谷志軍

（河北省唐山市豐潤(rùn)區(qū)交通運(yùn)輸局 唐山 064000）

半剛性基層瀝青路面是我國(guó)公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式，要實(shí)現(xiàn)我國(guó)的長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面，路面設(shè)計(jì)是第一位的，因此，必須掌握長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。

我國(guó)傳統(tǒng)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法存在缺陷，即缺少路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能分析，把汽車(chē)荷載當(dāng)作靜載，運(yùn)用彈性層狀連續(xù)體系理論進(jìn)行計(jì)算，往往造成路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能不良，這樣的半剛性基層瀝青路面很難達(dá)到長(zhǎng)壽命，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞。因此，在瀝青路面設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)層與組合設(shè)計(jì)要把汽車(chē)荷載當(dāng)作動(dòng)載，增加路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能分析這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能分析

對(duì)路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)載性能進(jìn)行分析，首先要把汽車(chē)荷載看作動(dòng)載，分析汽車(chē)駛過(guò)路面時(shí)，汽車(chē)荷載在路面各結(jié)構(gòu)層的傳遞、擴(kuò)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(dòng)狀態(tài)；路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能分析不采用彈性層狀連續(xù)體系理論，忽略路面結(jié)構(gòu)體的豎向壓縮變形，把路面結(jié)構(gòu)體當(dāng)作柔性剛體（試驗(yàn)證明半剛性基層瀝青路面80%以上的彎沉（撓度）來(lái)自于路基變形）。

（1）路面結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是一種“介質(zhì)”，一方面承受結(jié)構(gòu)自身及汽車(chē)荷載的壓力，另一方面把汽車(chē)動(dòng)載快捷、均勻地傳遞給路基，即擴(kuò)散傳遞荷載的作用；習(xí)慣上認(rèn)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(duì)路基承重的理解和認(rèn)識(shí)，路基是最終的“承重層”。路面結(jié)構(gòu)中的基層、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(chē)的載重量要比汽車(chē)大，速度也快，鐵路表現(xiàn)出了良好的使用性能，這說(shuō)明鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很成功的。鐵路結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，從下至上依次是路基、道碴、枕木、鐵軌，這也給公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。

（2）半剛性材料優(yōu)缺點(diǎn)再認(rèn)識(shí)，要揚(yáng)長(zhǎng)避短。半剛性材料優(yōu)點(diǎn)是板體性好、剛度大，承載能力強(qiáng)，半剛性基層瀝青路面彎沉小，有時(shí)甚至接近于0（貝克曼梁法測(cè)回彈彎沉）。半剛性材料能有效地提高路面的剛度和承載能力。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)層間滑動(dòng)性大，而且不同半剛性材料間滑動(dòng)性更大，路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能不好。例如，河北高速公路普遍采用以下結(jié)構(gòu)形式：

4 c m AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土上面層；

0.2 c m SBS改性瀝青上封層；

6 c m AC-20中粒式瀝青混凝土中面層；

8 c m AC-25粗粒式瀝青混凝土下面層；

18 c m 4 MPa（7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度）水泥穩(wěn)定碎石上基層；

18 c m 0.8 MPa（7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度）石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石下基層；

18 c m 0.6 MPa（7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度）二灰土底基層；

路基。

該路面設(shè)計(jì)使用年限為15年。

筆者認(rèn)為該路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能不良。汽車(chē)荷載要通過(guò)4層板體即瀝青層、水泥穩(wěn)定碎石上基層、二灰碎石下基層、二灰土底基層，最后傳遞、擴(kuò)散到路基。上基層、下基層、底基層3層半剛性板體間滑動(dòng)性大，不能形成一個(gè)連續(xù)的整體半剛性板來(lái)承受荷載。汽車(chē)動(dòng)載在不同材料的半剛性板間擴(kuò)散傳遞不良，會(huì)使該路面結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。首先疲勞損壞的層次是水穩(wěn)碎石上基層，上基層和瀝青層被銑刨，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(gè)路面結(jié)構(gòu)破壞。

2 路面結(jié)構(gòu)形式新設(shè)想

（1）采用水穩(wěn)碎石半剛性材料作基層路面結(jié)構(gòu)設(shè)想［1］。結(jié)構(gòu)形式如下：

4 c m AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土上面層；

0.2 c m SBS改性瀝青上封層；

6 c m AC-20中粒式瀝青混凝土中面層；

8 c m AC-25粗粒式瀝青混凝土下面層；

18 c m 4 MPa（7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度）水泥穩(wěn)定碎石上基層；

18 c m 4 MPa（7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度）水泥穩(wěn)定碎石下基層；

18 c m 2.5 MPa（7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度）水泥穩(wěn)定碎石底基層；

15 c m骨架弱空隙型級(jí)配碎石墊層；

路基。

這個(gè)路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能好，基層、底基層由于采用同一種半剛性材料，使3層半剛性板更趨于一個(gè)連續(xù)的整體承受汽車(chē)動(dòng)載作用。其路面結(jié)構(gòu)受力見(jiàn)圖1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)受力圖

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15 c m骨架弱空隙型級(jí)配碎石墊層是有必要的，另一方面這也是借鑒了鐵路道碴的設(shè)置，它使整個(gè)路面結(jié)構(gòu)更有彈性，路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能更好。骨架弱空隙型級(jí)配碎石指摻加少量細(xì)集料（石屑），尤其要嚴(yán)格控制0.075 mm以下顆粒含量，集料內(nèi)部有少量空隙的級(jí)配碎石，骨架弱空隙型級(jí)配碎石是介于骨架密實(shí)型級(jí)配碎石與骨架空隙型級(jí)配碎石之間的一種級(jí)配碎石，作者認(rèn)為天然級(jí)配砂礫就屬于骨架弱空隙型結(jié)構(gòu)。骨架密實(shí)型級(jí)配碎石和懸浮密實(shí)型級(jí)配碎石都具有“土”的性質(zhì)，傳遞擴(kuò)散汽車(chē)動(dòng)載的能力差；而骨架弱空隙型級(jí)配碎石則能克服前二者的缺點(diǎn)，又具有足夠的穩(wěn)定性。在路面結(jié)構(gòu)底部設(shè)置15～30 c m厚的骨架弱空隙型級(jí)配碎石墊層的目的和作用就是使路面結(jié)構(gòu)更快捷均勻地把汽車(chē)動(dòng)載擴(kuò)散傳遞給路基，使路面結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)載性能。當(dāng)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(shí)，便能克服半剛性板體間滑動(dòng)狀態(tài)的缺點(diǎn)。骨架弱空隙型級(jí)配碎石還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證。

（2）采用二灰碎石半剛性材料作基層路面結(jié)構(gòu)設(shè)想。對(duì)于粉煤灰資源豐富的地區(qū)，高速公路、一級(jí)公路的路面結(jié)構(gòu)形式如下：

4 c m AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土上面層；

0.2 c m SBS改性瀝青上封層；

6 c mAC-20中粒式瀝青混凝土中面層；

10 c mATB-25密級(jí)配瀝青碎石下面層；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石上基層（7 d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度2 MPa）；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石中基層（7 d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度2 MPa）；

18 c m石灰加2%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石下基層（7 d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度2 MPa）；

15 c m骨架弱空隙型級(jí)配碎石墊層。

路基。

其受力為從面層傳遞到基層，再傳遞到墊層，最后傳遞到路基。

該路面基層3層采用相同的材料，即采用全厚式基層的形式?；鶎訐郊?%的水泥以彌補(bǔ)石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度不足的缺陷。

（3）路面結(jié)構(gòu)形式越簡(jiǎn)單其使用性能和路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)載性能往往會(huì)更好。我國(guó)著名道路專(zhuān)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(duì)策》中介紹：美國(guó)愛(ài)荷華州20世紀(jì)60年代修建的洲際道路I-80上的2段道路被APA授予2002年永久性路面獎(jiǎng)，1條在Cedar，另一條在Johnson。Cedar路段修建于1962年，結(jié)構(gòu)為12.5 c mH MA（熱拌瀝青混凝土）面層＋40.6 c mATB（密級(jí)配瀝青碎石），直接鋪筑到細(xì)粒土上。Cedar全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，路面結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能良好，整個(gè)瀝青層形成一個(gè)厚路面結(jié)構(gòu)板體，下面是路基。汽車(chē)動(dòng)載通過(guò)厚瀝青層板體均勻傳遞擴(kuò)散到路基。

3 利用國(guó)外永久性瀝青路面設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)我國(guó)的長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面

國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青層厚度超過(guò)一定厚度時(shí)，良好施工的路面結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生源于層底的疲勞開(kāi)裂和結(jié)構(gòu)性車(chē)轍。在此基礎(chǔ)上建立了厚度設(shè)計(jì)圖，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)軸次超過(guò)80×106次后，瀝青層厚度無(wú)需增加。這就成為一個(gè)新的設(shè)計(jì)范例：增加交通量無(wú)需機(jī)械地增加瀝青層厚度。這是由于有一個(gè)彎拉應(yīng)變臨界點(diǎn)，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)變低于此值時(shí)，H MA（瀝青層）層底就不會(huì)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(gè)拉應(yīng)變臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命就是疲勞極限［2－3］。

雖然半剛性材料和H MA瀝青混凝土在材料性質(zhì)上存在很大差別，但和H MA瀝青混凝土一樣，半剛性材料也必然存在著彎拉應(yīng)變（或應(yīng)力）臨界點(diǎn)，當(dāng)半剛性材料底部受到的彎拉應(yīng)變（或應(yīng)力）低于半剛性材料的彎拉應(yīng)變（或應(yīng)力）臨界點(diǎn)，半剛性材料的底部就不會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。我們完全可以利用國(guó)外永久性瀝青路面的設(shè)計(jì)原理開(kāi)發(fā)我國(guó)的長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面，使我國(guó)的瀝青路面達(dá)到20年甚至更長(zhǎng)的使用壽命。

以下為筆者的長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面的設(shè)計(jì)思路：當(dāng)半剛性基層瀝青路面具有合理的結(jié)構(gòu)層組合和良好的動(dòng)載性能的時(shí)候，當(dāng)路面總厚度達(dá)到一定厚度時(shí)，“厚度”會(huì)有效地降低半剛性板底部的拉應(yīng)力；當(dāng)半剛性板底部受到的拉應(yīng)力小于半剛性材料的彎拉應(yīng)力臨界點(diǎn)時(shí)，半剛性材料底部就不會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。需要特別指出的是半剛性基層瀝青路面需要以該道路的重載車(chē)輛作為驗(yàn)算荷載，使重載車(chē)輛下各結(jié)構(gòu)層底部的拉應(yīng)力小于容許值。如果把整個(gè)半剛性基層瀝青路面看作一塊柔性剛體板，其受力從路面體傳到骨架空隙型級(jí)配碎石墊層再傳遞到路基。

骨架弱空隙型級(jí)配碎石墊層起到類(lèi)似鐵路道碴的作用。從能量傳遞的角度講，級(jí)配碎石墊層的設(shè)置是為了把汽車(chē)動(dòng)載產(chǎn)生的能量最大限度地傳遞給路基。反過(guò)來(lái)骨架弱空隙型級(jí)配碎石墊層對(duì)半剛性板體的支撐更加穩(wěn)固、均勻和緊密。

汽車(chē)駛過(guò)路面的時(shí)間為0.1～0.01 s，汽車(chē)荷載是瞬時(shí)荷載，也是一種“振動(dòng)荷載”，與骨架密實(shí)型級(jí)配碎石和懸浮密實(shí)型級(jí)配碎石相比，骨架弱空隙型級(jí)配碎石做墊層鋪筑在半剛性板體下面更適合于汽車(chē)的“振動(dòng)荷載”。骨架弱空隙型級(jí)配碎石墊層能夠與汽車(chē)的“振動(dòng)荷載”達(dá)到一種“耦合”。

4 長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)模型

長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2 長(zhǎng)壽命半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)模型圖

5 結(jié)語(yǔ)

半剛性材料在我國(guó)道路上應(yīng)用已經(jīng)有50多年的歷史，由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、歷史和我國(guó)的實(shí)際情況，半剛性基層瀝青路面在以后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里仍將是我國(guó)公路的主要結(jié)構(gòu)形式。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，我國(guó)的瀝青路面應(yīng)該有所突破和創(chuàng)新，也許有一天半剛性基層瀝青路面能夠使用20～30年。

［1］ 唐云偉，陸永軍，李明澤.瀝青路面裂縫產(chǎn)生的原因及防治措施［J］.交通科技，2006（4）：41-43.

［2］ 沈金安，李福普，陳 景.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對(duì)策［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 李美玲，冉 晉，任瑞波，等.基于F WD的瀝青路面結(jié)構(gòu)單層模量反算研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2011（2）：365-369.