高尚坤 ，董 伟

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东青岛 266061）

0 引言

路面的永久变形（塑性变形）是沥青路面的主要病害之一。近年来，由于车辆轴载的增大和夏季平均气温的升高，沥青路面永久变形过大出现的几率迅速增加，目前已成为沥青路面最主要的病害之一。永久变形的产生致使道路平整度急剧下降，从而影响了行车的舒适度，同时由于永久变形易造成路面排水不畅、路面积水，容易引起车辆滑移造成交通事故，因此为了保证交通安全，必须对沥青路面的永久变形进行控制。

沥青路面的永久变形主要由沥青面层的永久变形、粒料层和路基的永久变形组成，其中沥青层的永久变形约占总变形量的 70%左右，且该比例随着沥青层厚度的增加而增大，因此，控制沥青面层的永久变形是控制沥青路面永久变形的关键。本文主要从城市道路设计的角度出发探究控制沥青面层永久变形的方法。

1 沥青面层永久变形的类型及产生原因

目前，沥青面层永久变形的类型主要有车辙、拥包两种。

车辙，较易发生在实施渠化交通路段以及港湾车站，其主要表现为路面在车辆荷载作用下沿轮迹带的纵向凹陷变形，轮迹带两侧往往伴有隆起。车辙主要由两部分组成，一为压密变形，二为剪切变形，其中剪切变形占主要部分。车辙的出现与车辆通过时垂直压力过高有着最为直接的关系，是行车荷载多次重复作用下路基和路面塑性变形（压密和剪切变形）逐步积累的结果，即使路基和路面具有足够的刚度，在大量重复荷载的作用下，塑性变形也是相当可观的。在高温和大轴载、高轮压的情况下，沥青层逐步积累的塑性变形更是显著增加。

拥包，较易发生在车辆经常启动、制动的地方，如停车站、交叉口等，其主要表现为沿行车方向或横向出现局部隆起。由于沥青混合料的沥青用量偏高或细集料偏多，沥青混合料高温稳定性差，面层抗塑性变形的性能不足，当横向水平力（由汽车的牵引力、制动力、汽车转弯、侧滑以及通过横向斜坡时传递到面层上的横向荷载形成）过大时，易形成剪切位移，造成拥包。

2 城市道路沥青面层永久变形机理

由于城市道路的交通特性，决定了城市道路与公路产生永久变形的机理是完全不同的。

在城市外围的公路上，车流接近于连续流，停车相对较少，车速高，具有对面层加载时间较短的特征。疾驰而过的车辆对面层形成的加载类似于脉冲性质的冲击，汽车制动或停车等造成的长时间加载少且具有偶然性。公路沥青面层永久变形中车辙占主导因素。

城市道路往往交通繁忙，道路起伏较大，沿线交叉口多，路侧情况复杂，这些情况都会造成城市道路上车辆频繁起动、制动，车速相对较低，车辆对路面作用时间长且常伴有较大的水平横向力（紧急制动时水平横向力甚至可达到竖向荷载的75%～100%）。长时间的垂直压力及过大的横向水平力，使城市道路沥青面层较公路更容易发生永久变形。城市道路沥青面层永久变形中车辙与拥包并重，拥包占主导因素。

在城市道路体系中，由于公交车站处路面同时受到夏季高温、大轴载、长时间停靠及频繁起动、制动等因素的影响，沥青面层永久变形表现得尤为突出。

3 设计规范中对沥青面层抗变形能力的要求及计算

针对城市道路沥青面层日益严重的永久变形，《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169—2012）给出了动稳定度及沥青混合料的抗剪强度两个指标来控制沥青面层永久变形，同时要求应根据计算对特殊节点（交叉口进口道和公交停靠站）进行特殊设计。以下对动稳定度及沥青混合料的抗剪强度两个指标进行分析。

3.1 动稳定度

动稳定度定义为按规定条件进行沥青混合料车辙实验时，混合料试件变形进入稳定期后，每产生 1 mm 轮辙变形所行走的次数，以次/mm 计。动稳定度能较好地反应沥青路面在高温季节抵抗车辙的能力。

根据日本研究表明：（1）轮胎碾压次数为 20 万次时，动稳定度在 1 000 以上与不超出 1 000 时相比较，车辙量有明显差异；（2）动稳定度小于 1 000，轮胎碾压次数为 10 万次时的车辙量与动稳定度超过 1 000，轮胎碾压次数为 20 万次时的车辙几乎相等。据此规范中给出了每种交通等级下的动稳定度最小值供设计选用。

动稳定度主要来源于矿质集料颗粒间的嵌锁作用及沥青的黏结作用。实验表明，集料的嵌挤作用越好，动稳定度越大；沥青黏度越大（硬质沥青），动稳定度越大。因此，在需要高稳定度的沥青混合料时可通过调整集料级配（选用密级配粗型沥青混合料 AC-C 或沥青马蹄脂碎石 SMA），选用针入度较低的沥青或添加改性剂（SBS、抗车辙剂、天然沥青）来达到目的。

3.2 沥青混合料的抗剪强度

沥青混合料的抗剪强度为在交通荷载（竖向和水平作用力）作用下沥青层所容许的抗剪强度，其表征着沥青面层的抗变形的能力。目前沥青混合料的抗剪强度可通过沥青混合料抗剪强度实验（三轴压缩法）确定。

在具体计算时可通过以下过程控制沥青混合料：根据沥青混合料结构及累计当量轴次计算出沥青混合料结构层容许抗剪强度，根据弹性层状体系计算出单次轴载作用下沥青面层的剪应力，通过比选最终确定沥青混合料。实验表明，沥青混合料的抗剪强度来源于矿质集料颗粒间的嵌锁作用及沥青的黏结作用。其也是通过调整集料级配（选用密级配粗型沥青混合料 AC-C 或沥青马蹄脂碎石 SMA）、选用针入度较低的沥青或添加改性剂（SBS、抗车辙剂、天然沥青）来提高。

动稳定度与沥青混合料的抗剪强度两个控制指标均表征沥青面层的抗变形的能力，一个偏于经验，一个偏于理论。国内实验表明，沥青混合料的抗剪强度与沥青动稳定度之间存在良好的相关关系（相关性 R2=0.988），随着沥青混合料的抗剪强度增大，其稳定度也呈上升趋势。

3.3 模拟计算

为加强对沥青抗剪强度的理解，以下根据规范拟定计算步骤及要求，对城市道路港湾车站处沥青路面模拟计算。

假定某主干路上公交车站白天平均每分钟有1 辆公交车停靠站（停靠站共 5 趟线路，每趟线路发车间隔 5 min），每辆公交车轴载等量代换约为4.5 个标准轴载，轮轨迹分布系数为 0.7，道路纵坡为零，一般路段设计基准期内一个车道上的累计当量轴次为 1 800 万次。

港湾车站处 15 a 同一位置停车的累计当量轴次约 1 200 万次。

港湾车站：抗剪强度结构系数 Kr=0.39Np0.15/Ac=4.5。

一般路段：抗剪强度结构系数 Kr=1.2/Ac=1.2。

采用 BISAR3.0 进行计算，水平力根据汽车刹车特性加载：对于港湾车站等缓慢制动路段结合规范选用 0.2 倍轴重；对于一般路段考虑紧急制动结合规范选用 0.5 倍轴重。

港湾车站：经计算，剪应力最大处位于离路表0.1 h1、距单圆荷载中心点δ处，最大剪应力为τm=0.263 MPa，τm· Kr=0.263×4.5=1.18 MPa。

一般路段：经计算，剪应力最大处位于荷载外边缘路表距单圆荷载中心点 0.9δ处。最大剪应力为 τm=0.439 MPa。

根据以上计算分析，主干路一般路段沥青路面混合料抗剪强度在 0.6 MPa 时即可满足设计要求；港湾车站处沥青路面混合料抗剪强度在 1.2 MPa以上方可满足设计要求。目前普通密级配沥青混合料抗剪强度（60℃）一般为 0.4～0.8 MPa，因此一般路段沥青路面采用普通密级配沥青混合料即可满足抗剪的要求，而若满足港湾车站处沥青面层的使用要求，需采取措施（改用 SMA、添加抗车辙剂等）提高沥青混合料的抗剪强度。

4 具体实施存在的难点

沥青面层的永久变形理论已基本成熟，但目前在按规范中的理论进行实施时，尚存在以下问题需进一步研究解决。

4.1 设计层面

（1）目前由于设计规范中缺乏对每种材料的动稳定度指标的详细规定，设计人员不能更好地判别是否该种材料的性能能满足要求，是否需要进行改性。建议设计单位应联合沥青混合料生产单位进行道路设计，详细了解每种沥青混合料的动稳定度及抗剪强度指标。

（2）目前市面上抗车辙剂种类众多，质量参差不齐，部分抗车辙剂牺牲了沥青的低温抗裂及水稳定性。建议设计单位在进行改性剂的选择时，应从长远的角度出发，详细论证并合理取舍沥青混合料的各种指标。

（3）沥青层剪应力的计算理论尚不是特别完善，各参数取值尚不是特别明确且计算精度差，目前计算可通过壳牌石油公司的 BISSA3.0 进行粗略计算。

（4）目前沥青抗剪强度与动稳定度尚无统一的回归公式，两个指标关联性差。设计时经常出现两个指标不能相互对应或所提指标与道路交通等级不对应的现象，严重影响了沥青混合料的选择。

4.2 施工层面

（1）交叉口、港湾车站、公交专用道处单独铺装，增加了施工的工序及施工难度。建议对路口间距较小的主次干路路口及路段处，采用同一种沥青混合料，保证沥青面层摊铺的连续；对路口间距较大的可采用两种不同的面层结构，但在施工时应保证每种沥青混合料一定的施工面积及施工长度，以提高沥青的摊铺质量，减小材料的浪费。

（2）沥青路面产生了大量的接缝，接缝处容易发生水损害。施工时要进一步加强对沥青面层接缝的处理，接缝应按照高等级道路纵向接缝的处理方式处理。

（3）沥青路面不能连续摊铺碾压，这样会造成沥青路面离析，且易造成压实度不均匀，部分区域压实度下降，最终道路沥青的动稳度降低，车辙加重。施工时应加强对沥青压实的管理，摊铺后及时碾压，并根据实际对不同的面层结构采用不同的压实方案。