瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　摘要：本文探討瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、材料研究等方面的技術(shù)要點(diǎn)，完善瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的觀念。

　　關(guān)鍵詞：路面結(jié)構(gòu)；路面設(shè)計(jì)；抗車轍性能

　　對(duì)瀝青路面應(yīng)依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合高速公路的實(shí)際情況(路基狀況、氣象資料、沿線情況、交通運(yùn)輸?shù)?以及國(guó)內(nèi)外高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和業(yè)主的要求進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)，并采用設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專用程序(APDS)

　　1我國(guó)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(dòng)小、噪音低、施工期短等優(yōu)點(diǎn)．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(guó)修建的瀝青路面數(shù)量迅速增長(zhǎng)。瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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�的�?yīng)力被擴(kuò)散而不會(huì)造成土基過大的沉降．這點(diǎn)反應(yīng)在設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)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(yàn)算。當(dāng)古典理論公式無法客觀地描述路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)，人們通過大量的野外測(cè)試．修筑試驗(yàn)路對(duì)實(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)法�，F(xiàn)代理論分析設(shè)計(jì)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(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)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(jì)彎沉值為路面整體剛度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)高等級(jí)公路要對(duì)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(yàn)算。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中雖然對(duì)路面等級(jí)、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(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次400萬次作為高速公路、一級(jí)公路與二級(jí)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(jì)年限等同于路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命來考慮瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題是不合適的．道路設(shè)計(jì)年限應(yīng)該大于路面的設(shè)計(jì)使用壽命。在延長(zhǎng)使用年限瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。國(guó)外瀝青路面聯(lián)合會(huì)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(gè)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(duì)較薄的粒料基層。這類路面的主要優(yōu)點(diǎn)是總厚度比有常規(guī)基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)更薄，同時(shí)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(shí)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(jì)、性能測(cè)試和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(xiàng)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(jì)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(jí)交通量的道路。國(guó)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(jì)軸載次數(shù)大于2000(ESAL)/日。國(guó)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(jì)

　　傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以強(qiáng)度為第一設(shè)計(jì)指標(biāo)．而現(xiàn)代高速公路的功能設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但現(xiàn)行路面標(biāo)準(zhǔn)并無切合實(shí)際的車轍深度計(jì)算方法。一般設(shè)計(jì)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(shí)度來加以限制。事實(shí)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(duì)車轍深度有直接的影響。

　　以往國(guó)外采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)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(shí)際上瀝青路面的每一個(gè)結(jié)構(gòu)層都有其特定的作用．因此需要一個(gè)新的方法來評(píng)價(jià)各結(jié)構(gòu)層在路面結(jié)構(gòu)中的作用。實(shí)踐證明，基于力學(xué)的設(shè)計(jì)方法可以承擔(dān)這一角色，這個(gè)方法就是瀝青路面設(shè)計(jì)的力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法。

　　瀝青路面設(shè)計(jì)的力學(xué)方法最早于20世紀(jì)6O年代提出，但真正在國(guó)外用于路面設(shè)計(jì)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。現(xiàn)公路科研院(NCHRC)正在開展研究，并計(jì)劃將力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法用于AASHTO路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南2002.

　　瀝青路面的力學(xué)設(shè)計(jì)非常類似于其他土木工程的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)出避免破壞的路面。永久性路面所采用的設(shè)計(jì)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(jì)

　　永久性路面結(jié)構(gòu)是按功能來設(shè)置每一個(gè)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(jì)以及性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)要有針對(duì)性地進(jìn)行�；旌狭系膭偠刃枰�根據(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(duì)于所有的結(jié)構(gòu)層，混合料的耐久性是一個(gè)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(gè)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(chǎng)壓實(shí)度為最大密度的96％-98％。瀝青等級(jí)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(píng)價(jià)。

　　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(shí)型級(jí)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(jiān)實(shí)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(diǎn)認(rèn)為，應(yīng)采用較大的公稱最大粒徑(38．1mm)；另一種觀點(diǎn)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(jí)應(yīng)該與表面層相同。低溫等級(jí)可能要低一級(jí)，因?yàn)檫@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(jì)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(píng)價(jià)試驗(yàn)。

　　3.3瀝青混合料磨耗層

　　對(duì)磨耗層的材料要求一般取決于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)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(yàn)。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(chǎng)空隙率，馬里蘭州的現(xiàn)場(chǎng)空隙率一般控制在6％以下。對(duì)于中低交通量的道路．一般采用Superpave密級(jí)配混合料比較合適，但需對(duì)混合料進(jìn)行性能試驗(yàn)，而車轍試驗(yàn)也是必須的。對(duì)采用的膠結(jié)料，PG等級(jí)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(gè)等級(jí)。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(duì)瀝青等級(jí)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(yàn)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(shí)、平整�？刂频缆贩�務(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(yàn)。

　　路基的季節(jié)性弱化也是一個(gè)值得重視的問題。為此，要注意排水，通�？梢钥紤]設(shè)置一個(gè)中間粒料層。英國(guó)的經(jīng)驗(yàn)是土基的最小設(shè)計(jì)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(shí)應(yīng)該密切關(guān)注瀝青過量加熱、混合料離析、級(jí)配變化等問題。

　　5永久性路面的性能監(jiān)控

　　為了做到對(duì)永久性路面的適時(shí)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(duì)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(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)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(gè)概念，要針對(duì)磨壞模式區(qū)設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)，這也是瀝青路面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要觀念。為了提高路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力�？梢蕴岣呋鶎拥臑r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(jí)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。