重载道路沥青路面设计方法研究分析

黄柳芬

本文深入探讨了重载道路沥青路面的设计方法，从荷载设计、材料选择与配合比设计、结构设计到有限元模拟技术的应用，以及环保和再生材料的使用。研究表明，考虑到各种复杂的因素，如交通荷载、材料性能、地基条件和环境因素，有效的道路设计需要采用全面、系统的方法。同时，现代设计技术和再生材料的使用为改善道路性能和可持续性提供了新的可能性。

在我国基础设施建设中，沥青道路作为其重要组成部分，承载着重大的交通流量。然而，由于重载交通的影响，这些道路面临着显著的性能挑战。因此，对于这些道路的设计方法进行深入研究具有重要的实践意义。本文旨在提供一种全面、系统的方法来设计重载道路的沥青路面，以改善其性能，并延长其使用寿命。

一、重载道路沥青路面的重要性

首先，从功能角度考虑，重载道路是承载大量车辆流量的主要通道，其中包括大型商用车、货车和公交车等。这些车辆对道路表面施加极大的荷载压力，可能会导致路面快速磨损和损坏。而沥青路面因其良好的耐磨性和弹性，可有效吸收这些重载压力，减轻对道路结构的损害，延长道路使用寿命。其次，沥青路面具有优异的防水性能和较好的附着力，这对于重载道路尤为重要。对于经常有重载车辆行驶的道路，保持路面干燥并防止水分侵入路基是至关重要的。最后，沥青路面对驾驶者和乘客提供了更好的驾驶体验。沥青路面的平滑性和静音性相对优秀，可提供更舒适的行车环境，减小噪音污染，这对于缓解驾驶员疲劳，提高行车安全具有积极作用。

二、重载道路的特点

重载道路是指设计用于承载大量、重量较大的车辆流量的道路，如公路、高速公路、主要城市街道等。其主要特点包括：

大流量：重载道路通常需要处理大量的车辆流量，对此重载道路表面需要具有高强度和耐磨性，以承受连续的交通荷载。

高负荷：重载道路经常需要承受大型车辆，如货车、公共汽车、拖拉机等的重压。这需要道路设计考虑到足够的承载能力和耐久性。

维护要求：由于重载道路的大流量和高负荷，对道路的维护需求更大，更频繁。因此，道路材料和设计需要方便维修和保养。

三、沥青路面设计的关键因素

1.道路使用环境

沥青路面的设计需要考虑各种环境因素，包括气候条件（如温度、降雨量和湿度）、地形（如平原、山区或沿海地区）以及地区的一般环境条件（如城市、郊区或乡村）。这些因素会影响到沥青混合物的选择和设计，以及路面结构的设计。

2.交通流量

交通流量是沥青路面设计的另一个关键因素。这涉及到车辆的数量，车辆类型（如乘用车、货车、公共汽车等）以及其行驶频率。所产生更高的交通流量，如重型车辆，将会对路面施加更大的压力，从而造成沥青路面的快速劣化,图1为流程图。

图1 车流量影响图式

图2 应力沿深度分布图式

3.地质和水文条件

地质和水文条件也是影响沥青路面设计的重要因素。这包括地下的土壤类型和条件，地下水表的深度，以及可能存在的任何地质结构或特征（如断裂带或石灰石洞穴）。这些因素会影响到基础设计，以及排水系统的设计和位置。

四、重载沥青路面设计方法

1.荷载设计方法

（1）确定设计荷载

设计荷载是指道路预计在其设计生命周期内要承受的最大交通荷载。一般以标准轴负荷（比如ESAL，等同标准轴负荷）表示，ESAL是一种用于量化道路荷载的工具，它将所有类型和重量的车辆荷载转化为一种标准化的、可比较的单位。通常情况下，可以通过交通流量调查和预测，以及对道路类型（如公路、主干道、支路等）的考虑，来确定设计荷载。

（2）确定荷载分布

车辆荷载在道路结构中的分布方式对于道路设计至关重要。在实际情况中，荷载会随着深度的增加而逐渐分散。通常情况下，荷载分布可以使用弹性理论或半弹性理论进行计算。

2.材料选择与配合比设计

（1）材料选择

在选择材料时，应考虑其性能特性，如强度、耐候性、耐磨性和耐疲劳性等。重载道路沥青路面的主要材料通常包括：

石油沥青：具有良好的粘结性、防水性和耐候性，是道路混合料的主要粘结剂。

骨料：包括粗骨料（如碎石、砾石等）和细骨料（如砂、石粉等）。骨料的选择应考虑其强度、耐磨性和颗粒形状等因素。

填料：用于填充骨料间隙的材料，通常为石粉或细砂。填料可以增强混合料的稳定性和耐磨性。

添加剂：根据需求，可以添加各种改性剂或添加剂，以改善沥青混合料的性能。例如，SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）改性沥青可以提高路面的耐高温、低温裂缝和抗疲劳性能。

（2）配合比设计

试验初拌：根据经验和规范，进行初步的配合比试验，确定初步的沥青用量和骨料分布。

试验混拌：按照初步配合比进行混拌，制作沥青混合料试样，进行路用性能试验，如马歇尔稳定性试验、流值试验、浸水马歇尔试验等。

优化配合比：根据试验结果，调整配合比，寻找最优配合比。最优配合比应使沥青混合料具有良好的强度、耐久性、抗渗性和抗疲劳性等。

试验验证：确定最优配合比后，进行大量试验，以验证配合比的合理性和混合料的性能。

3.结构设计措施

（1）考虑交通流量和交通组成

根据重载交通设计流量（AADT）和重型车辆百分比，计算道路设计车辆数（ESAL）。对于重载交通，需要特别关注重型车辆的影响。可使用以下公式计算ESAL：ESAL = AADT×日换算系数×重车比例×轴荷换算系数×设计年限。

（2）地基承载能力

设计人员需对地基进行详细的勘察，评估地基承载能力（CBR值）；对于不同CBR值的地基，选择合适的沥青路面结构，如厚度较大的沥青路面或者水泥稳定基层。同时，在实际的设计过程中，设计人员应对承载能力较低的地基，采用地基改良技术，如加筋地基、预压地基、土工合成材料加固等。

（3）路面结构层数和厚度设计

设计人员应采用多层沥青路面结构，包括沥青表面层、中间层、基层和地基层。在此基础上，使用弹性模量法（如AASHTO 93设计法）进行厚度设计，并根据地基反力系数（k）、层系数（ai）、应力分布系数（mi）、设计车辆数（W18）、可靠性系数（R）等参数进行计算。同时，对于重载交通，可以考虑增加沥青层的厚度，或者使用高强度的沥青混合料；最后，需针对不同层次的沥青混合料，可以调整层系数（ai）以优化路面结构设计。

五、现代设计技术的应用

1.有限元模拟技术在沥青路面设计中的应用

在沥青路面设计中，有限元模拟技术属于较为关键的辅助工具，它可以帮助设计人员理解路面结构在不同负载和环境条件下的性能。以下是结合重载交通对有限元模拟技术在沥青路面设计中的应用的分析：

（1）模型建立

建立具有多层结构的道路模型是第一步。考虑到道路构造，模型需包括4厘米厚的沥青表面层，10厘米厚的稳定碎石基层，以及15厘米厚的土壤亚基层。在建立模型时，设计人员需使用四面体或六面体元素，单个元素的边长可能在1～5厘米之间，以平衡模型的精度和计算效率。对于重载交通，路面结构需要承受更大的负载，因此在建立模型时，需要特别考虑沥青表面层和稳定碎石基层的厚度和材料性能。例如，可能需要增加沥青表面层的厚度，或者使用更高强度的材料，以提高路面结构的承载能力。同时，也需要考虑土壤亚基层的承载能力和变形性能，以确保路面结构的稳定性。

（2）材料性质定义

对于重载交通，需要选择弹性模量更高的材料，以提高路面结构的承载能力。其中沥青混合料通常假设为线性弹性材料，弹性模量可能在1～5 GPa之间，泊松比约为0.35。基层和亚基层的材料性质则需要根据实际材料进行设定。例如，稳定碎石的弹性模量可能在100～500 MPa之间，土壤的弹性模量可能在50～200 MPa之间。

（3）边界条件和荷载设置

模型的边界条件通常设置为底部固定，表面自由。荷载可以模拟车轮荷载，例如标准双轴荷载（10吨）。对于重载交通，需考虑更大的车轮荷载。荷载可以作用在表面的特定位置，例如在路面中心线上。另外，还可以考虑温度荷载，例如模拟从-20℃到60℃的温度变化。

（4）求解和后处理

在设定好模型、材料性质、边界条件和荷载后，设计人员可使用有限元分析软件进行求解。求解过程可能需要数分钟到数小时，具体时间取决于模型的复杂度和计算机的性能。求解完成后，可以得到每个元素的应力、应变、位移和温度等信息。通过后处理，设计人员可查看各层的应力分布，计算最大应力的位置和大小。例如，最大应力可能发生在沥青层的底部，应力值可能达到500 kPa。根据这些信息，还可准确预测会出现裂缝的位置，以及在各种荷载和环境条件下的道路性能。对于重载交通路面设计来说，这些信息可以帮助设计人员优化路面结构，提高其对重载的适应性。

2.环保与再生材料的使用

（1）再生沥青混合料（RAP）

对于重载交通路面，可以考虑在沥青混合料中添加更高比例的RAP。但需确保RAP的质量和性能满足设计要求。此外，可以考虑使用改性沥青来提高RAP混合料的性能，如耐磨性、抗疲劳性等，以满足重载交通的要求。

（2）再生材料在基层和亚基层的应用

在重载交通路面设计中，可以使用废弃混凝土等再生材料作为基层和亚基层材料。针对重载交通的特点，需要对废弃混凝土进行适当的处理，如增加粉碎程度，以提高其承载能力。同时，使用再生材料应确保满足层厚度和弹性模量的设计要求。

六、结束语

总的来说，重载道路沥青路面的设计是一个复杂的过程，涉及到多种因素的综合考虑和权衡。虽然存在许多挑战，但通过科学的设计方法，结合现代设计技术，可有效提高道路性能，延长其使用寿命，同时减少对环境的影响。对这些设计方法的研究和探索将为我国基础设施建设的可持续发展提供强大的支持。