长寿命半刚性基层沥青路面的设计原理及方法探讨

谷志军

（河北省唐山市丰润区交通运输局 唐山 064000）

半刚性基层沥青路面是我国公路路面的主要结构形式，要实现我国的长寿命半刚性基层沥青路面，路面设计是第一位的，因此，必须掌握长寿命半刚性基层沥青路面设计的核心技术。

我国传统的沥青路面设计方法存在缺陷，即缺少路面结构动载性能分析，把汽车荷载当作静载，运用弹性层状连续体系理论进行计算，往往造成路面结构动载性能不良，这样的半刚性基层沥青路面很难达到长寿命，容易发生结构性损坏。因此，在沥青路面设计中对结构层与组合设计要把汽车荷载当作动载，增加路面结构动载性能分析这一关键环节。

1 路面结构动载性能分析

对路面结构的动载性能进行分析，首先要把汽车荷载看作动载，分析汽车驶过路面时，汽车荷载在路面各结构层的传递、扩散；分析路面各结构层的结合状态，是趋于连续状态还是滑动状态；路面结构动载性能分析不采用弹性层状连续体系理论，忽略路面结构体的竖向压缩变形，把路面结构体当作柔性刚体（试验证明半刚性基层沥青路面80%以上的弯沉（挠度）来自于路基变形）。

（1）路面结构实质是一种“介质”，一方面承受结构自身及汽车荷载的压力，另一方面把汽车动载快捷、均匀地传递给路基，即扩散传递荷载的作用；习惯上认为半刚性基层是主要承重层，半刚性底基层是次承重层，而忽略了对路基承重的理解和认识，路基是最终的“承重层”。路面结构中的基层、底基层的承重作用是与桥梁中的梁板的承重作用有着本质区别的。公路路面与铁路在结构上异曲同工，火车的载重量要比汽车大，速度也快，铁路表现出了良好的使用性能，这说明铁路结构设计是很成功的。铁路结构很简单，从下至上依次是路基、道碴、枕木、铁轨，这也给公路结构设计提供了新思路。

（2）半刚性材料优缺点再认识，要扬长避短。半刚性材料优点是板体性好、刚度大，承载能力强，半刚性基层沥青路面弯沉小，有时甚至接近于0（贝克曼梁法测回弹弯沉）。半刚性材料能有效地提高路面的刚度和承载能力。缺点是结构层间滑动性大，而且不同半刚性材料间滑动性更大，路面结构动载性能不好。例如，河北高速公路普遍采用以下结构形式：

4 c m AC-13细粒式沥青混凝土上面层；

0.2 c m SBS改性沥青上封层；

6 c m AC-20中粒式沥青混凝土中面层；

8 c m AC-25粗粒式沥青混凝土下面层；

18 c m 4 MPa（7 d无侧限抗压强度）水泥稳定碎石上基层；

18 c m 0.8 MPa（7 d无侧限抗压强度）石灰粉煤灰稳定碎石下基层；

18 c m 0.6 MPa（7 d无侧限抗压强度）二灰土底基层；

路基。

该路面设计使用年限为15年。

笔者认为该路面结构动载性能不良。汽车荷载要通过4层板体即沥青层、水泥稳定碎石上基层、二灰碎石下基层、二灰土底基层，最后传递、扩散到路基。上基层、下基层、底基层3层半刚性板体间滑动性大，不能形成一个连续的整体半刚性板来承受荷载。汽车动载在不同材料的半刚性板间扩散传递不良，会使该路面结构发生结构性破坏。首先疲劳损坏的层次是水稳碎石上基层，上基层和沥青层被铣刨，留下二灰碎石。这不是正常的沥青路面疲劳损坏，正常的疲劳损坏是沥青路面在预期的使用寿命期限内，首先在底基层底部发生疲劳裂缝，缓慢向上延深到水稳碎石上基层和沥青层，直到整个路面结构破坏。

2 路面结构形式新设想

（1）采用水稳碎石半刚性材料作基层路面结构设想［1］。结构形式如下：

4 c m AC-13细粒式沥青混凝土上面层；

0.2 c m SBS改性沥青上封层；

6 c m AC-20中粒式沥青混凝土中面层；

8 c m AC-25粗粒式沥青混凝土下面层；

18 c m 4 MPa（7 d无侧限抗压强度）水泥稳定碎石上基层；

18 c m 4 MPa（7 d无侧限抗压强度）水泥稳定碎石下基层；

18 c m 2.5 MPa（7 d无侧限抗压强度）水泥稳定碎石底基层；

15 c m骨架弱空隙型级配碎石垫层；

路基。

这个路面结构动载性能好，基层、底基层由于采用同一种半刚性材料，使3层半刚性板更趋于一个连续的整体承受汽车动载作用。其路面结构受力见图1。

图1 路面结构受力图

半刚性材料直接铺筑在土基上效果不好，半刚性材料为刚体性质，土基为柔性材料，因此底基层下设置15 c m骨架弱空隙型级配碎石垫层是有必要的，另一方面这也是借鉴了铁路道碴的设置，它使整个路面结构更有弹性，路面结构动载性能更好。骨架弱空隙型级配碎石指掺加少量细集料（石屑），尤其要严格控制0.075 mm以下颗粒含量，集料内部有少量空隙的级配碎石，骨架弱空隙型级配碎石是介于骨架密实型级配碎石与骨架空隙型级配碎石之间的一种级配碎石，作者认为天然级配砂砾就属于骨架弱空隙型结构。骨架密实型级配碎石和悬浮密实型级配碎石都具有“土”的性质，传递扩散汽车动载的能力差；而骨架弱空隙型级配碎石则能克服前二者的缺点，又具有足够的稳定性。在路面结构底部设置15～30 c m厚的骨架弱空隙型级配碎石垫层的目的和作用就是使路面结构更快捷均匀地把汽车动载扩散传递给路基，使路面结构具有良好的动载性能。当基层、底基层采用同种半刚性材料且上基下基层采用相同的材料时，便能克服半刚性板体间滑动状态的缺点。骨架弱空隙型级配碎石还有待进一步实验论证。

（2）采用二灰碎石半刚性材料作基层路面结构设想。对于粉煤灰资源丰富的地区，高速公路、一级公路的路面结构形式如下：

4 c m AC-13细粒式沥青混凝土上面层；

0.2 c m SBS改性沥青上封层；

6 c mAC-20中粒式沥青混凝土中面层；

10 c mATB-25密级配沥青碎石下面层；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰稳定碎石上基层（7 d无侧限强度2 MPa）；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰稳定碎石中基层（7 d无侧限强度2 MPa）；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰稳定碎石下基层（7 d无侧限强度2 MPa）；

15 c m骨架弱空隙型级配碎石垫层。

路基。

其受力为从面层传递到基层，再传递到垫层，最后传递到路基。

该路面基层3层采用相同的材料，即采用全厚式基层的形式。基层掺加2%的水泥以弥补石灰粉煤灰稳定碎石早期强度不足的缺陷。

（3）路面结构形式越简单其使用性能和路面结构的动载性能往往会更好。我国著名道路专家沈金安在其著作《高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策》中介绍：美国爱荷华州20世纪60年代修建的洲际道路I-80上的2段道路被APA授予2002年永久性路面奖，1条在Cedar，另一条在Johnson。Cedar路段修建于1962年，结构为12.5 c mH MA（热拌沥青混凝土）面层＋40.6 c mATB（密级配沥青碎石），直接铺筑到细粒土上。Cedar全厚式沥青路面结构简单，路面结构动载性能良好，整个沥青层形成一个厚路面结构板体，下面是路基。汽车动载通过厚沥青层板体均匀传递扩散到路基。

3 利用国外永久性沥青路面设计理论设计我国的长寿命半刚性基层沥青路面

国外研究发现当沥青层厚度超过一定厚度时，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。在此基础上建立了厚度设计图，当标准轴次超过80×106次后，沥青层厚度无需增加。这就成为一个新的设计范例：增加交通量无需机械地增加沥青层厚度。这是由于有一个弯拉应变临界点，当路面结构弯拉应变低于此值时，H MA（沥青层）层底就不会产生疲劳损伤，因此继续增加沥青层厚度降低沥青层底的弯拉应变就变成多余了，这个拉应变临界点对应的疲劳寿命就是疲劳极限［2－3］。

虽然半刚性材料和H MA沥青混凝土在材料性质上存在很大差别，但和H MA沥青混凝土一样，半刚性材料也必然存在着弯拉应变（或应力）临界点，当半刚性材料底部受到的弯拉应变（或应力）低于半刚性材料的弯拉应变（或应力）临界点，半刚性材料的底部就不会产生疲劳损伤。我们完全可以利用国外永久性沥青路面的设计原理开发我国的长寿命半刚性基层沥青路面，使我国的沥青路面达到20年甚至更长的使用寿命。

以下为笔者的长寿命半刚性基层沥青路面的设计思路：当半刚性基层沥青路面具有合理的结构层组合和良好的动载性能的时候，当路面总厚度达到一定厚度时，“厚度”会有效地降低半刚性板底部的拉应力；当半刚性板底部受到的拉应力小于半刚性材料的弯拉应力临界点时，半刚性材料底部就不会产生疲劳损伤。需要特别指出的是半刚性基层沥青路面需要以该道路的重载车辆作为验算荷载，使重载车辆下各结构层底部的拉应力小于容许值。如果把整个半刚性基层沥青路面看作一块柔性刚体板，其受力从路面体传到骨架空隙型级配碎石垫层再传递到路基。

骨架弱空隙型级配碎石垫层起到类似铁路道碴的作用。从能量传递的角度讲，级配碎石垫层的设置是为了把汽车动载产生的能量最大限度地传递给路基。反过来骨架弱空隙型级配碎石垫层对半刚性板体的支撑更加稳固、均匀和紧密。

汽车驶过路面的时间为0.1～0.01 s，汽车荷载是瞬时荷载，也是一种“振动荷载”，与骨架密实型级配碎石和悬浮密实型级配碎石相比，骨架弱空隙型级配碎石做垫层铺筑在半刚性板体下面更适合于汽车的“振动荷载”。骨架弱空隙型级配碎石垫层能够与汽车的“振动荷载”达到一种“耦合”。

4 长寿命半刚性基层沥青路面结构模型

长寿命半刚性基层沥青路面结构模型见图2。

图2 长寿命半刚性基层沥青路面结构模型图

5 结语

半刚性材料在我国道路上应用已经有50多年的历史，由于经济、技术、历史和我国的实际情况，半刚性基层沥青路面在以后相当长的时期里仍将是我国公路的主要结构形式。在科学技术高速发展的今天，我国的沥青路面应该有所突破和创新，也许有一天半刚性基层沥青路面能够使用20～30年。

［1］ 唐云伟，陆永军，李明泽.沥青路面裂缝产生的原因及防治措施［J］.交通科技，2006（4）：41-43.

［2］ 沈金安，李福普，陈 景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 李美玲，冉 晋，任瑞波，等.基于F WD的沥青路面结构单层模量反算研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011（2）：365-369.