基于公路沥青路面长寿命设计理念分析

文/熊文剑、詹春媛

1 前言

沥青路面是主要的路面结构形式，该结构设计能否达到科学性、合理性的要求，对于整个沥青路面的运行质量存在着直接影响。为了延长沥青路面使用寿命，降低养护成本，所以当前提出了长寿命设计理念，应用到沥青路面设计中可以产生非常好的效果。

2 长寿命沥青路面设计的本质与目标

2.1 本质

长寿命路面设计是一种新的设计理念，在设计时，设计人员需要依托传统设计理论进行，同时在沥青底部受弯拉应力以及路基顶部压应变部分影响做出必要调整。对于此设计理念来说，很多国家都有不同的说法，但是本质上是基本相同的，都做出如下表述：沥青路面设计寿命超过50年，量面层的厚度比较大，形成柔性结构形式，可以有效预防开裂、车辙等一系列病害问题。另外，在沥青路面的运行寿命时间范围内，工作人员需要做好表面铣刨、罩面修复等相应工作，确保在整个施工寿命期间不会产生较大的损坏和问题。应用长寿命沥青路面设计，可以有效消除存在的损害问题，延长使用寿命，提升整体应用效果[1]。

2.2 目标

根据当前的沥青路面工程分析，长寿命沥青设计目标主要包含如下三点：其一，路面表层发生损坏问题后，可以立即做出修复处理；其二，不会出现结构损坏的问题，比如结构裂缝；其三，应用定期养护、修复等处理方式，可以延长寿命，达到50年以上。

3 长寿命沥青路面结构层材料设计理念

3.1 材料设计

该设计理念在进行各个结构层的材料设计中，相关人员应提起足够的重视，保证各个结构层的性能符合要求，以达到功能性的标准，遵循如下理念：各结构层功能。磨耗层应该具备较高的耐磨性，达到抗车辙、耐老化等效果；中间层应该达到抵抗车辙、传递以及分散载荷的作用；基层结构受到底部弯拉应变作用保持稳定。各结构层材料设计。中间层在设计时应该选择具备一定耐久性、耐疲劳、抗车辙等效果，在长期运行下也不会产生严重的危害和问题。耐久性符合要求，需要达到水稳定性、抗老化性能的标准，这和混凝土结构内部的空隙率存在着必然的联系。通过提升中间层结构的耐久性、选择最佳的工程材料以及增大骨料表面沥青膜厚度的方式可以保证结构性能合格[2]。从粗骨料之间的骨料结构选择符合实际运行需要的高等级沥青材料可以符合要求，这与上部150mm 的结构是存在着必然联系的。抗车辙材料设计环节，采用橡胶沥青、塑料格栅进行，混合料主要使用的是骨架嵌锁的结构形式。此时，应该保证粗集料混合料没有发生离析问题。基层结构材料设计需要满足抗车辙、耐久性、抗疲劳等性能的要求，且符合长期运行下不会产生严重损坏的标准。基层抗疲劳结构的设计，分析底部的弯拉应该低于材料的疲劳极限，从而可以防止结构严重损坏问题发生。一般情况下，可以通过提升混合料柔性、增大厚度、基层抗疲劳设计等方面实现总体结构性能的提升。长寿命沥青路面设计理念，应该从土基、垫层、底基层等结构出发，全部达到长寿命设计理念的要求才能满足标准。路基结构需要达到稳定性、强度以及均匀性的标准，另外设计环节还要重视排水性的要求，保证路基的刚性合格，这是提高结构性能的关键所在[3]。

3.2 长寿命沥青路面结构和材料设计一体化研究

该方面主要是将材料路面性能作为设计的根本，确保结构达到实用性的标准要求，将结构设计与材料设计融合到一起，同时可以在室内进行结构性能与材料性能的模拟和分析，保证其符合现场实际使用的需要，从而消除不利的影响。另外，在设计环节，设计人员应该结合具体的应用标准总结出结构设计方案，确保结构性能得到真正的提升。

4 长寿命沥青路面设计实例

某高速公路项目规划设计里程为78km，为目前我国有代表性的长寿命设计理念路面形式，具体结构为“柔+刚+柔”(沥青混凝土+水泥混凝土面层+沥青联结层，简称A·P·A)的结构形式，结构设计形式可见下图1 所示[4]。

图1 路面结构图

4.1 长寿命沥青路面结构设计

公路沥青路面长寿命设计是从基础力学的角度出发，做好沥青底层弯拉疲劳应力的分析，确保底层不出现弯拉疲劳开裂的问题，这是达到长寿命设计要求的关键所在。为了达到这一方面的要求，主要的力学方式就是在明确具体的荷载条件下分析结构层的应力、应变，保证沥青底层弯拉疲劳应力参数符合要求。美国率先提出和应用长寿命实际理念，且美国道路科研院所研发出一个以力学作为基础理论的设计指南，其具体流程可见下图2。

根据图2 内容，道路结构会受到材料、交通、环境、服务型等方面的影响，所以在路面建筑设计环节，设计人员要做好各个因素的考虑和分析。

图2 道路路面设计基本流程图

当前，沥青路面疲劳方程应用的是沥青层弯拉应变以及既定压应变的方式，这两项指标在预防疲劳损坏方面有着一定的影响，可以估算和分析沥青路面结构寿命。沥青层底部弯拉应变，可以预防疲劳损坏问题出现，延长沥青底层结构使用寿命，提升总体应用性能。另外，沥青混凝土结构寿命因为弯拉应变产生影响，因此，工作人员一般会利用弯拉应变分析沥青混凝土层疲劳特性，在计算确定沥青混凝土寿命时，通过弯拉应变以及基顶应变的指标，有效延长使用寿命。需要注意的是，在抗疲劳设计的过程中，工作人员还要综合公路沥青路面的实际应用功能，合理设计垫层的厚度，同时选择的材料要具备一定的强度[5]。

4.2 长寿命沥青路面结构层材料设计

沥青路面材料可以有效提升沥青路面结构性能，延长使用寿命，所以相关人员要结合沥青路面结构性能开展结构层材料设计，达到材料设计标准，满足当前沥青路面使用质量的要求。考虑到长寿命设计理念的要求，同时结合以往的工程经验，明确具体的沥青结构面层材料指标，主要如下：磨耗层应达到抗老化、抗车辙、预防裂缝的标准要求，一般选择使用OGFC 混合料、密级配混合料等；中间层应该具备一定的抗车辙、荷载传递以及分散等效果，达到耐久性与稳定性的标准。为了使得中间层耐久性合格，应该在沥青路面设计中选择最佳的使用材料，使骨料性能合格，另外也可以根据实际情况增加中间层厚度。稳定性会对整个沥青路面的性能和使用寿命产生影响，为了大幅提升其结构的稳定性，工作人员可以选择高等级沥青材料，保证骨架结构的质量符合要求；底层结构要达到抗层底弯拉应变的效果，可以选择使用HMA 基层材料。此外，进行HMA 基层材料设计的过程中，应该保证底层弯拉应变不会小于材料的抗疲劳极限性能，可以有效缓解严重的损害问题，延长使用寿命。在沥青路面设计环节，车辙是极易产生质量问题的结构，为了预防这一问题，设计人员应该做好抗车辙材料的设计工作，最好选择使用改性沥青或者塑料格栅的结构形式。

4.3 长寿命沥青路面厚度设计

公路沥青路面长寿命设计中，路面结构厚度计算非常重要，一般要按照荷载作用、应变力学的角度出发进行设计计算，这与传统设计思路是基本相同的。长寿命沥青路面厚度计算方法如下：

4.3.1 首先要结合路面结构明确具体的结构组合形式，保证各个层结构厚度符合要求，比如底层、中间层、磨耗层等。

4.3.2 确定合理的设计参数，比如材料参数、路基顶面应变参数等。

4.3.3 根据相应参数以及设计方案，明确计算分析该荷载作用下的结构应力与应变参数。在计算结果之下，保证厚度符合使用的要求。如果不能符合要求，应该再次进行厚度调整，最终达到设计标准要求。对于厚度计算时，TRRL 提出了诺谟图，通过沥青粘度、类型等做好厚度的确定。经过研究分析发现，在沥青路面受到八千次以上的冲击，增加厚度也是毫无意义的。因此，确定合适厚度，达到设计标准即可。

5 结语

综上所述，公路沥青路面质量的高低会直接影响到车辆通行的安全性以及舒适性，而在沥青路面设计的过程中应用长寿命设计理念，能够提高整体沥青路面的使用性能，本文对长寿设计理念的应用方式进行了探讨，目的在于提高公路沥青路面的使用性能。