1、長壽命半剛性基層瀝青路面的設(shè)計原理及方法摘要：本文論述了長壽命半剛性基層瀝青路面的設(shè)計原理及方法，指出了我國傳統(tǒng)瀝青路面設(shè)計方法存在的缺陷，簡要說明了路面結(jié)構(gòu)動載性能分析方法。認為我國完全可以利用國外的永久性瀝青路面設(shè)計原理開發(fā)自己的長壽命半剛性基層瀝青路面。關(guān)鍵詞：長壽命半剛性基層瀝青路面 路面結(jié)構(gòu) 動載性能。序言：半剛性基層瀝青路面是我國公路的主要結(jié)構(gòu)形式，要實現(xiàn)我國的長壽命半剛性基層瀝青路面，路面設(shè)計是第一位的。施工不可能超出設(shè)計的范疇，要掌握長壽命半剛性基層瀝青路面設(shè)計的核心技術(shù)。我國傳統(tǒng)的瀝青路面設(shè)計方法存在缺陷，即缺少路面結(jié)構(gòu)動載性能分析，把汽車荷載當作靜載，運用彈性層狀連續(xù)體系理

2、論進行計算，往往造成路面結(jié)構(gòu)動載性能不良，路面結(jié)構(gòu)動載性能不良的半剛性基層瀝青路面很難達到長壽命，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞。因此，我們的瀝青路面設(shè)計中的結(jié)構(gòu)層與組合設(shè)計要把汽車荷載當作動載，增加路面結(jié)構(gòu)動載性能分析這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一、路面結(jié)構(gòu)動載性能分析那么如何進行路面結(jié)構(gòu)動載性能分析呢？對路面結(jié)構(gòu)的動載性能進行分析，首先要把汽車荷載看作動載，分析汽車駛過路面時，汽車荷載在路面各結(jié)構(gòu)層的傳遞、擴散，分析路面各結(jié)構(gòu)層的結(jié)合狀態(tài)，是趨于連續(xù)狀態(tài)還是滑動狀態(tài)。下面作者淺談對路面結(jié)構(gòu)的理解，供大家參考。路面結(jié)構(gòu)實質(zhì)是一種“介質(zhì)”，把汽車動載快捷、均勻地傳遞給路基，即擴散傳遞荷載的作用；另一方面路面結(jié)構(gòu)自身承受

3、汽車荷載的壓力即承重層的作用。習(xí)慣上我們以為半剛性基層是主要承重層，半剛性底基層是次承重層，而忽略了對路基承重的理解和認識，路基是最終的“承重層”。路面結(jié)構(gòu)包括基層、底基層的承重作用是與橋梁中的梁板的承重作用有著本質(zhì)區(qū)別的，公路路面與鐵路在結(jié)構(gòu)上異曲同工。火車的載重量要比汽車大，速度也快，鐵路表現(xiàn)出了良好的使用性能，這說明鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計是很成功的。鐵路結(jié)構(gòu)很簡單，從下至上依次是路基、道碴、枕木、鐵軌。半剛性材料優(yōu)缺點再認識，要揚長避短。半剛性材料優(yōu)點是板體性好、剛度大，承載能力強，半剛性基層瀝青路面彎沉小，有時甚至接近于零（貝克曼梁法測回彈彎沉）。缺點是結(jié)構(gòu)層間滑動性大，而且不同半剛性材料間滑動

4、性更大，路面結(jié)構(gòu)動載性能不好。例如：路面設(shè)計使用年限15年的高速公路普遍采用以下結(jié)構(gòu)形式：4cm AC-13 細粒式瀝青混凝土上面層；6 cm AC-20 中粒式瀝青混凝土中面層；8 cm AC-25 粗粒式瀝青混凝土下面層；18 cm 4MPa (7d無側(cè)限抗壓強度)水泥穩(wěn)定碎石上基層；18 cm 0.8MPa (7d無側(cè)限抗壓強度)石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石下基層；18 cm 0.6MPa (7d無側(cè)限抗壓強度)二灰土底基層；路基作者認為該路面結(jié)構(gòu)形式路面結(jié)構(gòu)動載性能不良。為什么呢？汽車動載在不同材料的半剛性板間擴散傳遞不良。汽車荷載要通過四層板體即瀝青層、水泥穩(wěn)定碎石上基層、二灰碎石下基層、二灰

5、土底基層，最后傳遞、擴散到路基，汽車動載在不同性質(zhì)材料的半剛性板間傳遞性不良。上基層、下基層、底基層三層半剛性版體間滑動性大，不能形成一個連續(xù)的整體半剛性板承受荷載作用。該路面結(jié)構(gòu)易發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，首先發(fā)生疲勞損壞的層次一般是水穩(wěn)碎石上基層，實際情況也是經(jīng)常發(fā)生水穩(wěn)碎石上基層連同瀝青層損壞被洗刨，留下二灰碎石。這不是正常的瀝青路面疲勞損壞，正常的疲勞損壞是瀝青路面在預(yù)期的使用壽命期限內(nèi)，首先在底基層底部發(fā)生疲勞裂縫，緩慢向上延深到水穩(wěn)碎石上基層和瀝青層，直到整個路面結(jié)構(gòu)破壞。高中物理中動量守恒定律有象鐘擺一樣的小球碰撞實驗，兩個完全相同的小鋼球可以來回碰撞多次，動量在兩個鋼球間傳遞得很好，但如

6、果換成一個銅球和一個鋼球則碰撞不了幾次便會停下來。汽車動載在路面結(jié)構(gòu)層間擴散傳遞和小球碰撞實驗相似，而且不同種類的半剛性材料板體受壓彎曲模式不同，層間滑動性大。因此以上路面結(jié)構(gòu)動載性能不良，應(yīng)使用同種半剛性材料。作者給出以下結(jié)構(gòu)形式，供參考： 4cmAC-13 細粒式瀝青混凝土上面層； 0.2cmSBS改性瀝青上封層； 6 cmAC-20 中粒式瀝青混凝土中面層； 8 cmAC-25 粗粒式瀝青混凝土下面層； 18 cm4MPa (7d無側(cè)限抗壓強度)水泥穩(wěn)定碎石上基層； 18 cm4MPa (7d無側(cè)限抗壓強度)水泥穩(wěn)定碎石下基層； 18 cm2.5MPa (7d無側(cè)限抗壓強度)水泥穩(wěn)定碎石

7、底基層；13cm骨架弱空隙型級配碎石墊層或15cm8%石灰或4%水泥處治土墊層； 路基。該路面設(shè)計使用年限20年。 這個路面結(jié)構(gòu)動載性能好，基層、底基層由于采用同一種半剛性材料，使三層半剛性板更趨于一個連續(xù)的整體承受汽車動載作用。其路面結(jié)構(gòu)受力圖為： P 18瀝青層36水泥穩(wěn)定碎石基層18水泥穩(wěn)定碎石底基層13級配碎石墊層 路基半剛性材料直接鋪筑在土基上效果不好，半剛性材料為剛體性質(zhì)，土基為柔性材料，因此底基層下設(shè)置13cm骨架弱空隙型級配碎石墊層或15cm8%石灰或4%水泥處治土墊層是有必要的。骨架弱空隙型級配碎石指摻加少量細集料（石屑），集料內(nèi)部有少量空隙的級配碎石，這種碎石區(qū)別于懸浮密實

8、型級配碎石和骨料密實型級配碎石，骨架弱空隙型級配碎石還有待進一步實驗論證。當基層、底基層采用同種半剛性材料且上基下基層采用相同的材料時，便能克服半剛性板體間滑動狀態(tài)的缺點。對于粉煤灰資源豐富的地區(qū)，高速公路、一級公路作者給出了下面的路面結(jié)構(gòu)形式供參考：4cmAC-13細粒式瀝青混凝土上面層；0.2cmSBS改性瀝青上封層；6cmAC-20中粒式瀝青混凝土中面層；10cmATB-25密級配瀝青碎石下面層；18cm石灰加2%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石上基層（7d無側(cè)限強度2MPa）；18cm石灰加2%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石中基層（7d無側(cè)限強度2MPa）；18cm石灰加2%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石下基層（7d無側(cè)限

9、強度2MPa）；15cm18%石灰或4%水泥處治土墊層；路基。該路面設(shè)計使用年限20年其路面結(jié)構(gòu)受力圖為：P 20cm瀝青層 3*18cm石灰水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層 路基該路面基層三層采用相同的材料，即采用全厚式基層的形式。基層摻加2%的水泥以彌補石灰、粉煤灰穩(wěn)定碎石早期強度不是的缺陷。 路面結(jié)構(gòu)形式越簡單其使用性能和路面結(jié)構(gòu)的動載性能往往會更好。我國著名道路專家沈金安在其著作高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策中介紹：四川省有一各稱為“大件路”的108國道，路面結(jié)構(gòu)為4cm細粒式瀝青混凝土，5cn瀝青碎石+20-30cm二灰穩(wěn)定砂礫+30cm級配砂礫，調(diào)查時大件路南段已運營9年，北段已運營

10、10年，一個車道上的累計標準軸載作用次數(shù)除大件路南段局部段落為300萬次外，其余均已超過500萬次，最高達800萬次，已達到一級公路及高速公路的荷載水平。“大件路”的成功驗證了路面結(jié)構(gòu)動載性能良好的路面能夠達到理想的使用壽命和使用性能。“大件路”路面結(jié)構(gòu)動載性能分析：其路面結(jié)構(gòu)分為兩個部分，9cm瀝青層和20-30cm二灰穩(wěn)定砂礫共同構(gòu)成29-39cm厚的路面結(jié)構(gòu)板體，30cm級配砂礫形成柔性材料支撐層。汽車動載首先通過路面結(jié)構(gòu)板體擴散傳遞給柔性支撐層，柔性支撐層再把汽車動載均勻的擴散給路基。天然級配砂礫經(jīng)碾壓能形成堅固致密的柔性支撐層。 全厚式瀝青路面即天然的或者經(jīng)過適當處理的路基以上全部為

11、瀝青層的瀝青路面，能夠達到很長的使用壽命，有的甚至達到40年以上的使用壽命，被稱為永久性瀝青路面。沈金安專家在其著作中介紹美國愛荷華州20世紀60年代修建的洲際道路I-80上的兩段道路被APA授予2002年永久性路面獎，一條在Cedar，另一條在Johnson。Cedar路段修建于1962年，結(jié)構(gòu)為12.5cmHMA（熱拌瀝青混凝土）面層+40.6cmATB（密級配瀝青碎石），直接鋪筑到細粒土上。Cedar全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)受力圖為：P 53.1cm瀝青層 路基 全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)簡單，路面結(jié)構(gòu)動載性能良好，整個瀝青層形成一個厚路面結(jié)構(gòu)板體，下面是路基。汽車動載通過厚瀝青層板體均勻傳遞擴散到路

12、基。 與全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)相似的是使用壽命達50年以上的長壽命水泥混凝土路面，國內(nèi)外都有長壽命水泥混凝土路面的例子。我國傳統(tǒng)的水泥混凝土路面采用的是半剛性基層（水泥穩(wěn)定碎石或二灰碎石）和半剛性底基層（石灰土或二灰土或水泥土），但在使用過程中，路基發(fā)生不均勻的塑性壓縮變形，基層與水泥混凝土面板間出現(xiàn)縫隙，基層對水泥混凝土面板的支撐不再緊密，會出現(xiàn)錯臺、斷板、面板破損的現(xiàn)象。而長壽命水泥混凝土采用的是柔性基層，級配砂礫或級配碎石等，長壽命水泥路面在使用過程中，級配砂礫或級配碎石越壓越致密，強度越來越高，對水泥混凝土面板的支撐也越來越緊密，從而消除了路基不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)的不利影響。 長壽命水泥路

13、面結(jié)構(gòu)受力圖:P 水泥混凝土面板 級配砂礫、級配碎石等柔性基層 路基 路面結(jié)構(gòu)剛度遞減原則：；路面結(jié)構(gòu)中上層板（組合）的剛度要大于下層板（組合）的剛度。 河北唐山市某市區(qū)主干線采用以下路面結(jié)構(gòu)： 4cmAC-13細粒式瀝青混凝土上面層； 6 cmAC-20中粒式瀝青混凝土下面層；18cm4MPa(7d無側(cè)限抗壓強度)水泥穩(wěn)定碎石上基層；18cm2.0MPa(7d無側(cè)限抗壓強度)石灰加2%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石下基層；18cm0.8MPa(7d無側(cè)限抗壓強度)石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石底基層； 路基 E0=40MPa。該路面結(jié)構(gòu)中水泥穩(wěn)定碎石上基層為18cm厚的上層板，下基層、底基層由于材料性質(zhì)相近組成36

14、cm厚的下層板，這樣上層板的剛度會遠小于下層板的剛度。該路面結(jié)構(gòu)在使用壽命期限內(nèi)很可能會出現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石上基層先于下基層和底基層出現(xiàn)疲勞損壞的情況，這是非正常的路面結(jié)構(gòu)使用壽命期限內(nèi)的疲勞損壞。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？這原因在于汽車動載特性，汽車駛過路面，路面會產(chǎn)生彎沉盆（撓度），汽車駛過路面的過程也是彎沉盆橫向推移過程。試驗表明半剛性基層瀝青路面80%以上的彎沉（撓度）來自于路基變形。該路面結(jié)構(gòu)上層板剛度要小于下層板剛度，考慮汽車動載的橫向傳遞，上基層與下基層之間滑動性增大，上基層水泥穩(wěn)定碎石成為了最薄弱的結(jié)構(gòu)層，很可能會出現(xiàn)上基層水泥穩(wěn)定碎石最早出現(xiàn)疲勞損壞的現(xiàn)象。因此，半剛性基層瀝青路面

15、結(jié)構(gòu)上層板（組合）剛度一定要大于下層板（組合）剛度是很有必要的。 二、利用國外永久性瀝青路面設(shè)計理論，設(shè)計我國的長壽命半剛性基層瀝青路面。永久性瀝青路面是限制厚瀝青層層底彎拉應(yīng)變不應(yīng)高于65-70，路基頂面壓應(yīng)變不高于200。設(shè)計永久性路面的一個重要方面是瀝青層底彎拉應(yīng)變低于材料疲勞極限對應(yīng)的應(yīng)變臨界點。國外研究發(fā)現(xiàn)當瀝青層厚度超過一定厚度時，良好施工的路面結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生源于層底的疲勞開裂和結(jié)構(gòu)性車轍。在此基礎(chǔ)上建立了厚度設(shè)計圖，當標準軸次超過80×106次后，瀝青層厚度無需增加。這就成為一個瀝青的設(shè)計范例：增加交通量無需機械地增加瀝青層厚度。這是由于有一個彎拉應(yīng)變臨界點，當路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)變低于此值時，HMA（瀝青層）層底就不會產(chǎn)生疲勞損傷，因此繼續(xù)增加瀝青層厚度降低瀝青層底的彎拉應(yīng)變就變成多余了，這個拉應(yīng)變臨界點對應(yīng)的疲勞壽