高速公路沥青路面结构的设计理念

郭志颖

摘要：我国高速公沥青路面建设存在两大问题：使用寿命短、建设和维护以及重建成本高。几乎在道路建设和使用的每一不同阶段，都可以见到开膛破肚式的路面结构维修场面。这里面虽然有施工质量的问题，有结构设计的问题，从根本上讲还有高速公路设计观念的问题。为了从根本上正确认识这一问题，有必要先重新审视一下我国高速公路设计理念。

关键词：高速公路路面结构结构设计

中图分类号：U412.36+6文献标识码：A 文章编号：

高速公路沥青路面设计的重要环节之一为路面结构设计，如果用军事术语来解释的话，路面结构设计在路面设计的整个过程中属于制订战略阶段，而对应于设计过程的其它两个阶段厚度设计和材料设计应该具有战术性质。战略和战术含义上的差别体现出了路面结构设计在沥青路面设计过程中的地位和重要性。

沥青路面结构为分层修筑在地表面的带状构造物。多数道路工程或路面工程教科书将沥青路面结构设计定义为：合理设置路面各结构层的位置和层厚，充分发挥各层材料的特性，以抵抗车轮荷载和环境因素的作用，实现路面的设计使用寿命，同时，提供良好的服务质量。

通常国内道路界将路面在设计年限内发生的破坏称之为路面早期破坏。如何理解道路的设计年限和路面的设计使用寿命，这是决定道路设计策略的一个非常重要的问题。

一方面，作为路面混合料胶结材料的沥青，由于其自身的有机化学特性，会出现老化行为。沥青混合料料和稳定类半刚性材料还会由于自身的缺陷，在重复荷载作用下出现疲劳行为。这就意味着沥青路面结构某些结构层材料是有寿命限制的。另一方面，现行《公路沥青路面设计规范》对“设计年限”的定义为：高等级路面的设计年限是指在规定期限内满足预测标准累计轴次所需承载力，并允许在该期限内进行一次恢复路表功能的维修(罩面)，路面应具有使里呈次高级路面或中、低级路面的设计年限是指满足规定时间内预测标准轴次所需要的承载力，在小修保养的条件下，路面应具有的。同时，《公路工程技术标准》对各级公路的设计年限所作的规定如表1所示。按规范的这个定义，无论高级路面或低级路面设计年限等于路面的设计使用寿命。

表1各级公路设计年限

公路等级 设计年限(年)

高速公路 20

一级公路 15

二级公路 10

三级和三级以下公路 10

如果将道路这种带状构造物广义地看作是一种产品的话，道路设计年限等于路面设计使用寿命的概念相当于将道路这种广义的产品定义为一次性消费品。从经济意义上看，这样的定义显然是不合适的。因为，道路建设投资规模巨大，占用材料和土地的数量多，废弃的道路短时间内很难恢复或改作它用，即使重建路面结构其工程造价也是相当高的。因此，道路不是一种一次性消费品。道路的设计不能采用类似电器产品或机械产品的全寿命或等寿命设计理念，特别是对高等级道路的设计理念应该是维修费用尽可能少、使用年限尽可能长。以产生最大的经济效益和社会效益。从这个意义上讲，将高速公路设计年限等同于路面结构的设计使用寿命来考虑沥青路面结构设计问题是不合适的。道路设计年限应该大于路面的设计使用寿命。

对于设计年限和使用寿命，国外一些规范有非常清晰的定义。美国AASHTO路面结构设计指南(1993年版)定义路面工作年限和道路分析年限为：

工作年限( Performance Period)是指初建的路面结构使用至需要大修以前的时间间隔，或者是两次大修之间的时间间隔。它相当于新建的、重建的或经过大修的结构，由初期较高的服务水平，损坏至最终较低的临界服务水平所经过的时间。设计者必须根据规定或经验在允许范围内选定工作年限。影响工作年限选定的因素包括：路面的功能等级，维护的类型和水平，用于初期修建的资金，寿命周期费用和其它工程上的考虑。

分析年限(Analysis Period)是指道路设计策略所覆盖的时间周期。一般情况，道路分析年限应等于或大于路面的工作年限。从经济地利用道路建设资金和长期寿命周期费用考虑，AASHTO设计指南鼓励对大交通量道路采用较长的分析年限，其中至少包括一次大修期。对于较长的分析年限可以考虑分期修建或制订大修计划。表2为AASHTO分析年限建议值。

表2 AASHTO建议的道路分析年限

道路交通状况 分析年限(年) 道路交通状况 分析年限(年)

大交通量城市道路 30~50 低交通量铺装道路 15~25

大交通量公路 20~50 低交通量砂石道路 10~20

强调延长道路设计年限或分析年限的目的在于提醒道路设计人员要用优化的思想设计长寿命和低大修成本的沥青路面结构。所谓长寿命、低大修成本的道路，美国沥青协会(AI)的理解是：路面结构在设计使用寿命期间内，应该能够实现设计功能(表面功能和结构功能)、抵抗各种环境因素和车轮荷载的作用(抗车辙、疲劳、低温裂缝可能是沥青路面设计永恒不变的主题)、提供良好的服务能力。在设计使用寿命末期，所有可能的路面破坏均发生在表面层，通过功能性维修(铣刨加铺、更换表面层)既可以恢复道路的使用功能，而无需结构性维修或重建道路(最经济的道路维修方式)。

美国道路界九十年代初期派代表团到欧洲考察道路，除学到SMA(沥青马蹄脂碎石混合料)技术外，更重要的是了解了欧洲人的道路设计理念：“将钱花在看不见的地方”(强调道路基础的重要性)。在此基础上，美国近年来提出了所谓“永久式”沥青路面的概念，作为一种寿命周期费用最经济的道路建设和运营模式。

高速公路沥青路面结构的设计理念应该是：合理设置路面各结构层的位置和层厚，充分发挥各层材料的特性，以抵抗车轮荷载和环境因素的作用，实现路面的设计使用寿命(注：我们通常定义路面的使用寿命，而不是道路的使用寿命)，提供良好的服务质量。同时，整个结构特别是基层以下部分还应保持有足够的乘J余强度。以保证路面结构有最低的修复成本和更长的使用寿命。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。