公路路面设计

　　摘 要：路面结构、材料、环境与经济因素一体化并以性能为中心的基础上，实现路面结构性使用性能和功能性使用性能的统一。
　　关键词：路面； 性能； 结构设计
　　Abstract： The integration of the pavement structure， materials， environmental and economic factors on the basis of performance-centric pavement structural performance and functional performance of the unified.
　　Key words： road； performance； structural design
　　1.前言
　　随着我国国民经济的快速发展，我国公路建设事业也取得了长足的进步，特别是近十几年来，我国的高等级公路建设有了突飞猛进的发展，其中90%左右的路面铺筑采用的是沥青混凝土。平交道路口路面有其的特殊的工作环境和使用性能要求，然而相对一般路段来讲，对平交道口路面结构和材料研究比较薄弱，当前平交道路口路面结构和材料直接套用路面设计，忽略平交道口路面独特的工作环境与使用性能要求，平交道口路面的损坏具有各种类型和各种形态。一般而言，平交道口的路面损坏包括车辙、开裂（疲劳开裂、低温开裂和反射裂缝）、沥青表面脱落以及目前出现的一些新的损坏类型，过多的路面损坏意味着路面寿命的终结；限制、延迟这些损坏的发生和发展是路面设计的主要任务。
　　目前，沥青路面的设计方法有许多种，但是不管哪种方法，都存在着一个问题，那就是路面的结构设计与材料设计不协调。路面结构设计的目的在于估算实际使用时的路面应力、应变、弯沉；沥青混合料组成设计的目的是为了得到各方面性能都比较优良的混合料以满足需要。尽管有些混合料当生产的环境不同时其性能会有很大差异，但是不管怎样，沥青混凝土混合料设计和路面结构设计，总是分别进行的，二者还没有结合成一个整体。另外，在进行沥青路面的设计时，未能考虑材料的性能对疲劳和长期变形抵抗能力的影响，对不同沥青材料采用的疲劳或永久变形方程是相同的。虽然国际上对材料疲劳和变形性能的研究一直是一个十分重要的研究领域，也取得了许多研究成果，但由于设计框架的限制而一直未能纳入设计方法中，材料设计与结构设计一直处于相分离的＂双轨＂状态，这是一个很大的缺陷。结构设计方法中仅考虑了材料特性对力学参数的影响，未考虑不同材料对路面使用性能的影响。但是实际上，正如Monismith等人论述的那样，某些特殊沥青混合料的使用性能与实际结构状况有很大关系，混合料的应力状态与结构层所处位置有关，并受其上、下面层材料的强度及交通轴载的特点影响，因此，混合料设计与结构设计应相互联系。完整的路面设计应是路面结构设计与材料设计的统一体：材料设计的结果应能体现结构组合所能达到的性能水平，而结构设计也应能考虑到材料组成的基本要求。二者应能充分体现对使用性能的要求，结构设计主要反映结构性能（结构损坏和结构承载力），而材料设计则主要体现功能性能（耐久、平整、抗滑、美观等）；结构设计是材料设计的基础和前提，而材料设计是结构设计的保障和体现。结构设计与材料设计的和谐统一，就能达到使用性能的最佳效果。
　　沥青路面材料设计与结构设计相结合，目的在于改善沥青路面的结构性使用性能以及功能性使用性能，使设计出的路面结构和材料相对于使用性能而言是相容的、统一的，最终在两方面都达到优化。
　　兼顾沥青混凝土路面的功能性与结构性，实现结构与材料一体化设计，可使沥青混凝土路面在建设造价基本不变的前提下，使用寿命明显提高，并可保证良好的功能性使用性能，其经济效益和社会效益是十分显著的。
　　2.国内外的研究现状
　　目前，沥青路面损坏现象严重。根据规范规定，高速公路、一级公路的设计使用年限为15年，二级公路的设计使用年限为12年。但是实际上，许多沥青路面在使用1、2年后便出现大规模的破坏。从现有沥青路面结构早期损坏情况看，不可否认，在沥青路面结构设计方面存在一定的不合理性。尽管沥青路面破坏的现象和特征不尽相同，但对于水损坏、车辙、开裂等与路面结构设计密切相关的早期损坏是普遍存在的。要解决沥青路面结构性损坏，提高路面长期使用性能和使用寿命，就应该从使路面结构设计与材料设计相互统一，优化结构组合设计，合理利用路面材料性能等方面着手。通过以路面寿命周期内费用最低为目标，路面使用性能为约束条件进行优化，最终确定合理的路面结构方案。
　　国内研究发现，沥青混凝土下面层在结构设计上要求具有良好的抗疲劳和抗车辙性能，但传统的粗粒式混凝土下面层的抗疲劳性能较差，有待于进一步改进。沥青混凝土上面层在结构设计上要求具有良好的抗低温缩裂、抗高温车辙、抗水损害和抗老化性能，同时应满足平整度、构造深度、摩擦系数和滚动噪音等功能性方面的要求。我国以往经常采用抗滑表层作为上面层，但其耐久性较差，容易出现早期损坏。国际上认为多孔隙排水沥青混凝土（OGFC）与沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）是两种最有发展前景的沥青混凝土上面层。在美国和日本发展的多孔隙排水沥青混凝土（OGFC）在耐久性和空隙堵塞两个方面仍存在缺点，目前正在研究改性沥青和清洗技术以克服其缺点。德国提出的沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）虽采用骨架密实型级配，但这种混合料的设计方法是否真正适用于我国的地域条件，尚有待于大量验证。
　　国外的May.R.W.W（美地沥青协会，肯塔基州）和Witczak（马里兰大学土木工程系）曾经作过柔性路面材料设计和结构设计一体化的研究，但资料不祥，并不适合中国的情况。美国SHRP计划提出的SUPERPAVE优质路面设计方法，虽然考虑了沥青路面的路用性能进行材料设计，并且试图将结构设计与材料设计结合起来，但SUPERPAVE混合料的车辙模型和疲劳开裂模型仍需改进和修订，因此其材料设计方法仍不十分完善，目前在美国也仅有20多个州正在试用，在我国对此研究的应用刚起步。
　　3.结构设计理念
　　路面早期损坏的原因是多方面的，有材料原因，有施工原因，也有管理方面的原因。一般认为施工引起的原因（如路面厚度不够，压实度不够等）是主要的，因为总可以找到一些施工方面的原因。为什么我们从材料、施工和管理各方面都十分认真，严格按规范要求去做，路面还会发生损坏？美国在二十世纪80年代按规范修筑的路面也发生了许多早期损坏，如车辙、剥落等等，这就是美国为什么会开展美国公路战略研究计划的原因他就是说要从传统的经验规范向性能规范发展。我们应认真学习美国的经验教训，少走弯路。
　　对沥青路面从结构性使用性能和功能性使用性能两方面进行分析。对于结构性使用性能，主要从疲劳、高温车辙、低温开裂三方面考虑，分析了影响沥青混合料的高低温性和疲劳特性的因素。对于功能性使用性能，分析了影响路面平整度以及抗滑性能的因素。沥青路面结构层厚度与沥青混合料类型应相匹配，还常路面结构层厚度应是集料最大公称尺寸的3倍以上。
　　对面层、基层厚度以及上、下面层的分层厚度从路面受力状态以及所选材料类型两方面进行分析。对于面层厚度主要考虑面层、基层之间的层间剪应力和经济性问题；而在面层结构分层时，要从层间剪应力和面层厚度与所选用面层材料的最大工程粒径的匹配性两方面考虑；对于基层厚度来说，从力学角度分析不小于15cm。
　　按照各结构层的层位要求合理选用沥青混合料，对于上面层抗滑密水的需要，沥青混合料设计采用紧排骨架-密实原则的组成结构；对于下面层易出现车辙变形的特点，适当增加粗集料用量，使其既满足密水又满足抗车辙的要求。
　　在进行基层混合料设计时，充分发挥粗集料的嵌挤作用，在形成一种理想的骨架以抵抗收缩裂缝的同时，填充骨架空隙的结合料所形成的适当粘结力与骨架的嵌挤力，共同形成高强度的力学性质。
　　世界沥青路面技术日新月异，新材料、新结构、新概念、不断涌现，特别是美国公路战略研究计划（SHRP）的研究成果-Sperpave技术更应引起我们的重视，并认真总结我们的经验教训，将我国沥青路面质量提高到一个新水平。
　　参考文献
　　[1] 公路沥青路面施工技术规范.（JTGF40-2004）.人民交通出版社，2005