沥青路面结构设计
摘要：本文探讨沥青路面结构的设计方法、材料研究等方面的技术要点，完善沥青路面结构设计的观念。
关键词：路面结构；路面设计；抗车辙性能
对沥青路面应依据《公路沥青路面设计规范》，结合高速公路的实际情况(路基状况、气象资料、沿线情况、交通运输等)以及国内外高等级公路路面结构特点和业主的要求进行路面结构设计和材料设计，并采用设计规范规定的沥青路面结构设计专用程序(APDS)
1我国高速公路的结构
与混凝土路面相比。沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短等优点．因而获得了越来越广泛的应用，2O世纪5O年代以来。各国修建的沥青路面数量迅速增长。沥青路面结构设计初始，其主要目的就是为保护路基土不经受车辆的直接作用．通过路面传播至土基的应力被扩散而不会造成土基过大的沉降．这点反应在设计思想及设计方法上．主要是控制土基顶面应力及垂直位移量．可以运用古典力学公式进行验算。当古典理论公式无法客观地描述路面结构的实际工作状态时，人们通过大量的野外测试．修筑试验路对实际车辆行驶效果进行系统观察．形成了以车辆荷载作用下确保路面结构承载力能力为核心的经验设计法。现代理论分析设计法是以D．M．Burmister1943年发表的弹性双层体系理论解析解为起始的。我国沥青路面设计方法的总系统是以理论分析为基础。采用双圆垂直均匀荷载作用下的多层弹性连续体系理论。以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，对高等级公路要对沥青面层和半刚性材料的基层、底基层进行层底拉应力的验算。我国现行规范中虽然对路面等级、沥青面层厚度等做了规定，但其规定的区间范围大。如将累计标准轴次400万次作为高速公路、一级公路与二级公路的分界值；高速公路沥青层厚度为12cm～18cm等。
将高速公路设计年限等同于路面结构的设计使用寿命来考虑沥青路面结构设计问题是不合适的．道路设计年限应该大于路面的设计使用寿命。在延长使用年限沥青路面结构设计方面。国外沥青路面联合会提出的永久性路面概念给人们以新的启示。永久性路面或永久命沥青路面并不是一个新的概念，早在2O世纪6O年代，北美地区就已经开始修建全厚式和加厚式沥青路面结构。全厚式路面是一种直接修筑在土基上的沥青路面结构；加厚式路面是在土基与路面间加入一层相对较薄的粒料基层。这类路面的主要优点是总厚度比有常规基层的沥青路面结构更薄，同时可以减少疲劳裂缝的可能性，并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的上部。这样，当路表面的破坏达到某一临界水平时只需更换表面层，而不需要改变路面标高，这是一种最经济的路面维修方式。
近年来在材料选择、混合料设计、性能测试和路面结构设计等方面所做出的努力，可以使道路管理部门通过周期性地更换沥青面层来获得沥青路面结构更长的服务性能(超过5O年)，这就是所谓永久性路面的概念。这项技术的核心是按功能合理设置路面的结构层：要求路面结构的面层具有抗车辙、不透水和抗磨耗的能力；中间层具有良好的耐久性；基层要具有抗疲劳和耐久的能力(见图1)。
图1永久性路面设计概念
永久性路面不仅适用于大交通量道路．经适当的调整后也可用于中、低等级交通量的道路。国外马里兰州将SMA用于加厚式沥青路面结构的面层，该路的行车速度可大于90km/h．日累计轴载次数大于2000(ESAL)/日。国外加利福尼亚州在日交通量为15000～150000辆的道路上都采用过这种路面结构。
2基于力学方法的路面结构设计
传统的结构设计是以强度为第一设计指标．而现代高速公路的功能设计是以变形为第一控制参数。表面车辙和路面开裂已成为沥青路面两种主要的结构和功能设计标准。但现行路面标准并无切合实际的车辙深度计算方法。一般设计规范均采用间接调控的手段来达到控制路面车辙深度的目的。如邱延峻在“柔性路面路基土的永久变形”一文中指出，路基土的永久变形直接控制柔性路面的车辙深度，而路基土的永久变形主要是通过压实度来加以限制。事实上除了路基土以外。路面各结构层永久变形的大小都对车辙深度有直接的影响。
以往国外采用经验法设计沥青路面结构。这种方法无法考虑按功能设置路面结构层或解释路面结构层在抗疲劳、车辙和低温裂缝方面的作用。实际上沥青路面的每一个结构层都有其特定的作用．因此需要一个新的方法来评价各结构层在路面结构中的作用。实践证明，基于力学的设计方法可以承担这一角色，这个方法就是沥青路面设计的力学经验法。
沥青路面设计的力学方法最早于20世纪6O年代提出，但真正在国外用于路面设计是在2O世纪80～90年代，如华盛顿州、肯塔基州和明尼苏达州等。现公路科研院(NCHRC)正在开展研究，并计划将力学经验法用于AASHTO路面结构设计指南2002.
沥青路面的力学设计非常类似于其他土木工程的设计过程，如桥梁、楼房、水坝等。它采用力学原理分析路面与荷载间的相互作用，针对某种路面破坏类型，确定路面结构的临界状态，通过正确选择材料和层厚，设计出避免破坏的路面。永久性路面所采用的设计原则为：面层要有足够的刚度抵抗车辙，基层要有足够的厚度和柔度避免出现疲劳破坏。
3永久性路面的材料设计
永久性路面结构是按功能来设置每一个结构层，例如面层抗车辙、基层抗疲劳，这就要求材料的选择、混合料设计以及性能评价试验要有针对性地进行。混合料的刚度需要根据混合料所处的层位和功能要求(车辙或疲劳)来优化选择。然而，对于所有的结构层，混合料的耐久性是一个基本要求。
3.1沥青混合料基层
沥青混合料基层被指定用来抵抗交通荷载作用下路面结构的弯曲疲劳。大量研究指出：高沥青含量有利于防止沥青混合料的疲劳裂缝(见图2(a))。保证沥青路面疲劳寿命的另一个途径是足够的路面结构厚度，以降低路面底层拉应变的水平(见图2(b))。
图2沥青基层抗疲劳能力
基层的沥青含量应考虑现场压实度为最大密度的96％-98％。沥青等级应具有与上面层相同的高温特性以及与中间层相同的低温特性．如果这一层在施工期间开放交通，还应做材料的车辙性能评价。
3.2沥青混合料中间层
中间层或连结层必须兼顾稳定性和耐久性。这一层的稳定性可以通过粗集料间骨料的相互接触(骨架密实型级配)以及高温稳定性好的的胶结料来获得。为了获得较大的内摩阻力．形成坚实的骨架．必须采用经破碎的集料。关于集料的最大粒径，一种观点认为，应采用较大的公称最大粒径(38．1mm)；另一种观点认为，只要确保集料颗粒间的相互接触，较小的集料尺寸也能达到相同的效果。中间层采用的胶结料高温等级应该与表面层相同。低温等级可能要低一级，因为这一层的温度梯度较大，低温也不如面层严酷(见图3)。中间层混合料设计可以按标准Superpave方法确定最佳沥青用量，并应进行车辙、水敏感性等性能评价试验。
3.3沥青混合料磨耗层
对磨耗层的材料要求一般取决于当地的经验和经济条件。有些情况下，特别是城市重交通道路．由于车辙、耐久性、透水以及磨耗等方面的要求而选择SMA。马里兰州、乔治亚州和威斯康星州在重交通道路上采用SMA都取得了成功的经验。为了保证这种混合料的耐久性，一定要尽量降低混合料的现场空隙率，马里兰州的现场空隙率一般控制在6％以下。对于中低交通量的道路．一般采用Superpave密级配混合料比较合适，但需对混合料进行性能试验，而车辙试验也是必须的。对采用的胶结料，PG等级的高温部分应比工程所在地区常用胶结料至少高一个等级。低温部分的采用应保证有95％～99％的可靠度。
图3温度梯度对沥青等级的影响
4永久性路面的施工
永久性路面的施工要求更加注意从底层到上层施工的质量。在道路施工过程中，应使用现代的先进试验方法，以获得材料和施工质量的连续的信息反馈。路基必须具有足够的强度和刚度，以支撑路面的摊铺和碾压操作，因此要求路基必须压实、平整。控制道路服务期间由于膨胀土或冻胀引起的路基体积变化是必要的，这方面只有依靠当地的经验。
路基的季节性弱化也是一个值得重视的问题。为此，要注意排水，通常可以考虑设置一个中间粒料层。英国的经验是土基的最小设计模量值应为48MPa。良好的施工才能确保良好的道路使用性能。因此在沥青层施工时应该密切关注沥青过量加热、混合料离析、级配变化等问题。
5永久性路面的性能监控
为了做到对永久性路面的适时养护和维修，并保证各种形式的损坏仅发生在路面磨耗层内．应该对永久性路面结构进行性能监控。监控的内容包括向下扩展的疲劳裂缝、温度裂缝、车辙、表面磨耗等损坏现象。一旦这些损坏达到预定的水平．要考虑进行路面结构评价，以及更换路面磨耗层。
6更换路面磨耗层
更换磨耗层的内容包括：首先要洗刨掉旧的表面层已损坏的深度，将旧料粉碎后再生并重新摊铺。如果必要的话(由路面结构评价结果决定)，应调整新磨耗层的厚度。新磨耗层至少应保持与原面层相同的抗车辙、耐久性、抗温度裂缝和耐磨耗等方面的能力，为此应考虑采用任何可用的新技术。
7结语
永久性路面告诉我们这样一个概念，要针对磨坏模式区设计路面结构，这也是沥青路面设计的一个重要观念。为了提高路面结构的抗疲劳能力。可以提高基层的沥青含量或增加路面结构的总厚度，降低拉应变水平。通过选择适宜的材料和级配类型(骨架型)提高中间层的抗车辙能力和耐久性。磨耗层要求具有抗车辙、不透水、抗温度裂缝和耐磨等方面的能力，可以采用SMA或Superpave混合料来修筑。