公路沥青路面结构设计的应用实践与分析
Design of Highway Asphalt Pavement
■长安大学 徐世强/XU Shiqiang 吴传海/WU Chuanhai
青海省公路局 崔 君/CUN Jun
陕西中大公司 雷 霆/LEI Ting
摘 要: 通过对公路沥青路面结构设计的思考，并结合国外及广东省不同结构型式沥青路面使用状况的调查结果，得到了我国公路沥青路面设计指标及合理结构型式方面若干结论，为科学地进行沥青路面结构设计提供了一定的启发和指导作用。
关键词: 公路工程 沥青路面 结构设计 实践与分析
路面设计的目标是通过合理的设计方法使得道路在设计使用年限内能够提供安全、舒适、快捷的服务。然而，目前我国高速公路沥青路面普遍存在着初、早期破坏，且主要破坏型式同上个世纪90年代以前轻交通状况下相比已发生了一定的变化。过去，沥青路面损坏主要包括龟裂、车辙、低温开裂等，这也是路面设计时重点控制的损坏类型。但是，随着路面结构强度的提高和路面损坏期的提前，这些传统损坏出现得越来越少，有些已经不再出现，而目前出现的损坏，不论是其形态还是原因都十分不同。所以，按照传统理论来加强路面结构是没有效果的，甚至有时还适得其反[1]。
路面在使用实践中所暴露的大量问题，使得道路工作者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。虽说设计方法基于力学，但分析的范围和所考虑的主要受力方式，相对于目前复杂的荷载状况而言却过于简单[1]。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，我们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。
1 我国沥青路面设计指标的分析
纵观我国建国以来的各版公路柔性（沥青）路面设计规范,在设计方法和指标方面的思想是一脉相承的,都以路表弯沉作为主要设计控制指标。但是随着高速公路建设的不断发展，路表弯沉指标也表现出诸多的局限性。
1.1 高速公路沥青路面主要破坏型式
路面设计的目标就是通过合理的设计方法使得道路在设计使用年限内能够提供安全、舒适、快捷的服务。然而，目前我国高速公路沥青路面普遍存在着初、早期破坏，且主要破坏型式同上个世纪90年代以前轻交通状况下相比已发生了一定的变化。高等级沥青路面的主要破坏形式可以归纳为以下几个方面：①由于路基不均匀沉降导致的路面下陷和开裂；②车辙破坏；③沥青面层的水损害；④半刚性基层沥青路面反射裂缝破坏；⑤沥青路面的结构性破坏。因此，有必要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。
1.2 路表弯沉指标的适用性
经过长时间的研究，维姆（Hveem）于1955年发表了《路面弯沉和疲劳破坏》一文，这篇被Monismith誉为路面领域内最重要的论文阐述了路面弯沉和路面疲劳损坏间的关系，对后来采用分析方法预测路面疲劳开裂的研究产生了非常重要的影响。路表弯沉遂成为路面设计的一个重要指标，受到各国研究人员的青睐，甚至得到了不恰当的延拓[2]。在我国的沥青路面规范中路表弯沉也成为路面设计的一个关键性控制指标。路表弯沉指标主要具有以下优点：
(1) 弯沉指标的突出优点是其直观性和可操作性，它建立在大量实测数据统计回归的基础上，对于交通不太繁重，结构层较薄情况（控制沉陷为主）是较适用的，但对繁重交通，路面结构较厚情况(控制疲劳和开裂为主)下其适用性降低；
(2) 在路面结构单一的中、轻交通时代，该指标既可表征路面结构的整体变形，也可用于表征路面结构的整体刚度。
然而，随着公路建设规模的扩大和道路等级的提高，路表弯沉也暴露出了以下主要缺点：
(1) 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；
(2) 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；
(3) 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强度的评定显得缺乏说服力；
(4) 规范针对特定的破坏类型设置了相应的单项控制指标，形成了综合设计指标和单项设计指标并存的局面，当进行结构组合和材料选用的设计时, 两者之间将出现兼容性和协调性的问题。
综上所述，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。
1.3沥青路面结构设计与材料设计指标的相容性
目前，我国沥青路面的结构设计与路面材料设计基本上是相脱离的。由于种种原因，路面材料的抗压模量设计取值往往带有很大的随意性，同样是水泥稳定粒料，设计值却差别很大，例如同属广东省的广肇、佛开高速公路设计值很小，只有500Mpa，而广珠西却为1600MPa。对于同种材料(6%水泥稳定碎石或石屑)在相同施工水平和要求条件下，设计取值的过大差异，对于保证路面施工质量是不易的，同时在设计上可能也是不经济的或是太冒险。此外，路面结构设计与材料组成设计相容性较差，还表现在以下几个方面：
(1) 路面材料强度测试中的受力模式与其在道路应用中的实际受力情形相差较远；
(2) 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；
(3) 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。
2 沥青路面合理结构型式的分析
当前，我国高速公路沥青路面普遍存在初期建设费用较低，而车辙、水损害、开裂、泛油等早期破坏严重的现象。无需赘言，出现上述早期病害的主要原因固然与沥青混合料均匀性差、材料质量良莠不齐、施工质量达不到要求、养护不及时等因素有关，但与路面结构组合设计本身存在缺陷也不无关系。我国沥青路面结构有其自身的特点，这是我国国情所决定的，是公路建设发展历史的必然结果。
2.1 我国公路沥青路面结构型式分析
进入20世纪80年代，由于交通量迅速增长，我国开始修建二级公路、一级公路，沥青面层逐步向沥青混凝土发展，基层和底基层的强度要求也随之增加，特别是当高速公路的出现时，我国的沥青缺乏和路面承载能力低的问题逐渐突出起来。正是在当时这种形势下，半刚性基层基于其较好的板体性能、较高的承载力及良好的经济性等优点，使得半刚性基层沥青路面成为我国沥青路面结构的主要型式，并几乎成为高速公路沥青路面的唯一结构型式。无可否认，这种路面结构为我国沥青路面的发展做出了巨大的贡献。但是，近年来许多沥青路面发生的严重早期损害，使得人们不得不对此结构提出一些质疑，如半刚性基层的收缩开裂会引起沥青路面的反射裂缝，半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性，以及半刚性基层损坏后没有愈合的能力且无法进行修补等。基于此，现在许多单位和学者开始主张在中国也大量地发展柔性基层沥青路面的结构型式。对此，我们绝不能“人云亦云”，而必须用辩证的否定观来分析问题。首先，我们毕竟还是发展中国家，经济承受能力虽然已经有了很大的增长，但仍然还处于一个不高的水平。从路面结构方面说，半刚性基层造价低的特点仍然是其它路面结构所无法比拟的。长期以来我国遵循“强基薄面”的方针，铺筑的是沥青层较薄的半刚性基层沥青路面，这一点已经深入人心，要想一下子得到改变是不现实的，也是不合理的。即使采用了柔性基层沥青路面也不见得就没有问题了，所以我们不可能一下子都改成柔性基层沥青路面，将半刚性基层沥青路面全盘否定，而要有一个对半刚性基层沥青路面的再认识和对柔性基层沥青路面的研究和熟悉的过程[2]。
2.2 国内、外沥青路面结构型式的比较
纵观国际，20世纪80年代以后，许多发达国家的高速公路和重交通公路由以往普遍采用半刚性基层沥青路面逐渐转变为大量使用柔性基层沥青路面或全厚式路面。尽管许多国家正在修建或曾经修建过半刚性基层沥青路面，但是我国的半刚性基层沥青路面同国外却有着诸多的不同，主要表现在设计理念的不同：
国外通常将半刚性基层的路用功能定义为改善湿软路基或对路基的补强，一般用在路基不好的地方，尽管也起到承重层的作用，但并不是作为主要的承重层来看待。其主要的功能是：一是对路基起到补强的作用；二是进一步改善路基的受力状态，有效地扩散集中荷载，极大地减少荷载作用下土基的垂直压应变，有效地减少因路基性质不均匀导致出现结构裂缝的可能性；三是起到调平的作用[2]。上述功能在广东省深汕高速公路西段低填方软基路段就得到了实际应用，并实现了良好的路面使用性能，这就从实践上说明了该设计理念的正确性。
反观我国沥青路面结构设计，沥青面层主要是起一个功能层作用，而半刚性基层才是主要的承重层。基于该理念，沥青面层厚度的确定基本都是经验性的。设计的步骤是先经验地确定沥青层厚度，然后通过计算确定半刚性基层、底基层厚度，且对地基重视程度不足，导致土基强度普遍较低。然而，国外设计时，主要是先假定半刚性基层的厚度，使基层达到改善路基工作性能以符合有关规范的要求，然后通过力学计算确定需要的沥青层厚度。也就是说，沥青层才是真正的承重层，路面的破坏必须保证基层以下的所谓“基础”不发生破坏，因此在正确把握沥青路面使用条件的前提下，一般“基础”是不会出现破坏的，需要维修的只是沥青面层，这也是长寿命路面的出发点。
3 国外及广东省典型沥青路面结构的应用实践
3.1国外沥青路面的应用情况
华盛顿州I－90州际高速公路是一条成功的例子，该路为厚沥青层柔性基层路面，沥青层厚度为16～45cm，西段各试验段均没有因结构性损坏产生的重修。I－90州际高速公路总里程480km，已使用了23～35年，其中西段，即厚沥青层柔性基层路面225km。东段第一次维修的平均时间间隔为12.4年，西段则为18.5年，西段第一次维修时间间隔为6～21年，这么大的变化幅度表明影响路用性能的因素不仅仅是路面厚度及交通量等传统因素，调查表明可能最大的因素是采用了不同的路面结构层[3]。
新泽西州交通部对使用26年的I－287州际高速公路的路面破损状况进行了调查。调查发现25cm厚沥青面层维修很少，路表在行车道产生了疲劳裂缝及纵向开裂，车辙深度达到25mm以上；但进一步的调研表明这些病害的发展深度并没有达到路表深度75mm以下，因此只铣刨表面的75mm沥青层，重铺100mm沥青层，2001年的调查发现没有出现任何车辙和开裂病害[3]。
根据澳大利亚沥青路面联盟（APAA）的报告，在悉尼采用较厚沥青层路面获得成功。例如Orbital大道，该路为修建于1969年的重载交通道路，使用了25年无须重修。其路面结构一侧是全厚式路面，另一侧则为粒料基层沥青路面。澳大利亚沥青路面联盟认为澳大利亚和美国一样均获益于在主要道路上采用良好设计及精心施工的厚沥青路面。
3.2 广东省典型路面结构的应用情况
广东省自1989年秋至2001年冬这12年间共修建近1000km的高速公路沥青路面，水损害是其主要破坏类型，而却从未因车辙病害而进行大、中修。这些情况表明，虽然广东省地处南方炎热多雨潮湿地区，但2001年之前，车辙病害并不是广东省高速公路的主要病害类型。2002年以来，由于连续几年的夏季高温、车辆超载及纵坡较大等原因致使车辙病害成为广东省高速公路的主要病害之一。
根据调查，广东省使用性能良好高速公路车辙深度、构造深度、平整度、基层材料7天抗压强度、路面破损一览表分别见表1、2、3、4、5,广东省典型道路结构及其主要破坏类型见表6[4]。
上述统计数据表明：
(1) 广东省使用性能良好的高速公路既有组合式结构也有半刚性基层结构；
(2) 使用性能良好的高速公路基层材料7天抗压强度基本在3MPa～4MPa之间；
(3) 作为典型的半刚性基层沥青路面的机荷高速反射裂缝极少；
作为另一典型路段，深汕高速公路西段K120+800～K129+960为长9.16km的软基段，地质条件复杂。原设计该软基段均采用袋装砂井进行排水固结法预压处理。由于设计变更及广汕立交施工(广汕公路修筑临时便道)的影响，左线K120+918～K120+958段及右线K120+915～K129+935段未能及时进行软基处理，K128+457农产桥，虾池一、二桥等路段也均未能及时进行软基处理，这些路段变更后改为水泥粉喷桩处理。为解决桥头跳车问题，对水闸中桥两边桥头及长沙湾大桥西岸桥头做了水泥喷桩复合地基处理。
另外，深汕西K129+450～K129+960段为深汕高速公路西段地质条件最差的软土地基段，该段软土层厚度超过20m，地基土极软，而且还包括两座中桥和长沙湾特大桥西岸桥台及引道路堤衔接段，对软基工后沉降要求高。经充分论证后，采用加密的袋装砂井并加两层土工布再加反压护道，长沙湾大桥附近三十米范围内采用变间距粉喷桩，并配合现场施工监测的综合方案进行处理。
考虑到该段软土地基地质条件较差的现状，本软基段的路面结构组合也进行了必要的变更，具体的变更情况见表7。
变更后的路面结构实际上考虑到了该路段地质条件复杂，软基处理后可能仍不能满足该路段的交通使用条件。由于该段绝大部分路基属于低填方（一般高程在0～0.5m之间），变更后采用了20cm5％水泥稳定碎石上基层及20cm3％水泥稳定碎石下基层，以期达到以下三个目标：(1)扩散行车荷载，进一步减少土基顶面压应变；(2)对软基进行补强；(3)起到调平的作用。
该路段运营至今，除极少数桥头附近发生了较大工后沉降外，其它路段均没有出现较大工后沉降，且出现过大差异沉降的路段仅局限于极少数桥头附近，重修相对较简单。至于极少数桥头出现较大工后沉降的主要原因，可能是因为局部软基因施工期较紧导致路基工程特性未能完全满足要求或软基地质条件较为复杂；另外，变更后的路面结构虽考虑到水泥稳定碎石对路基的补强及扩散荷载的作用，但未能完全奏效。从该路段处理方法的整体效果来看，变更后的路面结构成功的解决了复杂地质条件下的路基工后过大沉降的问题，同时也说明半刚性基层材料只要应用正确就可以起到减轻低填方软基路段工后过大沉降的问题。在目前路基施工水平相对较低的现状下，这种处理方法为广东省的高速公路建设起到了很好的典范作用。
4 结语
通过对我国公路沥青路面设计指标及合理结构型式的分析，并结合国外及广东省不同结构型式沥青路面使用状况的调查结果，主要有以下结论：
(1) 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，必须寻求新的沥青路面设计控制指标。
(2) 我国沥青路面的结构设计与路面材料设计基本上是相脱离的，主要表现在路面材料强度测试中的受力模式与其在道路应用中的实际受力情形相差较远，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等方面。
(3) 就广东省而言，使用性能良好的高速公路沥青路面既有组合式结构也有半刚性基层结构，而且半刚性基层材料只要应用正确还可以起到减轻低填方软基路段工后过大沉降的问题。所以我们必须辩证地分析问题，一方面努力研究国外的路面结构，同时对现有的半刚性基层沥青路面进行再认识，努力克服其一些不合理的因素，使其得到改进，更加完善。
参考文献
1. 孙立军. 重交沥青路面损坏研究的误区[J]. 中国公路建设市场，2004(10).
2. 沈金安等. 高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].北京：人民交通出版社，2004:253-308.
3. 沈金安. 国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004:298-313.
4. 叶燕呼等. 广东省高速公路沥青路面结构使用情况调查报告[R]，广东省交通科研所，2002.
