公路工程中沥青路面的设计分析

　　摘要：随着我国经济的快速发展，交通建设事业蒸蒸日上，路面设计施工技术不断发展。沥青路面作为我国公路的主要结构类型之一，因其有着施工周期较短、便于养护、使用时行驶舒适、产生噪音小等优点，在道路交通建设中受到越来越多的青睐。但是从已建沥青路面的使用情况上来看，仍存在一些问题。本文首先对沥青路面结构设计的设计原则和方法进行介绍，并分析设计中存在的问题及解决措施，以期望给路面设计提供指导依据。

　　关键词：沥青路面;设计方法;存在问题;策略

　　1.沥青路面结构设计的一般原则

　　1.1因地制宜，合理选材。路面各结构层所用的材料，尤其是用量大的基层、垫层材料，应充分利用当地的天然材料、加工材料或工业副产品，以减少运输费用和降低工程造价。同时，还要注意吸取和应用当地路面设计选材的成功经验。

　　1.2方便施工、利于养护。选择各结构层时还应考虑机具设备和施工条件，在可能的条件下，应尽量采用机械化施工。此外，还应考虑建成通车后的养护问题。特别是对于高等级公路来说，要求平时养护工作量越少越好，以免影响大交通量的通行。所以，在设计时，应考虑使设计便于施工，利于养护。

　　1.3分期修建，逐步提高交通量是确定路面等级和路面类型的最主要的因素之一，而交通量是随时间而逐步增长的。当资金不足时，一般应按近期使用要求进行路面设计，先以满足近期需要为主。以后随着交通量的增长、车型的加重和投资的增多，再逐步提高路面等级，增加路面厚度。但在建造时，必须注意使前期工程能为后期工程奠定基础，即能为后期工程所充分利用。

　　1.4整体考虑，综合设计。在路面结构设计时，应把土基、垫层、底基层、基层和面层都看作是一个有机的整体。按照土基稳定、基层坚实、面层耐久的要求，充分发挥各结构层的作用，合理选用路面材料，确定恰当的结构层厚度，使路面的设计既能在整体上满足强度和稳定性的要求，又能做到经济、合理和耐久。

　　1.5考虑气候因素和水温状况的影响。路面结构设计要保证在自然因素和车轮荷载反复作用下，路面整体结构具有足够的水稳性、干稳性、冰冻稳定性和高温稳定性，因此对自然气候和水温状况可能给予路面的影响要予以充分的重视。

　　2. 沥青路面的主要设计方法

　　2.1 经验法。经验法是对以往设计投入使用的道路进行实验分析，建立路面结构、荷载、路面性能之间的关系，进行类似的设计。著名的相关经验设计方法有CBR法和AASHTO法。CBR法以CBR值作为性能指标，通过对路面的调查测定，建立CBR值-轮载-结构层厚度之间的经验关系曲线。路面总厚度可以通过CBR值和轮载来确定，而各层次的结构厚度可以通过路面材料的CBR值进行当量换算，不同的轮载按照等弯沉的换算原则进行设计轮载的确定。

　　AASHTO法是在试验路上进行数据的观测，建立起路面结构-轴载-使用性能的经验曲线关系，路基土的性质用回弹模量表示、路面结构层按照各层结构材料性质进行转换，用结构数SN表示。该方法以现时服务能力指数PSI作为性能指标，它的确定是根据路面的实时调查情况，通过建立平整度、裂缝、车辙、修补之间的经验关系式来确定。

　　2.2 力学法。力学设计方法是基于经验的设计方法，它是将力学参数与路面性能在一定的荷载和环境下建立模型关系，即将应力应变位移与路面性能建立经验关系曲线，然后按照要求进行路面结构的设计，著名的主要有AI法和SHELL法。

　　力学经验法的框架是在第一届沥青路面结构设计国际会议上由壳牌公司的专家提出，经过逐步的完善形成多种不同的设计方法。该方法是以弹性层状体系 (三层 )代表路面结构，计算分析圆形均布轮载作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值，以沥青面层的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久变形作为沥青路面的主要损坏模式，选用面层底面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标。

　　2.3 我国现行设计方法。根据我国标准规范—《公路沥青路面设计规范》，沥青路面的结构设计方法如下：(1)理论基础。我国沥青路面设计是以壳牌石油公司SHELL提出的理论方法为基础，该方法是将路面视为多层弹性体，用杨氏弹性模量和泊松比来表示面层材料与土基，材料性质以均质各向同性为假定，同时各层水平方向取无穷大，土基以下的深度无限。荷载取值采用BZZ-100即双轮组单轴载100kN为标准值，单轮传压面当量圆直径d为21.3cm，两轮中心距为1.5d，各层材料之间的假定接触条件为弹性、完全连续接触。(2)设计指标。设计指标是以弯沉值为控制指标，弯拉应力进行验算校核。整体强度的设计控制指标用路表容许弯沉值来设计，确定设计弯沉指标。对于高速公路、一二级公路、沥青面层等必须进行层底的抗拉验算，沥青混合面料层的城市道路还需进行抗剪验算。(3)参数的选取和确定。计算分析中的标准轴载采用上述理论基础中的BZZ-100为标准值，换算公式采用林绣贤《轴载换算公式的研究》成果中表述的以轴载比表达的公式进行轴载换算，该公式的提出是以弯沉等效和底层拉应力等效为基本原则，以多层弹性理论为基础，分析轴载和弯沉、拉应力之间的关系，并结合实际的实测情况(弯沉、疲劳试验、直槽测试等)进行对比、验证而提出的。表征材料刚度和强度的指标分别是材料模量和抗拉应力，弯沉值、拉应力指标均用静态抗压回弹模量计算，抗拉强度由圆柱的劈裂试验确定，静态抗压回弹模量通过抗拉强度来确定。

　　3.沥青路面设计中存在的问题和相应的改进策略

　　3.1疲劳开裂。路面材料在出现疲劳开裂前所能承受的荷载重复作用次数，称为疲劳寿命。疲劳寿命的大小，除了同组成材料的特性有关外，主要取决于路面所受到的重复应变(或应力)级位的大小。路面设计年限内不同荷载和温度条件下的疲劳损耗可采用Miner(线性累加)假设予以总和。因而，根据预定设计年限内的荷载和温度条件以及材料的疲劳方程，可以分析设计年限末路面结构的累计疲劳损耗，以此判断路面是否会出现疲劳开裂。或者可以利用等效疲劳损耗的概念，将不同轴载和不同温度条件下的疲劳损耗，换算成标准轴载和当量疲劳温度的等效损耗。以疲劳开裂作为临界状态的设计，采用沥青层底面的拉应变(或拉应力)作为指标，以最大拉应变不大于该层材料的容许拉应变作为设计标准。

　　3.2车辙。车辙是各结构层塑性变形累积的总和。半刚性基层沥青路面车辙主要产生在面层。车辙深度同材料特性、环境温度、重复应力的大小、荷载作用次数和路基路面结构层的刚度大小有关。车辙的出现，使路面平整度变差，从而影响行车质量和安全，同时也会促使路面开裂。根据使用要求所容许的车辙深度和预期使用年限内的荷载重复作用次数，可以限定一次荷载作用下所容许出现的塑性变形量。以车辙作为临界状态的设计方法，是以荷载作用下路基路面结构层内塑性应变的总和不大于容许塑性变形量作为设计标准，有些设计方法，采用路基顶面的竖向压缩应变作为设计指标，以控制路面车辙深度。根据路基顶面的竖向应变同其塑性变形和路面车辙深度之间的经验关系，提出路基顶面的容许压缩应变值。

　　3.3 路面回弹弯沉。路面在一次荷载作用下的回弹弯沉值反映了路基路面结构的整体刚度。许多试验观测资料表明，它与路面的使用状态(开裂和塑性变形量)之间存在一定的内在关系。根据路面使用状态和设计年限的要求，可以确定一次荷载作用下路面的容许弯沉值，路面以回弹弯沉为设计指标的方法，是以荷载作用下的路面回弹弯沉量作为设计标准。

　　3.4面层剪切。在垂直和水平荷载(如制动时)的共同作用下，面层结构中的最大剪应力不大于特定环境下(主要是温度)材料的抗剪强度。

　　3.5面层断裂。路面受到紧急制动所产生的水平力作用时，面层将受到很大的径向拉应力和水平向位移，从而使面层断裂并产生推移。由此，可提出一项设计指标——径向拉应力不大于面层材料的抗拉强度。

　　3.6低温缩裂。这是一项同荷载因素无关的设计指标。低温时，面层材料因收缩受阻而产生的温度应力不大于该温度时材料的抗拉强度。

　　4.结语

　　沥青路面设计是一项复杂的过程，为了确保沥青路面设计质量，杜绝后续引发相关问题的产生，就必须做到各项程序选择层层把关，严格控制。需要设计者通过不断的总结设计经验来完善设计、指导施工。