的現(xiàn)場空隙率，馬里蘭州的現(xiàn)場空隙率一般控制在6％以下。對于中低交通量的道路．一般采用Superpave密級配混合料比較合適，但需對混合料進(jìn)行性能試驗，而車轍試驗也是必須的。對采用的膠結(jié)料，PG等級的高溫部分應(yīng)比工程所在地區(qū)常用膠結(jié)料至少高一個等級。低溫部分的采用應(yīng)保證有95％～99％的可靠度�！ �
圖3溫度梯度對瀝青等級的影響
4永久性路面的施工
永久性路面的施工要求更加注意從底層到上層施工的質(zhì)量。在道路施工過程中，應(yīng)使用現(xiàn)代的先進(jìn)試驗方法，以獲得材料和施工質(zhì)量的連續(xù)的信息反饋。路基必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以支撐路面的攤鋪和碾壓操作，因此要求路基必須壓實、平整�？刂频缆贩⻊�(wù)期間由于膨脹土或凍脹引起的路基體積變化是必要的，這方面只有依靠當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗。
路基的季節(jié)性弱化也是一個值得重視的問題。為此，要注意排水，通�？梢钥紤]設(shè)置一個中間粒料層。英國的經(jīng)驗是土基的最小設(shè)計模量值應(yīng)為48MPa。良好的施工才能確保良好的道路使用性能。因此在瀝青層施工時應(yīng)該密切關(guān)注瀝青過量加熱、混合料離析、級配變化等問題。
5永久性路面的性能監(jiān)控
為了做到對永久性路面的適時養(yǎng)護(hù)和維修，并保證各種形式的損壞僅發(fā)生在路面磨耗層內(nèi)．應(yīng)該對永久性路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能監(jiān)控。監(jiān)控的內(nèi)容包括向下擴(kuò)展的疲勞裂縫、溫度裂縫、車轍、表面磨耗等損壞現(xiàn)象。一旦這些損壞達(dá)到預(yù)定的水平．要考慮進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)評價，以及更換路面磨耗層。
6更換路面磨耗層
更換磨耗層的內(nèi)容包括：首先要洗刨掉舊的表面層已損壞的深度，將舊料粉碎后再生并重新攤鋪。如果必要的話(由路面結(jié)構(gòu)評價結(jié)果決定)，應(yīng)調(diào)整新磨耗層的厚度。新磨耗層至少應(yīng)保持與原面層相同的抗車轍、耐久性、抗溫度裂縫和耐磨耗等方面的能力，為此應(yīng)考慮采用任何可用的新技術(shù)。
7結(jié)語
永久性路面告訴我們這樣一個概念，要針對磨壞模式區(qū)設(shè)計路面結(jié)構(gòu)，這也是瀝青路面設(shè)計的一個重要觀念。為了提高路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。可以提高基層的瀝青含量或增加路面結(jié)構(gòu)的總厚度，降低拉應(yīng)變水平。通過選擇適宜的材料和級配類型(骨架型)提高中間層的抗車轍能力和耐久性。磨耗層要求具有抗車轍、不透水、抗溫度裂縫和耐磨等方面的能力，可以采用SMA或Superpave混合料來修筑。
