长效路面结构的设计探讨

杨乾隆，何晓鸣，黄文娟

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

随着我国经济的持续、稳定、快速发展，我国的道路交通事业发展迅猛、成就巨大。然而我们也清楚地看到，国内有些公路通常达不到甚至远低于设计寿命就出现了损坏，早期破坏现象十分普遍，需要进行大规模的养护维修甚至重建。如何延长公路的使用年限，这已成为目前我国公路建设者最为关心的问题之一。本论文对此展开研究，以期达到大大延长路面的使用寿命，为高速公路路面结构设计提供有益的经验。

1 “刚基优面”设计思想的提出

1.1 长效路面的定义

长效路面是在当今国际上受到普遍重视的一种新的路面设计理念。长效路面又称长寿命路面、永久性路面、耐久性路面等。目前国内外定义还没有统一［1，2］，但是本文认为认为40年是长效路面设计比较适中的一个年限，也就是说，长效路面是指路面设计寿命超过40年的路面结构。应具备以下特点：①设计寿命达到40年以上;②在设计寿命期内，不发生结构性破坏，不需要进行结构性大修，即不需要对主要承重层大修;③路面的损坏只发生在表面功能层，只需要进行日常养护、预防性养护以及周期性的功能层铣刨更换。

1.2 路面基层类型与选择

传统的路面基层分为半刚性基层和柔性基层，而半刚性基层本身存在难以克服的缺陷与不足，这类材料温缩、易开裂，干缩变形大，属于脆性材料，裂缝的产生不可避免。统计分析发现，开裂是半刚性基层沥青路面的最主要破坏型式，占到各种病害的90%以上。柔性基层在我国有级配碎石柔性基层和沥青稳定碎石基层，由于级配碎石层整体强度不足，抵抗变形能力差，在荷载多次重复作用下易产生塑性变形积累，为达到较高的压实度一般采用重型压实标准。然而当其厚度较大时，即使达到较高压实度，在重复荷载作用下也会产生较大的残余变形。

根据以上对半刚性基层、柔性基层优缺点的分析，不得不把目光投向刚性基层。刚性基层主要指以贫混凝土、水泥混凝土和连续配筋混凝土等材料作基层。这类基层强度高，抗冲刷能力强，耐久性好。加铺沥青面层材料后，可以综合刚性路面和柔性路面的优势，大大延长路面的使用寿命。

1.3 路面面层类型与选择

水泥混凝土路面与沥青路面都具有鲜明的优点同时又存在一些难以克服的问题，所以考虑将水泥混凝土路面和沥青路面结合起来，用水泥混凝土路面做刚性基层，用沥青路面做面层，形成复合路面，发挥各自的长处。这种新型的复合路面结构既解决了水泥混凝土路面养护维修困难、行车舒适性差等问题，又节省修建厚层沥青路面所需的大量费用。

为达长寿命目的，要求沥青混合料面层必须具备以下性能：①具有足够的抗剪强度以抵抗剪切破坏;②具有足够的抗拉强度和抗变形能力，足够的抗水损坏能力，即具有比普通沥青路面更为突出的高温、低温和水稳定性;③具有良好的平整度、耐磨、抗滑性能;④具有良好的扩散车轮荷载，减少冲击振动以及降低温度梯度能力。因此，所选用的沥青混合料面层要求具有优良的性能，即“优面”。

2 长效路面结构层设计

按照“刚基优面”的思想，在设计路面结构时，按照标准标准轴载作用下，为综合分析相关影响因素对沥青面层底拉应力和普通水泥混凝土(PCC)板底弯拉应力的影响程度，采用正交分析安排各个因素组合是一种比较好的方法。

正交试验设计是利用正交表来安排和分析多因素试验的一种设计方法。它是在试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。正交试验设计的基本特点是：用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。

2.1 因素参数范围的确定

2.1.1 面层厚度

PCC+AC［3］(普通水泥混凝土+沥青混凝土面层)复合式多功能长效路面的表面功能层直接承受车辆荷载的反复作用，主要为路面提供平整、舒适、抗滑、耐久的服务功能，对于降低水泥混凝土板荷载应力的效果有限，考虑设计基准期为8—10年，可初步确定其厚度为4—8 cm。

2.1.2 基层厚度

对于PCC+AC复合式多功能长效路面，水泥混凝土板是主要的承重结构层，是保证路面满足使用年限的重要措施。现行水泥混凝土路面设计规范规定，对于特重高速公路，变异水平等级为低时，面层最小厚度为26 cm，确定水泥混凝土板厚度为26—30 cm，强度等级为C45，抗折强度≥5.0 MPa。

2.1.3 水泥稳定碎石层厚度

水泥稳定碎石层介于刚性基层和土基之间，起着承受和扩散基层传来的荷载应力的作用，同时改善土基的温度和湿度状况，以保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温状况变化的影响。水泥稳定碎石基层集料级配采用《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)表3.2.2的3号基层级配。底基层水泥稳定碎石集料级配采用《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)表3.2.2的2号底基层级配，压碎值不大于30%。水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥。设计配合比：基层水泥占5%(7天无侧限抗压强度3.5MPa);底基层水泥占3%(7天无侧限抗压强度2.5MPa)。初步确定水泥稳定碎石层厚度为30—40 cm。

2.1.4 地基模量

在应用弹性层状体系理论进行路面计算时，必须确定路基土和路面材料的弹性模量值。土基回弹模量是路面结构设计的重要参数，其取值的大小对路面结构厚度有较大影响，土基回弹模量与土的性质、密实度、含水量、路基所处的干湿状态以及测试方法有密切关系。根据查表法，确定临界高度和拟定土的平均稠度，预测土基回弹模量，可以初步确定土基回弹模量为30—40 MPa。

2.2 长效路面力学指标正交试验设计

2.2.1 考核指标、影响因素和因素水平的确定

本项目选取正交试验的考核指标为PCC+AC复合式长效路面结构的力学设计指标，包括路表弯沉、沥青面层底拉应力和水泥混凝土刚性基层底弯拉应力。力学指标运用BISAR软件进行计算。

影响考核指标的因素从路面结构中的材料性能和各层厚度两个方面来考虑，主要影响因素可归纳为沥青面层厚度、水泥混凝土板厚度、水泥稳定碎石底基层厚度和地基模量4个因素。为了有效比较各个因素对于试验结果的影响，各个因素取3个水平，如表1所示。

表1 正交试验影响因素和因素水平表

2.2.2 正交表的选择

正交试验方案文献［4］的是通过选取适当的正交设计表来构造。正交设计表选取的一般原则是：正交表中的水平数应与每个因素水平数相等，正交表中的因素数应大于或等于实际因素数，任两列的所有水平组合都出现，使任意两因素间的试验组合为全面试验。在符合原则的前提下，应尽可能选用试验次数较小的正交表，以减少计算分析工作量。本项目正交分析为4因素3水平，根据正交表均衡分散和整齐可比的特点，选择L9(34)的试验方案，方案布置见表2所示。

表2 正交试验设计表

2.3 长效路面结构的软件计算结果

BISAR具有比较完善的计算和分析能力，分析的最大层数可达10层，能够模拟从完全连续到完全滑动的各种层间接触条件，能够计算任何一点的应力、应变和位移，包括主应力、主应变及其作用方向。

BISAR程序所提供的荷载输入方式灵活多样，可以是集中荷载，也可以是圆形均布荷载，路面结构的输入参数主要是回弹模量、泊松比和层厚。

运用BISAR软件进行计算，其结构参数见表3所示。

表3 长效路面结构材各层料参数

根据BISAR软件的计算结果，汇总到如表4所示。

2.4 试验指标综合比较分析

单独分析各个指标得到的影响因素主次顺序并不一致，必须综合考虑各个指标来确定合理的长效路面结构。

对于沥青面层厚度因素，其对沥青层底拉应力指标影响大小排第1位，取第3个水平，即8 cm;而其对弯沉和PCC板底弯拉应力指标影响大小分别排在第4位和第3位，为次要因素;但考虑到当沥青层比较薄时(4—12 cm)，沥青面层基本处于受压状态，而且厚度变化对力学指标的影响并不明显，故可考虑适当降低沥青面层的厚度，取6—8 cm。

对于PCC板厚度因素，其对PCC板底弯拉应力指标影响大小排第1位，取第3个水平，即30 cm;其对沥青层底拉应力指标影响大小排在第2位，取第2个水平，即28 cm;而其对弯沉指标影响大小排第3位，为次要因素，因此PCC板厚度可取为28 cm或30 cm，由表4可知，PCC板从28 cm增加到30 cm时，PCC板底弯拉应力减小的并不明显，考虑到节省工程造价，故取PCC板厚度为28 cm。

表4 试验结果表

对于水泥稳定碎石层厚度因素，其对弯沉和PCC板底弯拉影响大小均排第2位，都取第3个水平，即40 cm;而其对沥青面层底拉应力指标影响大小排第4位，为次要因素，故取水泥稳定碎石层厚度为40 cm。

对于地基模量，其对弯沉指标影响大小排第1位，取第3个水平，即40 MPa;而其对沥青层底拉应力和PCC板底弯拉应力影响大小分别排第3位和第4位，为次要因素，故取40 MPa。

3 工程应用实例

武汉(姑嫂树至天河机场高速公路)(以下简称“本项目”)重点服务于武汉市及“武汉城市圈”快速进出机场的交通需求，也兼具出入境通道的功能。

3.1 路面结构设计

根据《公路自然区划标准》(JTJ003-86)划分，本项目位于公路自然区划Ⅳ3区。设计采用沥青混凝土路面，设计标准轴载为BZZ-100，路面设计使用年限15年，按弯沉和弯拉应力双控指标进行控制，填方路段土基当量回弹模量要求E0≥40 MPa。根据交通量预测结果，在路面设计使用年限内，一个车道内累计当量轴次为1.289×107次，主线路面设计弯沉值经计算为0.234 mm。

本项目经过方案比选，最终确定如下方案［5］：

上面层：4 cm沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA-13)

中面层：6 cm厚中粒式沥青混凝土(AC-20C)

下面层：8 cm厚粗粒式沥青混凝土(AC-25C)

封 层：乳化沥青稀浆封层

基 层：40 cm厚水泥稳定碎石

底基层：20 cm厚低剂量水泥稳定碎石

3.2 路段试验方案

根据武汉天河机场第二通道的设计说明书，该工程从起点至黄花涝互通主线的路基宽度为33.5 m，设计标准为100 km/h的双向六车道高速公路，其长度总整个工程全长的2/3，所以试验段选择在该路段上铺筑具有典型意义。本项目所研究的多功能长效路面面层分为两种，在直线段铺筑沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)，而在平曲线段铺筑开级配沥青抗滑磨耗层(OGFC)以提高其防滑性能。根据《规范》要求，试验段的最小长度以1 km为宜，因此在六车道横断面位置各选择1 km的直线和平曲线段做为本项目的试验路段，分别铺筑SMA和OGFC面层，其路面结构设计如表5所示。

表5 试验段路面结构

用于铺筑试验路的材料性能的各项指标均要满足有关规范规定，材料的来源主要由设计说明书提供的地点取用。多功能长效路面的面层、应力吸收层、水泥混凝土板和防水联接层的施工要点均按照第五章提供的方法实施。本项目设计的全寿命周期为40年，在此期间原设计路面结构经过将近3个寿命周期，而长效路面只需要进行预防性养护和定期大中修，两种路面结构经济性比较的具体结论需要长期观测和记录方能得出。

4 结束语

本文提出了“刚基优面”的设计思想，为路面设计提供了新思路。并以之为指导，设计了多功能长效路面结构，充分发挥了刚、柔两种路面的优点，为长寿面路面设计提供了一种新的路面结构型式。并以武汉市天河机场第二通道工程为依托工程，来验证本观点的可行性。但实现长效性的路面结构型式不只有一种，今后在理论研究与实践探索中，还应丰富多种长效路面类型形式。

［1］ 孙志林，黄晓明.永久性沥青路面研究综述［J］.华中科技大学(城市科学版)，2007，24(3)：49-52.

［2］ Asphalt Pavement Alliance. Perpetual Pavements Synthesis［Z］，Asphalt Pavement Alliance Order Number APA 1011/02，2002.

［3］ 杨太钦.PCC-AC复合式路面典型结构研究［D］.南宁：广西大学，2008.

［4］ 袁谱，王端宜.长寿命沥青路面结构参数变化的三维有限元分析［J］.广东公路交通，2006(2)：1-4.

［5］ 湖北省交通规划设计院，武汉市公路勘察设计院.武汉天河机场第二通道初步设计说明［R］.2009.8.