长寿命沥青路面结构设计关键技术研究

韩永林,曹磊

摘 要：通过分析材料刚度参数（回弹模量）的问题、强度理论与失效准则的问题、疲劳强度与疲劳破坏准则的问题，阐述了长寿命沥青路面结构的核心技术，分析表明：为了计算结构的荷载响应，需要首先选定力学理论与计算模型，确定荷载标准（荷载模型）以及与计算模型对应的材料参数，据此揭示结构在全寿命周期中的力学响应 及其演化规律。要确定结构的抗力，则需预先掌握设计标准（设计年限）、材料的强度参数、疲劳损伤的演化规律以及结构的失效准则（强度理论），并掌握材料失效与结构失效的关联性与差异性。根据山西省的实际交通提出一种长寿命沥青路面结构，以达到省内路面不发生结构性破坏，损坏只发生在表面，使路面到达损坏的时间延长，将极大的缓解道路维修所带来的巨大交通压力，这将是对我国长寿命沥青路面事业的一次大幅度的提升。

关键词：长寿命;沥青;路面结构

0 引言

目前，世界各国大多采用力学经验法进行沥青路面结构设计，其设计准则为结构的荷载响应结构抗力，其中，响应和抗力是广义的，可以是应力、应变、变形，也可以是其他物理量。所谓的力学经验法是指用力学的理论与方法计算结构的荷载响应，用经验的方法确定结构抗力。

1 研究背景和必要性

1.1 研究目的、意义

长寿命路面按照美国沥青路面联合会（APA，Asphalt Pavement Alliance）的原 始定义，是指沥青路面设计和建设后至少30～50年无结构性修复和重建，仅需针对面层损坏进行周期性修复。长寿命沥青混凝土路面是近年提出的发展趋势，但具有长期服务性能的沥青混凝土路面概念并不是全新的。国外20世纪60年代以来修建了大量全厚式沥青混凝土路面和深层高强沥青混凝土路面。调查发现，这些自20世纪60年代修建的沥青混凝土路面无结构性损坏的原因，在于基本上消除了传统的面层底部产生的疲劳损坏，路面的损坏只发生在路面的上部。美国学者Monismith先生提出了极限应变的设想，认为沥青路面厚度超过一定值，荷载产生的应变小于材料本身的极限应变，材料就不会产生疲劳破坏，因此，研究人员以此为基础提出长寿命路面的概念。我国“十四五”发展规划中，提出了坚定不移贯彻创新、协调、绿色、开放、共享新发展理念，努力提高公路事业对经济社会高质量发展的贡献率。为贯彻落实国家相关法律法规和技术政策，推进公路行业的绿色、节能发展，促进公路行业可持续发展，助力落实交通强国建设纲要，路面长寿命化将是将来发展的主要方向。

1.2 长寿命路面特点

目前国内长寿命沥青路面主要有3种结构形式：复合路面、传统的半剛性基层沥青路面以及厚沥青层路面。长寿命路面特点为：

（1）初期修建费用高，日常养护费用少，总费用效益比大。

（2）设计年限长，50年以上。

（3）损坏模式上，路面的损坏仅发生在表面层，不存在结构性破坏。

（4）在养护维修上，只需要日常养护，不需要进行结构性大修。

1.3 长寿命路面的必要性

随着我国交通事业的快速发展，无论是公路还是城市道路，都呈现出蒸蒸日上的景象，特别是我国1978年改革开放40多年的时间里，随着国家对基础设施的重视和投入的加大，道路建设从无到有，从低等级到高等级，截止到2018年我国高速公路通车里程达14万公里位居世界第一。截止到2019年，我国36个城市，城市路网总体平均密度为

5.85 km/km2，南方城市路网密度总体平均值为6. 62 km/km2，

北方的为5.07 km/km2，超过世界上各个城市的路网密度。随着经济的发展，交通量、荷载不断增长，给我国沥青路面都带来严峻的挑战。虽然我国道路里程不断创下新高，但是路面的早期破坏现象也日益突出，道路的使用寿命大大缩短。主要是由于近些年汽车数量和重型车比例急剧增加，导致道路设计中的累计标准轴载次数增加，传统沥青路面，跟不上交通发展的需求。同时道路寿命得不到保证，大维修次数增多也导致道路拥堵，造成延迟费用。获得较长的道路使用寿命一直是道路研究者所追求的。国外研究人员认为，长寿命就是只要维修及时，沥青路面是可以长时间的使用。即保证路面结构不发生结构性的破坏，破坏只发生在表面层，那么沥青路面就能获得较长的使用年限，在这种背景下长寿命道路应运而生。我国沥青路面发生破坏导致道路使用寿命大大减少，使得大量的国家资产受损。因此，延长沥青路的使用寿命，也是我国道路工作者的初衷。为此，国内很多单位针对提高沥青路面使用性能、延长使用寿命进行大量研究。虽然取得一些成果，但是沥青路面的使用寿命仍离设计寿命相差甚远，究其原因主要是我国针对地区特定的气候环境的大多凭经验进行套用，现有的道路结构层的材料性能大多没有结合实际道路情况进行研究选取，并且研究不够，加之我国气候分区都是大区域划分，每个地区都有各自的气候特点，大区域气候划分下道路参数的选取不能做到那么的精细，将其应用于大流量交通和气候各异地区的路面设计，从设计和施工来说是完全不能容许的，这使得设计和实际应用情况脱节，导致路面频繁出现破坏。虽然近些年对路面材料的性能进行改善，但沥青面层的严重水损坏和车辙仍然很常见。基于此，研究特定地区长寿命沥青路面就显得尤为重要。

1.4 研究的意义

研究的意义主要体现在以下3个方面：（1）经济方面。与常规路面相比较而言，虽然在修筑前期的投入比较大，但是后期在道路养护与重筑上投入减少。总体更加的经济。（2）可持续发展方面。表面以下的结构层可以一直使用无需更换，减少了路用材料更换的次数，从而减少路用材料资源的浪费，使之更环保和具有可持续发展理念。（3）推广、借鉴意义。进一步完善我国长寿命沥青路面事业，对推广山西省以及其他地区的长寿命沥青路面具有指导和借鉴意义。

2 长寿命路面的设计关键问题

2.1 材料刚度参数（回弹模量）的问题

由于路面材料是一种通过压实成形的多相、多组分、多尺度的混合料，其抗拉刚度与抗压刚度具有显著的差异性，导致拉、压、弯等力学试验方法得到的模量值不同，导致路面材料参数的不唯一性，以及参数选择时人为的任意性和路面结构设计结论的不确定性。

2.2 强度理论与失效准则的问题

国内外力学经验法所采用的强度理论主要有最大拉应力理论和最大拉应变理论，即认为当荷载在路面材料中所产生的最大拉应力（或最大拉应变）达到材料所能承受的极限拉应力（或极限拉应变）时材料就会破坏，从而诱发路面结构的破坏。因此，强度理论是建立材料和结构失效准则的依据。然而，最大拉应力和最大拉应变失效准则均只考虑了单向拉应力（或拉应变）的破坏效应，而实际路面结构却处于三维应力、应变状态。试验证明，三维应力状态下，应力、应变张量各分量的变化都会显著影响极限拉应力和极限拉应变。然而，到目前为止，国内外仍广泛以此作为沥青路面的设计依据。

2.3 疲劳强度与疲劳破坏准则的问题

疲劳强度是指在确定的周期性荷载作用下，材料不发生结构性破坏所能承受的最大应力水平。目前，国内外的疲劳破坏准则均只考虑了单向应力或单向应变产生的疲劳破坏效应。路面处于三维应力状态，应力张量或应变张量的各个分量都会对材料的疲劳寿命产生影响，正是这一原因导致拉、压、弯、劈不同试验方法得到的疲劳寿命不同。因此，建立三维应力状态下材料和结构的疲劳破坏准则具有颠覆性意义。此外，沥青混合料的黏弹性效应导致其强度与速度相关，所以用应力表示的疲劳方程不能反映极限拉应力破坏特征，且不同加载频率所获得的疲劳方程不同。同样地，用应变表征的疲劳不能反映极限拉应变破坏特征，破坏准则需采用刚度模量和沥青饱和度（空隙率）进行修正，这些问题均有待研究解决。

2.4 路基刚度参数（回弹模量）的问题

国内外获取路基回弹模量的方法不外乎两类：一类是现场试验，经典的方法是承载板试验，也有采用弯沉法或CBR（California Bearing Ratio）推算法的做法;另一类则是室内试验。现场试验是获得路基结构刚度参数最直接的方法，但费时费力，试验样本数少，且离散性大;室内试验方便、快捷，但得到的是标准密度、标准湿度下路基土的刚度参数，而路基内不同深度的压实标准不同，所以其干密度和含水率均有差异，很难准确反映路基结构的刚度。此外，工程建设中，施工单位为确保工程质量，大多尽可能地提高路基的压实度，导致路基回弹模量远高于设计值，变相地降低了路面的质量要求。随着使用年限的延长，在当地气候的长期作用下，大部分地区的路基湿度会逐渐增大，模量逐渐降低，从而降低了路面的承载能力和使用寿命。可见，路基的回弹模量应按照设计值控制，关键是要确保其与气候环境的一致性。

3 路面力学响应的理论预测与工程实测的差异性

3.1 力学模型进行路面结构分析

按照瀝青路面设计规范的力学模型进行路面结构分析，计算得到的力学响应和实测结果一直存在较大的差异。以弯沉为例，理论值与实测弯沉之比少则1～2倍，多则4～5倍，显然这已不是误差的问题，而是力学模型正确与否的问题，前面所提到的刚度参数问题、破坏准则问题、疲劳强度问题、路基刚度问题、设计理念问题等都是导致理论与实测差异性的直接原因。当然，一直无法科学预测沥青路面的车辙也是力学模型与模型参数方面一个长久的痛。

3.2 更新等寿命的设计理念

长期以来，国内外在进行路面疲劳寿命设计时，一直采用等寿命的设计理念，即无论是面层还是基层均按照相同的寿命进行设计。然而，实际工程中，路面的上面层直接承受车辆荷载的作用和复杂多变的气候环境作用，其受力状态恶劣，却具有维修方便的优势;而下面层和基层承受着扩散后的荷载作用，气候环境作用也已大幅衰减，但维修却极为不便。另一方面，现行设计方法没有提出有效控制路基关于环境的设计思想，导致路基刚度在全寿命周期中衰变显著，影响了路面的使用寿命。在国内现有长寿命沥青路面服役性能调查与分析上，研究长寿命沥青路面材料、结构设计参数标准，提出适应于山西省的长寿命路面典型结构，进一步研究长寿命路面施工技术，最后进行长寿命路面结构全寿命周期效益分析。

3.3 长寿命路面设计新理念

长寿命路面，是指路面设计寿命不低于40年，相对于现有的路面其日常养护要求总费用更低的路面结构。其设计基本理念是：结构设计要求考虑设计标准轴次、荷载及轮胎压力及容易维修、施工适应性等，获得40年及以上使用年限;设计年限内不是不允许发生破坏，而是确保路面破坏的形式只发生在表面层，不发生结构性的损坏，无需进行结构性的大修。长寿命路面结构工作者经过研究认为，沥青路面结构层出现结构性破坏的原因为：

（1）在重复荷载作用下，结构层疲劳开裂导致贯穿整个结构层的裂缝。

（2）在重复荷载作用下，路基顶面产生不可恢复的压应变，导致路面结构层发生永久性变形。

4 山西应用情况

山西地形较为复杂，是典型的黄土广泛覆盖的山地高原，地势东北高西南低，境内有山地、丘陵、高原、盆地、台地等多种地貌类型。山西省各地年平均气温介于4.2℃～14.2℃之间，总体分布趋势为由北向南升高，由盆地向高山降低;全省各地年降水量介于358～621毫米之间，季节分布不均，夏季6～8月降水相对集中，约占全年降水量的60%，且省内降水分布受地形影响较大。山西采取的大区域气候划分，而在气候各异的特定地区长寿命路面方面研究的空缺。改革开放40年来，我国的公路交通取得了令世界瞩目的巨大成就，不同发展阶段对应的路面设计理论与方法均功不可没。但毫无疑问，亦存在诸多有待进一步完善之处。

5 结束语

我国一般沥青道路的设计寿命为10～15年，能达到5年不发生破坏的少之甚少。跟随长寿命路面的潮流，近年来，我国无论是在理论上的深入研究，还是工程实践项目上，都取得了很大的成果。特别是在江苏、山东、河南、等多地都修铺了长寿命试验路段，路面的结构形式采用不同的类型，所以，研究基于山西省地方环境的长寿命沥青路面材料结构显的十分重要。

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