长寿命沥青路面设计方法研究

摘要 为了提高沥青路面的使用性能和使用年限，文章首先对沥青路面进行了损坏分析，归纳了面层底部拉应变、基层底部拉应力、面层抗剪性能及基层顶部的压应变等长寿命沥青路面的设计指标；然后，阐述了长寿命沥青路面设计方法中结构设计和结构层材料设计的相关要求；最后，根据具体工程实例从长寿命路面结构组合、材料选择等方面进行了探讨，并进行了试验验证，以期提高我国长寿命沥青路面的建设水平。

关键词 长寿命；沥青路面；设计方法

中图分类号 U416.21 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2025）02-0108-03

0 引言

沥青路面具有养护方便、无接缝和行驶舒适性好等优点，在我国公路建设中成为应用最为广泛的路面结构形式。随着我国经济的快速发展，持续增长的交通量和交通荷载对路面设计提出了更高要求，原有的路面结构设计方法已无法适应新的需求，导致沥青路面发生病害的概率大大增加，具有病害严重、范围大、时间早等特点[1]。因此，如何延长沥青路面的使用年限、降低路面病害的严重程度逐渐引起道路相关人员的关注。长寿命沥青路面是指对沥青路面设计、建设及运营养护等全寿命周期进行优化设计。与常规高速公路沥青路面设计寿命15年相比，长寿命沥青路面的设计寿命更长，一般大于40年。在长寿命沥青路面设计的使用年限内，应确保路面的基层不会出现结构性损坏，仅进行路面的功能性修复即可。长寿命沥青路面可以很好地解决目前常规沥青出现早期病害严重的问题。该文对沥青路面的损坏进行探讨，研究长寿命沥青路面的设计指标，确定设计方法，并结合具体工程实例对长寿命沥青路面的设计进行具体分析，旨在为同类项目提供参考。

1 沥青路面损坏分析

沥青路面的损坏形式众多，可将其分为功能性破坏和结构性破坏[2]。结构性破坏主要包括路基永久变形、裂缝、唧浆等，而功能性破坏是指路面的抗滑性、平整性不足，主要包括车辙、松散、磨光等。不同损坏之间存在着内在联系及相互作用，比如路面出现裂缝病害后会加速水损害，而水损害同时会降低路面的整体强度，导致裂缝病害进一步加重。当前期路面结构设计不合理，路面的结构性破坏也会引起路面的功能性破坏。

长寿命沥青路面具有在使用年限内路面不出现结构性破坏的特点，道路管理人员通过定期养护、维修就可保证路面的功能性良好。但在后期道路运营阶段，如果未对路面进行及时养护，未对出现的功能性破坏进行及时修复，路面的质量会下降，可能引起路面的结构性破坏。在设计长寿命沥青路面时，应重点考虑沥青混合料的优化设计及施工质量，降低道路运营前期出现车辙及水损害的概率[3]。在沥青混合料设计中，为保证路面具有良好的高温稳定性，混合料应具有坚实的骨架结构，增强集料的嵌挤力，避免集料受高温状态下沥青变形的影响。提高路面的水稳定性需要沥青混合料具有较好的密实性，避免水分进入路面结构内部，因此混合料中细集料和沥青的占比应较大。骨架密实结构具有较小的孔隙和坚实的骨架结构，可充分保障路面的高温稳定性和水稳定性，在施工时应严格根据设计要求控制混合料的离析和压实度。

2 长寿命沥青路面设计指标确定

沥青路面结构由层状体系组成，不同层之间的相互作用较为复杂。目前设计指标通常采用路表弯沉，并对路面底部拉应力进行验算。国外将路基顶部的压应变和面层底部的拉应变作为设计指标，车辙主要受压应变的影响，而面层的疲劳破坏则受拉应变的影响[4]。我国多数沥青路面采用半刚性基层，该文将基层底部的拉应力和面层底部的拉应变作为设计指标，将基层顶部的压应变和面层的抗剪性能作为验算指标。

（1）面层底部拉应变

在进行沥青路面面层疲劳开裂损坏分析时，通常采用面层底部的拉应力进行验算，材料的容许拉应力应小于面层底部受到的最大拉应力。但是，沥青路面面层的疲劳寿命受拉应变的影响更大，采用拉应变更能反映材料的疲劳特性[5]。因此，该文采用面层底部的拉应变作为沥青路面结构层设计的力学设计指标，在设计时，材料的疲劳寿命Nf的计算如式（1）所示。

式中：Nf——实际疲劳寿命；Nl——室内试验疲劳寿命；TCF——温度修正系数；SF——修正系数，受施工变异性、裂缝发展等因素的影响。

（2）基层底部拉应力

基层材料的破坏模式主要有两种，分别为压碎破坏和疲劳破坏。在材料性能检测中通常已对压碎破坏进行了验证，基本不会出现在路面结构中。半刚性基层材料的脆性相对较大，在外部荷载的作用下会出现疲劳破坏。因此，为了避免基层底面出现开裂破坏，采用基层底部拉应力作为控制指标。在路面结构设计过程中，选用材料的容许应力应大于基层底部受到的拉应力。基层底部拉应力σ的计算如式（2）所示。

式中：σ——容许拉应力（MPa）；σS——极限劈裂强度（MPa）；K——抗拉强度结构系数。

（3）面层抗剪性能

在进行长寿命沥青路面设计中，除了选用面层底部拉应变和基层底部拉应力控制路面材料的性能以保证路面的使用年限外，为了避免沥青路面表面层在运营早期出现局部损坏，应增加抗剪性能检测指标以保证路面材料具有良好性能。沥青混合料的抗剪强度应大于路面受外部荷载所引起的最大剪应力。抗剪强度计算如式（3）所示。

式中：τR——容许剪应力（MPa）；c——路面材料的黏聚力（MPa）；α——内摩擦角（°）；σR——破坏面的正应力（MPa）；K——抗剪强度系数。

（4）基层顶部的压应变

沥青路面的作用是保护路基不直接承受外部荷载，通过面层的应力分散作用保证路基不会出现较大的沉降。因此，在路面设计理念中，基层顶部的应力和垂直位移是重要的控制指标。在之前的路面结构设计中往往将强度指标放在首位。但在现代公路路面设计中，为了保障道路的功能性将变形作为第一设计指标。路面开裂和车辙是进行路面设计时需重点考虑的指标。控制面层底部的拉应变和基层底部拉应力可以很好地保证路面的结构强度满足要求，减少路面出现开裂的可能性。车辙的深度控制目前并无较好的计算方法，如果车辙仅出现在路面表面层，仅需进行罩面设计就可以保证路面结构层的稳定。但是对于路面各结构层累积变形导致的结构性车辙，其车辙深度主要受路基永久变形的影响，在施工时应严格控制路面的压实度。因此，在路面设计时应将基层顶部的压应变作为控制路面变形的指标。

3 长寿命沥青路面设计方法

（1）结构设计

长寿命沥青路面结构设计的理论基础为弹性层状体系理论，即土基在水平和竖直方向均是无限；不同层的材料均具有均匀性和各向同性；路层表面受到水平和竖直的荷载作用；无穷远处水平方向和竖直方向的应力、应变和位移均为零；不同结构层之间存在相对水平位移、完全滑动和连续等三种情形。在长寿命沥青路面结构设计计算时，为了确保沥青路面结构的稳定性、安全性和使用年限，需对目前通用的双圆均布垂直荷载计算模型进行优化，以更好地模拟路面荷载的作用形式，客观反映路面的真实受力状态。当车辆荷载和路面结构完全相同时，不同的轮载作用力和分布形式导致路面结构产生的受力情况也大相径庭，特别在车辆附近作用面的受力状态会有明显差异。因此，为了确保路面结构设计的科学合理，对于车轮实际的接地压力大小和分布形式应予以重点考虑。

（2）路面结构层材料设计

长寿命沥青路面结构材料应根据不同结构层的功能进行合理选择。长寿命沥青路面的损坏仅出现在沥青面层，因此沥青面层需具备良好的稳定性和较高的强度，避免在道路运营阶段受到外部车辆荷载作用而出现变形现象。沥青路面结构层材料的选用、配合比设计及性能试验应进行针对性考虑。结构层材料的设计方法应以路面损坏机理为基础，根据路面的实际使用性能进行设计。材料的强度和刚度需根据不同结构层的功能要求进行优化。根据前文分析，长寿命沥青路面不会出现结构性损坏，所以沥青路面的基层和垫层应具有较高的强度，同时应重点考虑材料的抗剪能力、抗疲劳特性及良好的温缩和干缩性能。

4 工程实例

4.1 工程概况

某一级公路，路面宽度为21 m，路线起讫桩号为K10+000～K38+050，路线全长28.05 m。道路存在填挖现象，起伏较大。项目区域属亚热带季风气候，夏季炎热，年平均气温为16.8℃；冬季寒冷，一月气温最低，平均气温为2.5℃。该项目选取K20+100～K21+100路段作为试验路段。根据现场调查，该路段车流量较大，重载车辆占据较大比重，路面损坏较为严重。

4.2 重载车辆对沥青路面的影响

相关研究表明，路面内部的应力状态与车辆轴载成非线性关系，轴载越大，对路面的影响越严重。由于影响轮压的因素众多，参考实际调查结果，该文选取0.7 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa和1.3 MPa的轴载对沥青层的疲劳开裂寿命进行研究。沥青层疲劳开裂寿命与轴载的关系如图1所示：

从图1可以看出，在重载交通下，沥青层疲劳开裂寿命与轴载大小成负相关关系，且下降趋势明显。

4.3 长寿命路面设计

根据前文分析，该文选用的路面结构层如表1所示。基层主要可分为两部分，上基层选用与沥青混凝土同样的密级配沥青稳定碎石，与传统基层相比，该结构不仅排水能力和水稳性更好，而且基层和面层可以直接进行更好的黏结，使得各层之间的应力减少，降低裂缝出现的概率。半刚性底基层保证了路面整体的稳定性，路面的承载力和强度较好。

该项目沥青路面结构在高温重载和标准荷载作用下的各指标值如表2所示：

由表2可以看出，选用的路面结构在高温重载的不利条件下，路面的各性能指标均较好，面层底部拉应变增加了3.66%，基层顶部压应变增加了39.08%，基层底部拉应力增加了29.90%，面层容许剪应力增加了45.15%。各性能指标均能满足容许值的要求，说明该项目选用的路面结构层科学合理。

4.4 沥青混合料的各项路用性能试验结果

对选用的沥青混合料进行路用性能试验，结果如表3所示：

由表3可以看出，与标准车辙试验下的动稳定度DS相比，高温重载车辙试验下的动稳定度DS更小，但车辙试验下的3 000次变形量更大，说明在重载及高温作用下，路面的抗变形能力下降，但均能满足指标要求，且路面结构均能满足浸水残留稳定度不小于85%、冻融劈裂不小于80%的要求。

5 结语

长寿命沥青路面的应用可以很好地解决由于道路频繁养护造成的交通拥堵问题，为道路出行者提供安全、稳定的保障。该文对沥青路面的损坏进行了探讨，研究了长寿命沥青路面的设计指标，确定了设计方法，并结合具体工程实例对长寿命沥青路面的设计进行了具体分析。下一阶段应充分考虑地区的差异性，根据不同地区对长寿命沥青路面的使用需求，因地制宜地进行设计，并对长寿命沥青路面结构和材料进行多维度研究。

参考文献

[1]杨建军，黄旺，关宏信，等.沥青路面结构三维应力状态及失效准则分析[J].中国公路学报， 2023（12）：1-11.

[2]朱成.纤维增强高模量沥青混合料性能评价与路面厚度优化设计[D].长沙：中南大学， 2023.

[3]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.

[4]王超，宫官雨，陈乙方.考虑气候变化影响的沥青路面长期服役耐久性评估[J].土木工程学报， 2023（2）：110-120.

[5]刘邦一.长寿命复合式沥青路面结构状态检测与疲劳寿命研究[D].南京：东南大学， 2022.