沥青路面结构设计方法综述

沥青路面结构设计方法综述

作者：胡杰 黄锐

来源：《建筑工程技术与设计》2015年第14期

摘要：我国的沥青路面在使用实践中所暴露的大量问题，使我们不得不对现有的路面设计理论、设计方法及设计指标进行反思。实际上，目前大量出现的路面早期损坏是现行理论和规范所难以做出更深解释的。文章探讨了沥青路面的结构设计方法。分析了国外沥青路面的设计方法。

关键词：沥青路面；结构；设计方法

设计方法基于力学分析的范围和所考虑的主要受力方式，低估了路面结构的复杂性。对于不同的路面结构，对其使用性能变化规律的认识不够清楚，更缺少定量的研究。因此，必须用发展的眼光对重交通路面的损坏原因、机理重新进行认识，及时掌握新条件下的新变化，通过路面的合理化设计来控制路面的主要破坏型式，从而真正达到路面设计的目的。 一、现有设计方法的缺陷 1、路表弯沉指标的不足

弯沉指标同路面结构主要破坏型式没有必然关系，该指标控制的目标不明确。重载交通时代路面结构繁多，经验性的路表弯沉指标无法反映路面结构各层次的破坏特征。路表弯沉主要来源于土基的变形，且受气候环境条件影响颇大，尤其是路面结构内部的干湿状况，若用该指标来对不同路面结构的强度进行评定显得缺乏说服力。路表弯沉指标显然已经无法适应当今重载交通时代路面设计的要求，寻求新的沥青路面设计控制指标是摆在我国道路工作者面前的一项艰巨任务。

2、结构设计与材料设计相分离

我国沥青路面的结构设计与路面材料设计是相脱离的，未曾考虑材料性能对疲劳和长期变形抵抗能力的影响，设计方法仅考虑了材料特性对力学参数的影响，但未考虑不同材料对路面使用性能的影响。路面材料试验仅仅着眼于材料本身的性能，缺少对路面结构的考虑。对路面力学的理解过于简单，路面材料性能评价指标与其实际路用性能之间的对应关系不明确，试验的结果不能很好反映材料的路用性能。结构设计阶段采用的材料设计参数指标与实际施工时路面材料配合比设计、质量检测指标不一致。 3、环境因素考虑比较少

沥青路面是个开放性的系统，路面使用性能的衰减与外部荷载、温度、降水、空气、阳光等的作用有关，外部环境对系统的作用不能看成是简单的干扰、摄动，而是系统自身特性的有

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机构成成分。大部分的路面设计方法都只考虑了温度的影响，而忽略了同样重要甚至更为重要的湿度或水的影响。这是因为研究温度容易实现标准试验条件并在目前试验框架中引入温度参数，而考虑水、湿度的作用则给试验及设计增加了复杂性而难以克服。 二、基于性能的沥青路面设计

随着研究者对沥青路面认识的不断深入，即基于性能的路面设计方法。路面性能是一个覆盖面很宽的技术范畴，泛指路面的各种技术行为。路面设计目标不再是单一的力学指标，研究者更多地关注路面的综合性能，即路面性能，包含路面行驶质量、损坏状况、结构的力学反应、行驶安全性以及路面材料的疲劳、变形、开裂、老化特性等各方面。基于性能的路面设计方法是一个巨大的进步，是研究者对客体的认识不断深入的体现，是从简单到复杂，从局部到整体，从静止到运动，从研究事物的内部组成性能到研究事物与周边环境之间的联系和关系的过程。但是基于性能的路面设计方法目前还是非常不完善的，虽然设计思想是基于性能的思想，但设计过程仍然是类似于力学法。判断路面质量的最终依据是路面的使用性能，自从美国提出SHRP计划以来，按照使用性能分析和设计路面结构已经成为趋势，我国的路面设计方法改进也应遵循这一趋势。 三、永久性路面设计的思想 1、路面结构的寿命匹配

永久性路面的设计思想与一般的路面设计不同。一般路面的结构设计寿命是追求等寿命的，即路面面层破坏时路面基层也达到了其设计寿命。这一设计思想来源于工业产品的设计，工业产品的每个部件都有相同的设计寿命，可以降低非控制因素的性能从而减少浪费。但是永久性沥青路面的各结构层设计寿命是不同的，路面最底层在整个设计周期是不发生或较少发生破坏的，结构层越往上，设计寿命越短，允许表面层进行阶段性养护维修。 2、结构和材料功能相匹配的设计

根据路面的结构功能和受力特点，表面层主要提供路面的表面功能，即抗滑、耐磨等，可采用4cm—8cm的OGFC、SMA等高性能沥青混合料。在其下10cm—15cm为高压区，选用高模量抗车辙材料。再往下，基层顶面为最大拉应力区，采用柔性抗疲劳材料。 四、我国沥青路面结构设计方法分析 1、设计理论和方法

我国的沥青路面结构设计理论，假设路面结构的各层材料均具有线弹性性质，但路面材料仅在应力或应变，较小时才呈现出弹性性质，而当应力或应变较大时材料的非线性特性表现得较为明显。所以这一假设并不完全符合路面材料工作时的实际情况。设计方法在一定程度上考虑了路面材料的非线性特征。选用了回弹模量作为路面结构承载力参数，从回弹模量的瞬间和

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可恢复角度反映了路面材料的弹性性质，由此用弹性理论表达路面在荷载作用下的回弹变形。在确定土基回弹模量的过程中，采用了对每一级荷载经过多次循环加载，取得稳定的回弹弯沉值后，再进行下一步加载的方法，由此可得到比较稳定的荷载，弯沉曲线。在选取路基回弹模量时，参考了路基实际所受的压力大小范围。由此而选定的模量大致可反·映路基土在车辆实际作用之下的应力应变关系。但由于土基的模量随应力大小和深度而变化，土基中各点的模量并不相同，用上述方法确定的回弹模量只是一个代表值，表征了土基抵抗变形的整体能力，而不能代表土基中各点的实际工作状态。以上设计方法，在考虑路面材料的非线性特征时，均将在一定应力水平上的非线性材料视为线弹性材料，并通过实验加以修正。这样的处理方法在一定程度上反映了材料的实际工作状态，但其应用有一定局限性。 2、材料组成设计体系

沥青混合材料配合比设计包括目标配合比设计、生产配合比设计和生产配合比验证等三个阶段。材料组成设计主要包含确定各矿料的组成比例、确定沥青的最佳油石比等，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的方法，测定试件的密度，并计算空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等物理指标进行体积组成分析，进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度及流值等物理力学性质等内容。 3、路面使用性能要求

要使路面具有良好的使用性能、满足行车使用要求减少损坏，路面各结构层必须满足以下要求，①强度和刚度，组成路面各结构层的材料和路基必须具有足够的强度和刚度，在行车荷载作用下不产生过大的应力和位移，从而防止出现开裂、坑槽、滑移、沉陷等破坏现象；②稳定性，各结构层材料和路基必须具有足够的稳定性，能经受受温度和水分变化、冰冻等各项自然因素的影响，高温时不出现车辙、推移，低温时不产生缩裂及其他破坏现象；③表面平整，路面的平整与否不仅影响行车速度和舒适程度，还会提前或加速路面的破坏，其与各结构层材料和路基强度、稳定性有关，还与施工质量和养护状况有关；④抗滑性能，路面不仅要求平整还要具有一定的粗糙度，以保证车辆在各种气候条件下安全行驶。 结语

随着公路建设规模的扩大和道路等级的提高，路表弯沉指标已经无法适应当今重载交通时代路面设计的要求，路面设计无法反映路面的实际破坏；沥青路面的结构设计与路面材料设计相脱离，材料性能与路面性能不能建立起直接的联系；沥青路面设计对使用环境因素考虑比较少；对高轮压、高轴载考虑不完善；路面设计没有考虑维修等经济因素。因此现阶段我国的路面设计方法是不完善的，必须进一步发展。 参考文献

[1]孙立军。沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出版社，2011

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[2]吕伟民。沥青混合料设计原理与方法[M].上海：同济大学出版社，2011