公路路面設(shè)計

張偉

摘 要：路面結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境與經(jīng)濟因素一體化并以性能為中心的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)性使用性能和功能性使用性能的統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：路面； 性能； 結(jié)構(gòu)設(shè)計

Abstract： The integration of the pavement structure， materials， environmental and economic factors on the basis of performance-centric pavement structural performance and functional performance of the unified.

Key words： road； performance； structural design

1.前言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國公路建設(shè)事業(yè)也取得了長足的進步，特別是近十幾年來，我國的高等級公路建設(shè)有了突飛猛進的發(fā)展，其中90%左右的路面鋪筑采用的是瀝青混凝土。平交道路口路面有其的特殊的工作環(huán)境和使用性能要求，然而相對一般路段來講，對平交道口路面結(jié)構(gòu)和材料研究比較薄弱，當(dāng)前平交道路口路面結(jié)構(gòu)和材料直接套用路面設(shè)計，忽略平交道口路面獨特的工作環(huán)境與使用性能要求，平交道口路面的損壞具有各種類型和各種形態(tài)。一般而言，平交道口的路面損壞包括車轍、開裂（疲勞開裂、低溫開裂和反射裂縫）、瀝青表面脫落以及目前出現(xiàn)的一些新的損壞類型，過多的路面損壞意味著路面壽命的終結(jié)；限制、延遲這些損壞的發(fā)生和發(fā)展是路面設(shè)計的主要任務(wù)。

目前，瀝青路面的設(shè)計方法有許多種，但是不管哪種方法，都存在著一個問題，那就是路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計不協(xié)調(diào)。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的在于估算實際使用時的路面應(yīng)力、應(yīng)變、彎沉；瀝青混合料組成設(shè)計的目的是為了得到各方面性能都比較優(yōu)良的混合料以滿足需要。盡管有些混合料當(dāng)生產(chǎn)的環(huán)境不同時其性能會有很大差異，但是不管怎樣，瀝青混凝土混合料設(shè)計和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，總是分別進行的，二者還沒有結(jié)合成一個整體。另外，在進行瀝青路面的設(shè)計時，未能考慮材料的性能對疲勞和長期變形抵抗能力的影響，對不同瀝青材料采用的疲勞或永久變形方程是相同的。雖然國際上對材料疲勞和變形性能的研究一直是一個十分重要的研究領(lǐng)域，也取得了許多研究成果，但由于設(shè)計框架的限制而一直未能納入設(shè)計方法中，材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計一直處于相分離的“雙軌”狀態(tài)，這是一個很大的缺陷。結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中僅考慮了材料特性對力學(xué)參數(shù)的影響，未考慮不同材料對路面使用性能的影響。但是實際上，正如Monismith等人論述的那樣，某些特殊瀝青混合料的使用性能與實際結(jié)構(gòu)狀況有很大關(guān)系，混合料的應(yīng)力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)層所處位置有關(guān)，并受其上、下面層材料的強度及交通軸載的特點影響，因此，混合料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)相互聯(lián)系。完整的路面設(shè)計應(yīng)是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計的統(tǒng)一體：材料設(shè)計的結(jié)果應(yīng)能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)組合所能達到的性能水平，而結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)能考慮到材料組成的基本要求。二者應(yīng)能充分體現(xiàn)對使用性能的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要反映結(jié)構(gòu)性能（結(jié)構(gòu)損壞和結(jié)構(gòu)承載力），而材料設(shè)計則主要體現(xiàn)功能性能（耐久、平整、抗滑、美觀等）；結(jié)構(gòu)設(shè)計是材料設(shè)計的基礎(chǔ)和前提，而材料設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的保障和體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計的和諧統(tǒng)一，就能達到使用性能的最佳效果。

瀝青路面材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，目的在于改善瀝青路面的結(jié)構(gòu)性使用性能以及功能性使用性能，使設(shè)計出的路面結(jié)構(gòu)和材料相對于使用性能而言是相容的、統(tǒng)一的，最終在兩方面都達到優(yōu)化。

兼顧瀝青混凝土路面的功能性與結(jié)構(gòu)性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與材料一體化設(shè)計，可使瀝青混凝土路面在建設(shè)造價基本不變的前提下，使用壽命明顯提高，并可保證良好的功能性使用性能，其經(jīng)濟效益和社會效益是十分顯著的。

2.國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，瀝青路面損壞現(xiàn)象嚴重。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，高速公路、一級公路的設(shè)計使用年限為15年，二級公路的設(shè)計使用年限為12年。但是實際上，許多瀝青路面在使用1、2年后便出現(xiàn)大規(guī)模的破壞。從現(xiàn)有瀝青路面結(jié)構(gòu)早期損壞情況看，不可否認，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在一定的不合理性。盡管瀝青路面破壞的現(xiàn)象和特征不盡相同，但對于水損壞、車轍、開裂等與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)的早期損壞是普遍存在的。要解決瀝青路面結(jié)構(gòu)性損壞，提高路面長期使用性能和使用壽命，就應(yīng)該從使路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計相互統(tǒng)一，優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，合理利用路面材料性能等方面著手。通過以路面壽命周期內(nèi)費用最低為目標(biāo)，路面使用性能為約束條件進行優(yōu)化，最終確定合理的路面結(jié)構(gòu)方案。

國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土下面層在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要求具有良好的抗疲勞和抗車轍性能，但傳統(tǒng)的粗粒式混凝土下面層的抗疲勞性能較差，有待于進一步改進。瀝青混凝土上面層在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要求具有良好的抗低溫縮裂、抗高溫車轍、抗水損害和抗老化性能，同時應(yīng)滿足平整度、構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滾動噪音等功能性方面的要求。我國以往經(jīng)常采用抗滑表層作為上面層，但其耐久性較差，容易出現(xiàn)早期損壞。國際上認為多孔隙排水瀝青混凝土（OGFC）與瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）是兩種最有發(fā)展前景的瀝青混凝土上面層。在美國和日本發(fā)展的多孔隙排水瀝青混凝土（OGFC）在耐久性和空隙堵塞兩個方面仍存在缺點，目前正在研究改性瀝青和清洗技術(shù)以克服其缺點。德國提出的瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）雖采用骨架密實型級配，但這種混合料的設(shè)計方法是否真正適用于我國的地域條件，尚有待于大量驗證。

國外的May.R.W.W（美地瀝青協(xié)會，肯塔基州）和Witczak（馬里蘭大學(xué)土木工程系）曾經(jīng)作過柔性路面材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化的研究，但資料不祥，并不適合中國的情況。美國SHRP計劃提出的SUPERPAVE優(yōu)質(zhì)路面設(shè)計方法，雖然考慮了瀝青路面的路用性能進行材料設(shè)計，并且試圖將結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計結(jié)合起來，但SUPERPAVE混合料的車轍模型和疲勞開裂模型仍需改進和修訂，因此其材料設(shè)計方法仍不十分完善，目前在美國也僅有20多個州正在試用，在我國對此研究的應(yīng)用剛起步。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計理念

路面早期損壞的原因是多方面的，有材料原因，有施工原因，也有管理方面的原因。一般認為施工引起的原因（如路面厚度不夠，壓實度不夠等）是主要的，因為總可以找到一些施工方面的原因。為什么我們從材料、施工和管理各方面都十分認真，嚴格按規(guī)范要求去做，路面還會發(fā)生損壞？美國在二十世紀80年代按規(guī)范修筑的路面也發(fā)生了許多早期損壞，如車轍、剝落等等，這就是美國為什么會開展美國公路戰(zhàn)略研究計劃的原因他就是說要從傳統(tǒng)的經(jīng)驗規(guī)范向性能規(guī)范發(fā)展。我們應(yīng)認真學(xué)習(xí)美國的經(jīng)驗教訓(xùn)，少走彎路。

對瀝青路面從結(jié)構(gòu)性使用性能和功能性使用性能兩方面進行分析。對于結(jié)構(gòu)性使用性能，主要從疲勞、高溫車轍、低溫開裂三方面考慮，分析了影響瀝青混合料的高低溫性和疲勞特性的因素。對于功能性使用性能，分析了影響路面平整度以及抗滑性能的因素。瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型應(yīng)相匹配，還常路面結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)是集料最大公稱尺寸的3倍以上。

對面層、基層厚度以及上、下面層的分層厚度從路面受力狀態(tài)以及所選材料類型兩方面進行分析。對于面層厚度主要考慮面層、基層之間的層間剪應(yīng)力和經(jīng)濟性問題；而在面層結(jié)構(gòu)分層時，要從層間剪應(yīng)力和面層厚度與所選用面層材料的最大工程粒徑的匹配性兩方面考慮；對于基層厚度來說，從力學(xué)角度分析不小于15cm。

按照各結(jié)構(gòu)層的層位要求合理選用瀝青混合料，對于上面層抗滑密水的需要，瀝青混合料設(shè)計采用緊排骨架-密實原則的組成結(jié)構(gòu)；對于下面層易出現(xiàn)車轍變形的特點，適當(dāng)增加粗集料用量，使其既滿足密水又滿足抗車轍的要求。

在進行基層混合料設(shè)計時，充分發(fā)揮粗集料的嵌擠作用，在形成一種理想的骨架以抵抗收縮裂縫的同時，填充骨架空隙的結(jié)合料所形成的適當(dāng)粘結(jié)力與骨架的嵌擠力，共同形成高強度的力學(xué)性質(zhì)。

世界瀝青路面技術(shù)日新月異，新材料、新結(jié)構(gòu)、新概念、不斷涌現(xiàn)，特別是美國公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP）的研究成果-Sperpave技術(shù)更應(yīng)引起我們的重視，并認真總結(jié)我們的經(jīng)驗教訓(xùn)，將我國瀝青路面質(zhì)量提高到一個新水平。

參考文獻

[1] 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范.（JTGF40-2004）.人民交通出版社，2005

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【文章編號】1627-6868（2017）05-0072-02