长寿命沥青路面结构设计分析

刘家祥

摘要 为探索适合我国公路运行实际的长寿命沥青路面设计思路，在借鉴和阐述长寿命沥青路面结构设计指标的基础上，文章以某处于高温多雨地区的病害高速公路为例，对长寿命沥青路面结构及初始厚度计算、路面材料参数值拟定、基层抗疲劳性能的检验等展开分析探讨。结果表明，长寿命沥青路面主要通过增大路面厚度，以降低沥青层底拉应变，基层、路基顶面压应变，进而使沥青路面使用寿命延长至40年以上，期间只需间隔10～15年实施养护，就其全寿命工程造价及社会效益而言，显然优于普通沥青路面。

关键词 长寿命沥青路面；结构设计；车辙；养护

中图分类号 U416.2文献标识码 B文章编号 2096-8949（2023）10-0114-03

0 引言

长寿命沥青路面属于高性能柔性路面，其并非普通柔性路面的简单改造和升级，而是在保证足够厚度的基础上，将病害局限在路面表层，在每间隔10～15年展开表面修复，避免病害向下延伸，确保沥青路面在40年以上的设计年限内不出现结构性损坏。长寿命沥青路面设计理念将沥青混合料组成和路面结构设计有机结合起来，可有效克服目前两方面脱钩的问题。其路面使用寿命足够长，路用性能良好，性价比较高，也越来越受到设计人员的关注和重视。该文依托公路实际，对长寿命沥青路面结构展开设计，试图彻底扭转传统沥青路面未充分考虑荷载条件及环境变化对结构受力影响的局面，为我国长寿命沥青路面设计及建设提供参考借鉴。

1 长寿命沥青路面结构设计指标

与其余路面设计方法一样，长寿命沥青路面设计时必须先根据路面破坏形式拟定出相关设计指标。结合《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）及类似工程经验，将长寿命路面破坏形式分成车辙、表面裂缝和底部疲劳裂缝3种[1]。

1.1 车辙

路面结构层永久变形，路基、基层及面层永久变形等均会引发车辙病害。根据相关研究，车辙的发生与面层厚度有直接关系，当面层厚度在18 cm以上时，车辙主要来源于面层内部；而当面层厚度不足18 cm时，车辙则主要源自路基变形。

根据引发车辙的原因，可将长寿命路面车辙分为面层永久变形引发的车辙和面层以下结构层变形引发的车辙两类。前者一般影响的是路表功能，对路面结构性无较大影响，通过表面处理即可修复。后者主要因路基和基层变形而引起，存在较大的修复难度，发展至一定程度后必将引发路面结构性破坏。

长寿命沥青路面应以基层和路基顶面竖向压应变为控制指标以确保路面强度，避免结构层竖向变形过大。具体而言，路基顶面竖向应变应不超出200 με，基层顶面竖向应变应根据材料确定和调整。

1.2 表面裂缝

沥青面层表面出现裂缝后会持续向下发展，且主要为纵向裂缝，大多发生在轮迹带两侧。表面裂缝是柔性路面结构的主要破坏形式。当前，柔性路面設计模型及相关研究成果均无法对表面裂缝形成机理做出合理解释，只是认为，表面裂缝的形成主要与行车荷载反复作用、温度、表层沥青老化等有关。行车荷载水平及竖向应力作用后会向沥青路面表层施加拉应变与剪切应变，最终导致路表开裂。该文认为，车辙也是引发路面裂缝的重要原因，路面变形后车辙处路表持续下降，进而形成较大的竖向高差，中间过渡区拉应变及剪切应变持续增大，超出沥青混合料极限抗变形能力后相应路表处便发生裂缝[2]。

1.3 底部疲劳裂缝

受到行车荷载反复作用后，拉应力主要由面层和沥青碎石基层底部承担，一旦底部发生疲劳开裂，便会引发路面结构性破坏。为此，《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）以结构层底部拉应力为高等级公路沥青路面结构设计的关键性指标。也就是说，传统柔性路面结构设计中主要以结构层底拉应变或拉应力为控制指标，且认为指标与混合料疲劳寿命之间存在Nf=nσ?k或Nf=nε?k关系，式中，Nf ——沥青混合料疲劳寿命；n、k——系数；σ、ε——疲劳应力和疲劳应变。根据沥青路面设计使用年限中的累计轴载求出Nf值，将该值代入以上关系公式，所推求出的σ、ε值即为容许拉应力和容许拉应变，据此展开沥青混凝土路面结构层厚度的确定。

按照这一思路，柔性路面在经历反复交通荷载作用后必然出现疲劳裂缝。但通过笔者对一些施工质量较高的大厚度面层柔性路面的调查看出，其运行数年后并无明显疲劳裂缝出现。结合弹性层状体系理论，随着面层厚度的增大，结构层底拉应变持续减小，沥青面层或碎石基层能承受较大荷载且不发生破坏。也就是说，当沥青混合料疲劳应变不超出其“应变下限”时，结构内部疲劳损坏不累积，只要将结构层应变控制在该下限值以下，则路面即使承受反复荷载作用，也不会出现疲劳破坏。

以上弹性层状体系理论及沥青混合料“应变下限”理论是长寿命沥青路面设计的主要依据。为避免结构层疲劳裂缝的发生，长寿命沥青路面设计阶段必须将层底拉应变控制在“应变下限”以下[3]。结合类似工程设计实践，“应变下限”主要取决于沥青混合料性质、类型、施工技术水平及施工工艺等，聚合物改性沥青混合料和普通沥青混合料“应变下限”可分别达到300 με和70 με。结合国外控制标准，路基顶面垂直压应变控制标准随材料的变化而变化，我国长寿命沥青路面土基顶面垂直压应变应不超出200 με，粒料类路基顶面垂直压应变则应结合具体情况确定。

2 长寿命沥青路面结构设计实例

2.1 工程概况

某高速公路所在地区属亚热带季风湿润气候区，地形如盆地，在夏季城市热岛效应及伏旱时副高控制下，温度最高可达到40 ℃，且高温季节持续时间长。通过红外线温度仪实际测得的地表温度最高达69 ℃。该公路普通沥青路面设计使用寿命为10～15年，但是在重载交通反复荷载作用及高温、多雨环境下，沥青路面在运行后的5年内便出现病害，在增大养护处治工程量的同时，十分不利于公路服务性能的全面提升。为此，必须通过深入研究长寿命沥青路面设计思路，对常见病害展开全面统计，剖析原因，延迟早期病害的出现，达到长寿命路面要求。

2.2 路面结构及初始厚度

当前，国外较为成功的长寿命沥青路面主要有全柔性沥青路面和沥青碎石基层加粒料稳定基层结构两种类型，沥青层厚度均较大。结合国内情况及该公路实际，推荐采用沥青碎石基层加粒料稳定基层结构，同时加大沥青碎石基层厚度；底基层则使用低剂量水稳碎石，以增强路基结构强度，优化底基层水稳性。按照该思路所确定出的长寿命沥青路面结构层为SMA-13改性沥青上面层、Sup20中粒式改性沥青中间层、LSM-25粗粒式沥青碎石+低剂量水稳碎石基层、土基。

为展开各结构层厚度对长寿命沥青路面路用性能影响的分析，该文拟定出3种不同方案，以确定适合公路工程实际的路面结构形式。具體见表1。

2.3 力学模型

2.3.1 计算过程

应用弹性层状体系展开长寿命沥青路面结构设计及层厚计算，各层间均为连续状态，以现行沥青路面设计规范中BZZ-100标准轴载为设计轴载[4]。计算点的设置情况见图1，以各计算点中最大值为计算结果。

以沥青混合料层底拉应变与土基顶面压应变为主要设计指标。该公路沥青路面LSM-25粗粒式沥青碎石层疲劳极限按70 με取值，SMA-13改性沥青上面层和Sup20中粒式改性沥青中间层全部采用SBS改性沥青，疲劳极限均按100 με取值；土基顶面竖向压应变则按200 με确定。

按照长寿命沥青路面设计思路，应以最不利工况确定材料参数。为降低参数取值对设计结果的不利影响，项目组针对不同参数取值在试验段展开性能试验，以确定出相对合理的参数值，具体见表2。其中，石灰土模量实测值在300 MPa以上，由于试验段路堤填土高度高，灰土层全部位于路面标高以上，基本无地下水影响。故在考虑安全系数后，将石灰土模量降低至180 MPa。

2.3.2 计算结果

根据设计思路所得到的该沥青路面结构层底水平拉应变及顶面竖向压应变值见表3，根据表中结果，3种方案路面结构各项指标均符合设计。在考虑沥青路面超载的情况下，展开路面使用寿命验算，结果见表4。其中超载数据主要来自公路所在省高速公路调查结果。表中结果为设计车道交通量，该公路长寿命沥青路面试验段为双向六车道设计，按照0.35的车道系数换算为双向断面交通量，则方案1为15 941/0.35=45 545×104辆；方案2为15 578/0.35=44 508×104辆；方案3为16 729/0.35=47 797

×104辆。根据当前工可阶段所预测的该公路交通量规模，3种方案下沥青路面结构疲劳寿命均能达到40年以上，故3种路面结构均属于长寿命沥青路面。

2.4 沥青混合料组成

该长寿命沥青路面采用LSM-25粗粒式沥青碎石+低剂量水稳碎石混合式基层结构，其沥青碎石基层为抗疲劳层。为检验该上基层抗疲劳性能，在混合料设计阶段，分别以70 με、100 με、200 με、400 με的应变水平展开沥青碎石基层疲劳试验。根据试验结果，在较低应变水平下LSM-25粗粒式沥青混合料存在“疲劳极限”，也进一步验证了相关理论的准确性。这也说明，该长寿命沥青路面设计中沥青层底拉应变按照70 με取值切合实际。

为抵抗行车荷载的反复作用，中面层必须具备较高的压应力、剪应力及足够的抗车辙性能。为此，该公路试验段采用Sup20中粒式改性沥青中面层，也就是采用PG76-22改性沥青胶结料，并按照Superpave方法展开混合料设计及施工。

长寿命沥青路面上面层必须具备较好的抗滑、抗车辙、抗疲劳及抗磨耗性能，为此，试验段沥青路面采用SMA-13改性沥青上面层，并使用PG76-22等级的SBS改性沥青及嵌挤型骨料结构，以提升沥青混合料强度及抗变形性能。

3 应用效果

按照以上设计思路，对该高速公路长寿命沥青路面试验段展开试铺。为验证长寿命沥青路面抗重载交通性能，将试验段设置在公路全线预计交通量最大的路段。试验段桩号为K440+210～K444+010，段落长3.8 km，并分段展开3种方案试验。试验段LSM-25粗粒式沥青碎石基层及低剂量水稳碎石基层铺筑任务于2016年底完成，Sup20中粒式改性沥青中间层及SMA-13改性沥青上面层于2017年初展开施工，当年8月全部完成。

试验段完工后对各层混合料结构展开试验，并对长寿命沥青路面压实度、弯沉值、渗水系数等展开检测，验证了其具备较好的高温稳定性、低温开裂性和抗水损性。试验路段运行至今已逾5年，表现出较好的路用性能，且无病害出现。

4 结语

综上所述，长寿命沥青路面是高性能柔性路面，在设计思路、技术要求、路面结构、养护方式等方面均与常规柔性路面存在较大差异。通过增大路面厚度，降低沥青层底部拉应变以及基层、路基顶面压应变，从而将病害控制在路表层，确保路面结构在至少40年的使用年限内不出现结构性破坏。该公路试验段3种路面结构方案成功应用后，路面施工质量及运行状况良好，路面结构方案也在该公路其余路段得到推广应用，丰富了长寿命沥青路面在我国公路工程实践中的应用经验。

参考文献

[1]徐希忠， 韦金城， 闫翔鹏， 等. 长寿命沥青路面研究现状及展望[J]. 中外公路， 2023（1）： 36-43.

[2]吕正龙， 吴春颖. 长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析[J]. 江苏建筑， 2022（S1）： 56-59+64.

[3]马士宾， 贺苗. 基于最优混合设计法的长寿命沥青路面设计指标效应分析[J]. 中外公路， 2022（4）： 42-46.

[4]张健， 谢波. 柔性基层长寿命沥青路面结构力学分析[J]. 公路与汽运， 2021（3）： 94-97.