黄 振 林

(朔州路桥建设有限责任公司,山西 朔州 036000)

基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计新思想

黄 振 林

(朔州路桥建设有限责任公司,山西 朔州 036000)

基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计的现实意义，从层底拉应力指标及近表面的应力状态两方面，对沥青路面破坏源进行了探究，并提出了耐久性沥青路面的设计新思路。

沥青路面，结构层，寿命，拉应力

1 进行基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计的现实意义

到目前为止，我国在高速公路的建设方面已经达到了11万km，同时根据我国在高速公路建设方面的规划目标来看，至2020年，我国将会建设有超过15万km的高速公路。而在实际情况中，大部分的高速公路都是由沥青来铺设路面，因此沥青路面的施工质量就显得十分重要。根据我国对于沥青路面的质量标准，要求沥青路面的使用寿命为15年，而普通公路在使用寿命方面的要求为7年～15年。同时，在实际情况中，往往需要高速公路的沥青路面与基层在使用寿命方面的情况相同。因此，根据这一要求，我们可以预测在未来的一段时间内，我国每年都会有接近1万km的沥青高速公路面临着改造困难的情况。这就要求我们重视起高速公路沥青路面使用寿命的延长工作。

2 沥青路面破坏源探究

2.1 沥青面层层底拉应力指标分析

在过去的高速公路沥青路面设计思路中，往往认为沥青面层的破坏源存在于沥青路面结构层的层底，而在沥青路面使用过程中造成沥青路面结构疲劳破坏的主要原因是层底的拉应力作用。但是根据目前的研究表明，这一思路与实际情况中路面结构的受力情况存在比较大的差异。在研究中，我们利用弹性层状的相关理论来对双圆垂直均布荷载影响下的半刚性基层沥青路面结构来进行具体的应力分析中发现以下情况。首先，半刚性道路基层的模量往往比较大(在研究中我们将模量取值分为沥青道路面层1 800 MPa、基层1400 MPa、底基层700 MPa以及土基45 MPa)。其次，沥青路面面层地面产生的垂直应力与水平应力均为压应力，其中拉应力为正，压应力为负，具体情况如图1所示。

2.2 沥青面层近表面的应力状态分析

在完成对沥青路面的钻芯取样工作后，根据路面的开裂情况，我们可以推测路表面可能是沥青路面破坏源的存在位置。为了验证这一推测，我们将在单圆垂直荷载p作用下的弹性层状空间中划分出厚度为Δz的层面，那么这一层面受到的作用力状况如图2所示。根据弹性力学中的叠加原理，我们可以将图2中的模型划分为图3中于等号右边的两个力学模型的叠加。

应用经典力学中的相关原理，由位移的连续条件，我们可以解得关于图3中内圆与外环在相互作用力方面的计算为：q(r)=-μp/2。从而我们可以得到图3中第2部分的作用力公式为:

(1)

(2)

(3)

图3中第3部分的作用力情况公式为：

(4)

(5)

(6)

其中，当r=a时，公式变化为:

(7)

(8)

(9)

根据在式(3)、式(6)与式(9)中的表现，我们做出径向与切向应力的分布图，在荷载作用区域内，径向应力和切向应力均为压应力，而在作用区域之外，径向力为压应力而切向应力为拉应力。此外，最大拉应力与最大拉应变都发生在荷载作用的边缘位置。因此，根据以上分析，我们可以得出以下结论。在路面圆荷载作用区边缘的外侧，同时存在拉应力与拉应变，因此这一区域为高速公路沥青路面的破坏源所在位置。

3 耐久性沥青路面的设计新思路

3.1 耐久性沥青路面疲劳寿命设计的新理念

在目前的高速公路路面结构的疲劳寿命设计中，主要有两种常见的设计思路。一种是等寿命设计思路，就是指在设计方案中将组成沥青公路的各个部分的使用寿命都按照统一标准来进行设计。在设计预期中，当存在某一部分的结构部件出现损坏时，那么其他部分的结构部件也将接近或正处于使用寿命的末期。这一设计思路的目的主要在于要实现整体结构的同一时间报废，从而实现统一翻修统一重建。另一种设计方案是变寿命设计思路，就是指在设计方案中根据不同结构部件在重要性、修复与重建难度为重要考虑因素，将不同结构部件设计成不同的使用寿命。一般情况下，主要是按照以下原则。首先，处于内部的结构部件修复与重建难度高，在设计中使用寿命要求高，处于外部的结构部件修复与重建难度低，设计中使用寿命低。其次，较为重要性的结构部件在设计中使用寿命较高，重要性较低的结构部件则在使用寿命上要求较低。目前，我国主要使用的是等寿命的设计思路，但是这种思路在实际情况中往往存在着忽略了日常维修对于高速公路沥青路面功能与结构方面的恢复功能。因此，在事实上，我们根据沥青路面的层状结构特点，应该选择变寿命的设计思路。

3.2 重新认识沥青路面的设计使用寿命

目前，我国在进行高速公路沥青路面的设计过程中需要以《沥青路面设计规范》来作为基本的指导思想。其中对于高速公路沥青路面的底基层、基层、下面层等的使用寿命要求为15年，一级公路的设计要求与高速公路相同。因此，在设计要求中，对于高速公路与一级公路来说，当使用寿命达到15年之后，在公路结构中的不同部分的结构问题都会导致整体结构出现不稳定现象。但是在实际情况中，我国目前有许多公路已经达到了15年的使用寿命，在使用过程中虽然有部分公路经历了翻修处理，但是大部分公路都没有进行翻修，并且在使用上还处在良好状况。

同时，在实际情况中，高速公路沥青路面在使用过程中出现的损坏现象有一部分是车辙造成的，与沥青路面的疲劳开裂并无关联。在目前的高速公路使用状况中，在设计工作中按照基层与面层等寿命的要求进行设计，但是在实际情况中，往往出现的情况都是沥青路面的面层损坏而基层没有问题。这一现象的原因是由于在基层的设计中，关于参数与抗力模型方面的设计比较保守。因此，我们需要重新认识高速公路的使用寿命情况，从而更新设计思路。

3.3 路基的设计寿命

在高速公路的设计工作中，我们对于路基设计寿命的要求应当以永久性路基为设计方向。这是因为，在实际情况中，除了由于自然灾害造成的部分高速公路路基损毁现象之外，一般情况下我们并不会将高速公路的路基路面全部翻修，一方面这样需要耗费大量的人力物力，另一方面也需要耗费大量的时间，这对于我国紧张的公路运输状况是一个极大的负担。同时，也不会出现由于高速公路在预期使用寿命达到之后，将这一段公路废弃的情况。但是，在高速公路的运行过程中，由于各种外界因素的影响，路基的变形状况是不可避免的。因此，在设计过程中，我们需要对路基的变形有一定的预测，这一容许变形的量要与基层的设计寿命相一致。这样一来，就能够实现，在高速公路的基层进行翻修时，同时对路基的变形进行修复。这就要求我们在设计过程中重视路基的使用寿命，同时要与沥青工作的其他部分相统一。路基的设计是高速公路整体结构发挥功能的重要基础，在实际情况中，我们需要立足于整体结构的实际情况来做好设计工作。

4 结语

在实际情况中，高速公路沥青路面在使用过程中往往会面临着十分复杂的应力作用，往往会存在着拉力与压力的共同作用，同时这两种作用力也处于一个不断变化的过程。因此，在过去我们根据层底拉应力来作为沥青路面面层结构破坏的判断标准是不够科学的。我们应当将拉应力与拉应力的变化情况来作为高速公路沥青面层疲劳破坏的主要影响因素。此外，我们发现，应力加载的速度对于高速公路沥青路面施工中使用的沥青混合料的强度有着直接影响。因此，为了保证我国高速公路沥青路面的设计合理，我们需要根据实际情况中的车辆行驶速度来进行强度实验的加载速度。从而根据实际情况中当地地质条件、公路等级、公路标准行车速度来进行沥青公路的结构设计。

[1] 黄 慧.不同沥青路面结构反射裂缝产生与扩展影响因素分析[J].公路与汽运，2017(2)：114-117.

[2] 高 爽.大粒径沥青碎石结构路面和常规结构路面的加速加载试验分析[J].北方交通，2017(2)：52-54.

[3] 许新权.广东省高速公路典型结构沥青路面使用性能调查与分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2016(4)：689-693.

The new idea of durability asphalt pavement design based on structural layer life increasing

Huang Zhenlin

(ShuozhouRoadandBridgeConstructionLimitedLiabilityCompany,Shuozhou036000,China)

Based on the practical significance of durability asphalt pavement design of structural layer life increasing, from the bottom layer tensile stress index and near surface stress state two aspects, explored the asphalt pavement damage source, and put forward the new design method of durability asphalt pavement.

asphalt pavement, structural layer, life, tensile stress

1009-6825(2017)20-0156-02

2017-04-17

黄振林(1980- ),男,工程师

U416.217

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