沥青路面结构层界面效应研究

高颖

（浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231）

0 前言

随着经济的发展，我国公路交通事业在国民经济中的地位、作用和效益，日益为各方面所认识和接受，公路事业的发展已经步入快车道，路网效应的逐步显现也使公路在客运和货运中的优势地位日渐明朗。

沥青路面是采用沥青材料作结合料，粘结矿料修筑面层的路面结构，具有弹性和韧性以及平整度好、噪声低、行车舒适等特点，符合现代交通的要求，因此被广泛应用于各等级公路的新建路面和旧水泥路面的改造，以及钢桥面上的铺装层建设。

1 沥青路面主要破坏分析

近些年，我国沥青路面的结构层设计千篇一律地采用半刚性基层沥青路面。为了使多层次的沥青路面结构设计与计算更符合实际情况,现行设计规范采用多指标控制路面结构设计,同时把路面的结构组合、厚度计算统筹考虑,并采用多层弹性体系理论计算路面结构层厚度,对底基层进行拉应力验算。这个假定必然导致沥青面层底部始终处于受压状态，从而使得路面的弯沉值成为唯一的承载能力设计指标。在这种理论指导下，我国目前在对公路沥青路面的设计和施工中，片面强调了基层的强度，允许为了降低弯沉值而不断提高基层的强度，导致路面结构整体强度很高，但路用性能依然不好的状况。

在国际上，沥青路面的力学模式都采用沥青层的弯拉应变和土基模量作为设计指标。事实上，当沥青层和基层之间的界面条件从理想的连续状态过渡为滑动状态或半连续半滑动状态时，沥青层底部的弯拉应力和应变将可能成为控制性指标，将有可能在荷载作用下早于基层首先发生弯拉开裂，并逐渐向上扩展，成为破坏的根源。在结构计算上根据以前的室内疲劳方程和力学设计程序，无论沥青结构层多厚，结构都会必然产生疲劳开裂、车辙。现行的理论发现，当沥青层超过一定厚度时，良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。当标准轴次超过一定次数后，沥青层厚度无须增加。也就是说，沥青路面的下部将可以无限期地使用下去，表面层的损坏只需通过预防性养护、加铺沥青层得以补救，这种方式具有不封闭交通、大量节约费用、立即通车等特点。

随着经济条件的改善，国内沥青生产技术水平的提高，高速公路路面面层必然会逐渐采用国外的情况，即面层厚度逐渐增厚，以便可以较好地克服路面基层引起的反射裂缝，同时也适应了不断加大的交通流量和轮压的需要。在这种情况下，破坏的起源，更加不会发生在强度相对较大的面层和基层内部，而是发生在两者之间相对薄弱的结合界面上。可见对路面结构层的界面特性研究，也有发展趋势上的需要。

2 影响沥青路面结构层破坏的因素

沥青路面各种早期发生损坏的技术原因是复杂的，短期的损坏大都受施工影响大一些，较长时间的损坏则具有某种共性，这种影响相对来说要更大些。具体来说有以下几点。

2.1 结构层模量及厚度

结构层模量及厚度是沥青路面结构设计中的重要参数，会对沥青路面的使用性能产生很大的影响。其中影响较大的结构层模量主要是面层和基层模量。应尽量降低面层模量，延缓裂缝发展。同时应降低面层、基层的温缩系数，以减小温缩应力。之外，增加基层刚度能减小车辙破坏,但会加速产生裂缝，基层厚度增加虽能减小路表弯沉，但抗车辙能力提高效果不明显。所以应当在路面设计中对这两个因素加以认真考虑。

2.2 气候因素

公路是暴露在大自然下的带状工程结构物，它长期经受日晒、雨雪、酷热、严寒、冻融的作用，因而产生低温缩裂和高温车辙及受水流侵害现象，破坏沥青路面的使用性能。

2.3 路面基层的施工质量

由于赶进度，造成料源紧缺，原材料质量不能保证；半刚性基层没有合理的龄期；基层施工粗糙，影响基层质量，使基层网状开裂破坏，若反射到面层，即面层出现网状开裂，水会从裂缝处下渗到路基中。

3 结构层界面效应分析

3.1 模型的建立

用性质不同的各种材料层铺筑在土基上形成的路面结构在荷载作用下的应力-应变关系并非线弹性，而是随应力大小和荷载作用时间而变化。水泥混凝土路面结构为层状结构，除碾压式混凝土、高强的贫混凝土之外，基层纵向往往不设横缝，横向也一般不设纵缝，两侧视施工工艺，基层比面层均有不同程度的超宽。因此，水泥混凝土路面结构的力学分析模型可视为弹性地基上不等平面尺寸的双层结构。考虑到路基及路面材料层工作应力不大以及行车荷载具有的瞬时性并简化力学分析模式，建立路面设计力学模型时仍视路基、路面处于弹性状态。用弹性力学的原理分析路面各层产生的应力、应变和位移。由于路面各层具有不同的力学特性，因此建立的力学模型为弹性多层体系，即弹性半空间地基上有若干具有一定厚度的弹性材料层体系。实际的路面结构非常复杂，通常将路面结构视为弹性半空间地基上由若干个具有一定厚度材料组成的弹性层状体系。

3.2 现场弯沉测试

路表的弯沉测试对于柔性路面结构和刚性路面传荷性能的评价十分重要。因此，柔性路面的很多特性可以通过测试路面的荷载弯沉响应来判断。相比较解析法而言，利用弯沉的优点在于比较的过程中没有夹杂类似于性能预测这样的需要通过经验转换的东西。

3.3 弹性层状体系分析

计算采用《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014 1997)推荐的双圆均布荷载(见图1)。荷载接地压力分别采用 0.8 MPa、1.2 MPa、1.8 MPa，与之相对应的 3种作用半径分别为 108.8 mm、124.8 mm、158.9 mm。它们分别代表标准轴载、超载40%、超载80%时的情形。计算时采用网格法，计算不同深度时 r／s分别等于 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.2、3.4、3.6、3.8、4.0、4.2处各点的剪应力的大小。

图1 双圆均布荷载图

3.4 路表最大拉应力

将上述路面结构在15℃ 和40℃ 时路表面应力汇总(见表1)。从表1可以看出：（1）路面结构中路表最大拉应力在20℃时都比15℃ 时的大，荷载压力P为0.3 MPa时，相差最大的是路面状态三，从0.091增大至0.313，随着荷载压力的增大，两种温度的路表最大拉应力相差越大。（2）随着荷载的增加，路表最大拉应力基本上呈减小的趋势。路面状态一和路面状态二为半刚性基层路面，路表最大拉应力比属柔性路面的路面状态三和路面状态四大得多，其值相差多在1倍左右，从这个角度看采用柔性基层对减少路表拉应力，延缓或消除路面可能出现的自上而下的裂缝是有利的；对于同属半刚性基层路面的路面状态一和路面状态二来说，沥青层厚度的增加并不能减少路表最大拉应力。

表1 不同路面结构路表拉应力随温度、荷载变化情况

3.5 半柔性路面耐磨性能试验

按照《混凝土抗磨性试验》（T0 527-94）进行耐磨性能试验，试验结果为3.2 kg/m2，满足了对水泥混凝土路面要求的磨耗量小于3.6 kg/m2的要求，表明半柔性复合路面混合料有着良好的耐磨性能，较适应于收费广场路面、长下坡路段等特殊路面。试验表明：（1）沥青混合料灌入水泥胶浆后稳定度得到显著，半柔性沥青混合料灌入水泥胶浆后路面的抗高温变形能力明显增强；（2）半柔性路面的车辙深度很小，动稳定度均在10 000次以上，远远超过规定值，半柔性路面抗车辙性能显著提高；（3）半柔性路面材料具有较高的抗压强度及劈裂抗拉强度，而且随着水泥胶浆灌入量的增加，其强度越高。

4 预防措施

（1）设置级配碎石过渡层，防止反射裂缝，改善排水半刚性基层沥青路面的最大问题是容易出现反射裂缝以及进入沥青路面的水不能及时排出。在沥青下面层设置级配碎石过度层能够弥补这两个最主要的缺点，也就是积极推广柔性及半刚性的组合式基层，将半刚性基层下放，其主要的目的是改善路基的承载能力。

（2）做好地基排水。地基的排水固结过程比较长，因此，对于软土地基，即要根据软基情况采用可行加固整治方案，又要留有较长的沉降时间，特别是对采用打塑料排水板、砂垫层等方法处理时，填土后要埋设沉降观测设备定期观测，等地基的沉降稳定后施工。

（3）路基及路面基层施工预防措施。

路基压实度要符合规范要求，对桥头部分填土，可用整体性好的材料如石灰土、二灰（石灰与粉煤灰）混合料、无砂大孔混凝土填筑。半刚性基层要在足够龄期后才进行沥青面层的施工。

（4）沥青路面施工的预防措施。

a.严格控制沥青混合料拌和质量，加大马歇尔试验频率，严格控制混合料的稳定度、油石比、流值等指标，沥青混合料可灌入适量水泥胶浆，必要时对混合料进行特殊配合比设计。

b.设置沥青混合料成品料仓，控制料位，防止卸料离析。

（5）提高面层的摊铺质量。

在摊铺混合料时运距不能过远，摊铺温度应控制在130℃～160℃为宜，摊铺厚度均匀，保证沥青面层的压实度，压实设备数量应配套，保证碾压遍数，以免混合料孔隙过大；尤其是下面层一般不能补料；基层雨后不得摊铺，更不能冒雨摊铺；纵、横向接缝应紧密平顺，各幅之间重叠的混合料应人工铲走。

5 结语

（1）在沥青路面设计规范中增加对沥青路面功能性指标的要求，提高沥青路面的长期路用性能。

（2）建立沥青路面结构设计模型与破坏模型联系，确定控制路面发生损坏和早期损坏的关键指标作为设计指标；

（3）加强半刚性基层与沥青面层的连接状况，在进行应力验算时，应根据使用条件选择层间界面的接触条件；

（4）开展包括柔性基层沥青路面结构在内多种路面结构形式的研究，把沥青路面结构组合设计作为路面结构设计的重点。

沥青混合料基层用来抵抗交通荷载作用下路面结构的弯曲疲劳。大量研究指出:高沥青含量有助于防止沥青混合料的疲劳裂缝，保证沥青路面疲劳寿命的另一途径是路面结构有足够的厚度,以降低路面底层拉应变水平。

[1]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[2]李福普，沈金安.公路沥青路面施工技术规范实施手册[M].人民交通出版社，2004.

[3]蒋波.沥青混凝土摊铺机摊铺质量问题分析[J].公路与汽运，2005(5)：.43-44.

[4]洪昀，卓建平，单文胜.芜马高速公路沥青混凝土路面设计探讨[J].交通标准化，2009（7）：207-210.