高溫多雨區(qū)半剛性基層長壽命瀝青路面設(shè)計

左貴強，朱曉東，何 選，張興宇，鄔 俊

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引 言

我國道路建設(shè)經(jīng)過二十余年的高速發(fā)展，已建成較為完備的公路體系和城市路網(wǎng)。新的道路建設(shè)需要在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上逐步實現(xiàn)道路的綠色可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的瀝青路面設(shè)計使用壽命一般為10～15 a，通常路面在使用8～10 a 后進(jìn)行中修，15 a后達(dá)到設(shè)計壽命進(jìn)行改建。

長壽命瀝青路面（Long-Life Asphalt Pavement,LLAP）或永久性路面（Perpetual Pavement, PP）的設(shè)計理念由歐美提出，是指路面設(shè)計壽命超過30 a ，在使用年限內(nèi)無結(jié)構(gòu)性的修復(fù)或重建，僅需根據(jù)表面損壞狀況進(jìn)行周期性的修復(fù)[1]。2020 年8 月中國公路學(xué)會設(shè)立“長壽命路面獎”，要求路面使用25 a，道路狀況良好，且罩面間隔應(yīng)不小于10 a。

相較于傳統(tǒng)路面，長壽路面的初期投資較高，但壽命周期內(nèi)養(yǎng)護(hù)成本相對較低，對通行影響較小，從而能夠最大限度地提高道路全壽命周期的經(jīng)濟(jì)社會綜合效益。

長壽命路面設(shè)計的根本理念是實現(xiàn)路面損壞模式的轉(zhuǎn)變，即從“自下而上”的損壞轉(zhuǎn)變?yōu)椤白陨隙隆?。長壽路面的理論基礎(chǔ)是瀝青混合料的疲勞極限[2]。當(dāng)荷載小于某一閾值時，瀝青混合料不會發(fā)生疲勞破壞，這一閾值即為瀝青混合料的疲勞極限。與普通的瀝青路面相比，長壽命瀝青路面的路面總厚度較大，使得瀝青層底的彎拉應(yīng)變小于材料的疲勞極限，從而消除瀝青層底的彎拉疲勞破壞，損壞只發(fā)生在道路表面。通過周期性養(yǎng)護(hù)修復(fù)路表破損路面，從而實現(xiàn)長壽命的設(shè)計理念。

長壽命路面設(shè)計方法主要建立在歐美國家六十余年的公路工程實踐和理論研究的基礎(chǔ)上，以最小路面厚度或柔性路面瀝青層底拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計指標(biāo)[3]。我國研究人員結(jié)合國內(nèi)公路建設(shè)實際情況，在材料疲勞特性[4、5]、路面設(shè)計方法[6-8]等方面開展研究，并在濱大高速、蓬萊高速、滬寧高速等建設(shè)項目中開展工程應(yīng)用，取得良好效果。

目前針對我國城市道路特點的長壽命路面設(shè)計和工程應(yīng)用較少?，F(xiàn)依托重慶地區(qū)某沿江城市道路改建工程，在舊路病害調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)經(jīng)驗，借鑒國外長壽命路面設(shè)計理論，參考公路和城鎮(zhèn)道路相關(guān)設(shè)計規(guī)范，采用路面結(jié)構(gòu)批處理分析技術(shù)和有限單元數(shù)值模擬方法，提出適宜于高溫多雨區(qū)的城市道路長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)。其研究成果對于相同氣候地區(qū)的城市道路建設(shè)具有一定的參考價值。

1 依托工程

依托工程位于重慶市某沿江路段，原道路為半剛性結(jié)構(gòu)瀝青路面，已使用10 a，部分地段破損嚴(yán)重。課題組采用落錘式彎沉儀（FWD）對原路面結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行檢測，結(jié)合現(xiàn)場觀測情況判斷病害主要成因。

測試道路長6 068 m，分左右兩幅分別測試，每100 m 一個測點，部分路段由于施工無法測試，共計測點114 個。圖1 統(tǒng)計了不同彎沉值出現(xiàn)的頻次，例如：右幅彎沉值小于10 的測點有12 個，彎沉值介于10～20 的測點有7 個。圖中曲線是小于某一彎沉值的累積占比。由曲線可知，左右幅路90%路段彎沉值小于50，表明原有道路多數(shù)路段承載力良好，表明道路整體結(jié)構(gòu)良好。

圖1 彎沉測試統(tǒng)計柱狀圖

通過觀察對比彎沉嚴(yán)重路段的現(xiàn)場照片（見圖2）可知，這些路段的路面狀況破損嚴(yán)重，呈現(xiàn)網(wǎng)狀龜裂，結(jié)合地形判斷屬于排水不暢導(dǎo)致的路基承載力不足引起的結(jié)構(gòu)型破壞。

圖2 舊路FWD 測試現(xiàn)場之實景

2 結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計指標(biāo)選取

2.1 長壽命路面結(jié)構(gòu)形式選取

國外長壽命瀝青路面設(shè)計理論只適用于柔性路面結(jié)構(gòu)，而我國采用半剛性路面結(jié)構(gòu)以減少瀝青層厚度。根據(jù)FWD 測試結(jié)果和重慶地區(qū)的工程建設(shè)經(jīng)驗，半剛性基層瀝青路面在該地區(qū)使用效果較好，很少發(fā)生反射裂縫，因此將半剛性基層瀝青路面也作為長壽命路面的初選方案。

研究選擇了典型柔性和半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點，圖3 和圖4 分別展示了典型半剛性和柔性結(jié)構(gòu)道路橫斷面（XZ 截面）沿行車方向（Y 方向）的應(yīng)力分布，表明在瀝青層相對較薄的情況下，半剛性基層能夠消除瀝青層底拉應(yīng)力，提高瀝青層自身的疲勞壽命。結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)經(jīng)驗，建議采用半剛性結(jié)構(gòu)形式。

圖3 典型半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)XZ 截面Y 方向應(yīng)力分布圖

圖4 典型柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)XZ 截面Y 方向應(yīng)力分布圖

2.2 長壽命路面結(jié)構(gòu)形式選取

《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》[9]中瀝青路面的設(shè)計指標(biāo)是彎沉和半剛性基層底部拉應(yīng)力?！豆窞r青路面設(shè)計規(guī)范》[10]根據(jù)路面結(jié)構(gòu)形式不同，最多有5 個設(shè)計指標(biāo)，但不再以彎沉為設(shè)計指標(biāo)；對于半剛性基層瀝青路面，采用無機結(jié)合料層底拉應(yīng)力作為控制指標(biāo)，驗算疲勞壽命。該驗算指標(biāo)并不能控制半剛性基層由于環(huán)境因素導(dǎo)致的裂縫。因此，對于無機結(jié)合料溫縮干縮開裂目前尚無較好的評價方法。然而，通過重慶地區(qū)路面結(jié)構(gòu)和病害調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的半剛性基層反射裂縫病害非常少，主要原因可能是由于高溫多雨的氣候環(huán)境不具備誘發(fā)半剛性材料干縮、溫縮開裂的條件。

因此，鑒于該地區(qū)的情況，將半剛性基層瀝青路面也納入長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)體系中，取設(shè)計壽命30a，按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》驗算半剛性基層疲勞壽命，同時建議無機結(jié)合料層的水泥參量不超過3.5%。

3 結(jié)構(gòu)壽命驗算

目前路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法首先提出假定路面結(jié)構(gòu)，然后驗算各項技術(shù)指標(biāo)。由于城市道路荷載情況變化較多，且各因素之間相互影響，為準(zhǔn)確分析各種因素之間相互影響，該項目通過二次開發(fā)的路面分析工具，批量分析路面結(jié)構(gòu)組合，初擬路面結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)和主要考慮因素見表1 所列，總計路面結(jié)構(gòu)組合個數(shù)24 000 個。

表1 初擬半剛性透水長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合一覽表

半剛性基層的疲勞壽命是決定該類型長壽命路面設(shè)計的主要指標(biāo)，由于設(shè)計中采用了不同的模量值，依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2017）提供的強度與模量對應(yīng)關(guān)系（見表2）和疲勞方程，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析計算得到的半剛性基層底部最大拉應(yīng)力可以計算各擬定路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

表2 不同模量半剛性材料彎拉強度取值一覽表

采用30 a 設(shè)計年限，道路的累計標(biāo)準(zhǔn)軸載為2億次?？紤]到城市道路交通荷載相對較輕，該取值趨向保守，因此取2 億次為該項目長壽命路面結(jié)構(gòu)壽命的閾值。圖5 統(tǒng)計了擬定的半剛性基層瀝青路面的路面結(jié)構(gòu)壽命，約3 000 組結(jié)構(gòu)組合壽命大于該閾值。

圖5 擬定結(jié)構(gòu)組合預(yù)估壽命統(tǒng)計柱狀圖

實踐經(jīng)驗表明，半剛性瀝青路面的反射裂縫問題并不能通過已有的理論準(zhǔn)確分析。半剛性材料的開裂性隨水泥劑量增加而顯著增加，但在結(jié)構(gòu)分析中，該趨勢無法定量分析，并且在設(shè)計中，通過提高模量取值和彎拉強度可以顯著提高計算得出的疲勞壽命，這與材料的抗裂性能是相違背的。因此，為保證半剛性基層瀝青路面的長期性能，該項研究建議水泥劑量不超過3.5%。該水泥劑量低于重慶地區(qū)廣泛采用的4.5%水泥劑量。如前所述，重慶地區(qū)道路的半剛性基層反射裂縫病害較少，采用3.5%水泥劑量的半剛性基層結(jié)構(gòu)應(yīng)具有更好的長期抗裂性能。

因此，在結(jié)構(gòu)分析中以2 億次疲勞壽命為基本要求，選取滿足要求且半剛性結(jié)構(gòu)層模量最低（6 000 MPa）的結(jié)構(gòu)組合形式為推薦結(jié)構(gòu)。推薦結(jié)構(gòu)見表3 所列，上面層采用了排水瀝青混合料，中面層采用了高模量瀝青混合料。在該結(jié)構(gòu)形式下，瀝青層的多種模量取值（對應(yīng)不同城市車輛荷載條件）均滿足2 億次疲勞壽命。

表3 推薦路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)表

3.2 有限元結(jié)構(gòu)分析驗證

研究采用有限單元法（FEM）分析了最終推薦路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征，為保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性，計算寬度取值8 m，路基深度取值14 m。在輪胎與路面接觸區(qū)域網(wǎng)格劃分得較細(xì)，單元尺寸約為0.01 m；單元尺寸隨著深度和與雙輪中心距離的增加逐漸增大（見圖6），主要采用6 面體單元，過渡區(qū)域采用4 面體單元，由于計算結(jié)構(gòu)的對稱性，計算取1/4 結(jié)構(gòu)。建立的FEM 模型在保證精度的前提下，盡可能地減少計算量。

圖6 有限單元模型網(wǎng)格劃分之圖示

圖7 展示了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大主應(yīng)力分布，在中面層底部最大主應(yīng)力相對較大，但由于采用了高模量瀝青混合料，最大主應(yīng)變的數(shù)值范圍在60～20 mm微應(yīng)變，小于通常采用的瀝青混合料疲勞極限。半剛性基層底部的也產(chǎn)生了較大的最大主應(yīng)力。

圖7 路面結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖

通過進(jìn)一步提取FEM 計算結(jié)果并繪制半剛性基層底部最大主應(yīng)力隨距離雙輪中心距離（沿道路橫向）的變化關(guān)系（見圖8），最大主應(yīng)力為0.173 MPa，通過計算得到對應(yīng)的疲勞壽命為2.06 億次，滿足設(shè)計要求。

圖8 半剛性基層底部最大主應(yīng)力分布曲線圖

4 路表功能驗算

車轍是瀝青路面的主要病害之一。依據(jù)長壽命瀝青路面的設(shè)計理念，在長壽命路面服役期內(nèi)（該項目30 a）路面結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞，但服役一定時期（10～15 a）后上面層仍需銑刨重新鋪筑。因此，在該項目中，車轍病害相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的驗算年限與現(xiàn)行規(guī)范一致，取15 a，累計軸載5 000 萬次。

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）和《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169—2011）對車轍病害的相關(guān)驗算提出不同設(shè)計指標(biāo)：《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中采用瀝青混合料層永久變形量，而《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》中采用瀝青層最大剪應(yīng)力。為保證所設(shè)計的長壽命路面在常規(guī)服務(wù)期提供優(yōu)異的路用性能，該項研究分別根據(jù)兩種設(shè)計指標(biāo)驗算路面抗車轍能力。

4.1 瀝青混合料層永久變形量驗算

首先根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017），采用瀝青混合料層永久變形量為設(shè)計指標(biāo)，控制車轍病害的發(fā)生。規(guī)范中規(guī)定對無機結(jié)合料穩(wěn)定類基層的高速和一級公路，設(shè)計年限內(nèi)的累計永久變形量為15 mm。

在驗算過程中，首先根據(jù)項目情況和假定的路面結(jié)構(gòu)收集驗算基本參數(shù)（見表4），其中ha為瀝青層總厚度，當(dāng)厚度超過200 mm 上限時，取值200 mm。

表4 永久變形量驗算基本參數(shù)表

根據(jù)規(guī)范要求將設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)的各瀝青層進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果見表5 所列。采用彈性層狀體系計算軟件，計算各層中部的最大壓應(yīng)力Pi，之后根據(jù)式（2）計算每一層的永久變形量，之后根據(jù)式（1）進(jìn)行累加。最終路面設(shè)計年限（上面層15 a）內(nèi)的累計永久變形量為14.91 mm，滿足規(guī)范要求。

表5 永久變形量計算表

式中：Ra為瀝青混合料層永久變形量，mm；Rai為第i分層永久變形量，mm；Tpef為瀝青混合料層永久變形等效溫度，℃；Ne3為設(shè)計使用年限內(nèi)或通車至首次針對車轍維修的期限內(nèi)，設(shè)計車道上當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)；hi為第i 分層厚度，mm；h0為車轍試驗試件的厚度，mm；R0i為第i 分層瀝青混合料在試驗溫度為60℃，壓強為0.7 MPa，加載次數(shù)為2 520 次時，車轍試驗永久變形量，mm；kRi為綜合修正系數(shù)。

4.2 最大剪應(yīng)力驗算

《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》中采用瀝青層最大剪應(yīng)力控制車轍病害發(fā)生，最大剪應(yīng)力需小于最大允許剪應(yīng)力。最大允許剪應(yīng)力根據(jù)式（3）計算：

式中：τs為瀝青混合料結(jié)構(gòu)層60℃抗剪強度，MPa；Kr為抗剪強度結(jié)構(gòu)系數(shù)（快速路、主干道計算結(jié)果為1.2）。

由于《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》中并未給出排水瀝青混合料60℃抗剪強度推薦值，設(shè)計階段也無法實測材料的抗剪強度，故，該項研究根據(jù)設(shè)計材料要求和已有研究成果預(yù)測強度推薦值。

《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》中要求排水瀝青混合料動穩(wěn)定度最小值為5 000。栗威[11]和陳杰[12]分別通過實驗數(shù)據(jù)建立的抗剪強度和車轍動穩(wěn)定度的經(jīng)驗關(guān)系（見表6），由此計算得到的抗剪強度值。兩個經(jīng)驗公式的預(yù)估結(jié)果相差較小，研究選取兩者中值1.1 MPa 為瀝青混合料60℃抗剪強度，相應(yīng)的最大允許剪應(yīng)力τs為0.912 MPa。

表6 抗剪強度預(yù)測表

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》瀝青面層剪應(yīng)力最大值計算點位置如圖9 所示，分別為：D 點，荷載外邊緣路表距單圓荷載中心點0.9 倍當(dāng)量圓半徑；E點，當(dāng)量圓外徑處，深度距離路表0.1 h1，距單圓荷載中心點，取兩處的較大值作為面層剪應(yīng)力。

圖9 《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》路面計算模型簡圖

通過計算得到，D 點剪應(yīng)力0.351 MPa，E 點剪應(yīng)力0.417 MPa，兩者均遠(yuǎn)小于最大允許剪應(yīng)力τs（0.912 MPa），研究提出的長壽命排水瀝青路面具有較好的抵御車轍變形的能力，符合設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

本文依托重慶地區(qū)某沿江城市道路改建工程，借鑒國外長壽命路面設(shè)計理論，參考公路和城鎮(zhèn)道路相關(guān)設(shè)計規(guī)范，采用路面結(jié)構(gòu)批處理分析技術(shù)和有限單元數(shù)值模擬方法，開展了高溫多雨區(qū)半剛性基層長壽命瀝青路面設(shè)計研究，得出以下結(jié)論：

（1）FWD 對原路面結(jié)構(gòu)強度檢測結(jié)果和重慶地區(qū)道路工程實踐經(jīng)驗表明：高溫多雨區(qū)的半剛性基層不易發(fā)生反射裂縫，可以采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式設(shè)計長壽命路面，建議水泥劑量為3.5%。

（2）該項研究采用路面結(jié)構(gòu)批處理分析技術(shù)，計算并分析了24 000 種路面組合形式。該方法能夠顯著提高路面結(jié)構(gòu)設(shè)計涵蓋的參數(shù)范圍，提高分析速度和結(jié)果的可靠性。

（3）研究采用30 a 為路面結(jié)構(gòu)指標(biāo)設(shè)計年限，15 a為表面功能指標(biāo)（車轍）設(shè)計年限，提出的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)滿足2 億次累計標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)；抗車轍性能同時滿足《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》和《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》的要求，對同類地區(qū)城市道路建設(shè)具有一定的參考和借鑒意義。