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摘要：本研究比较了长寿命路面的各种损坏模式及相应的成因，并探讨了路面结构的抗疲劳性能、抗永久变形性能和耐久性与路面性能的关系。同时,针对沥青路面组成结构，分析了各结构层各自的特性及功能，总结了路面结构组合设计原则，初步提出一种既经济又有效的基于使用性能的长寿命路面典型结构组合设计方法。
关键词：长寿命路面；使用性能；路面结构；损坏模式
路面结构设计曾是最简单的工作，但随着路面使用中各种问题的出现，道路工作者都在反思：到底采用何种路面结构才是既经济又有效的结构呢？随着国内外对长寿命路面的调查，大量研究认为长寿命路面的破坏模式与传统沥青路面破坏模式不一样，路面破坏仅出现在路表面。因此，本研究着重探讨基于使用性能的长寿命路面典型结构组合设计方法。
1 长寿命路面破坏模式
1.1路面上层的车辙
在一段时间内，有相当多的人认为，沥青层越厚越容易出现车辙或车辙更严重。而Nunn的研究发现薄沥青层路面更易发生车辙，当沥青层厚<180mm时，车辙率较高；当沥青层厚>180mm时，车辙发生率出现了突变，比前者小2个数量级；沥青层厚超过200mm，车辙发生率较小。
1.2 表面裂缝
国外大量调查与计算分析发现，施工良好的沥青路面在使用中出现的主要损坏是纵向开裂，包括轮迹带的单条纵缝，或两轮迹带上均有纵缝，甚至在轮迹带上出现多条纵向裂缝。
1.3 水破坏
剥离是路面水损坏的最重要方式。剥离主要与集料类型、沥青等级、沥青含量和空隙率相关。水进入路面后，成为两层混合料的剥离剂，混合料在冻水压力与层间水作用下发生破坏，这也进一步加剧了沥青与集料的剥离。在这种情况下沥青层容易出现大面积的破坏。
2 路面结构组合探讨
2.1基于抗疲劳的路面结构组合
A 沥青层厚度与疲劳寿命的关系
增加路面结构疲劳寿命的一种方法就是为路面结构设计一个适当的厚度，让底部的拉应变低于积累破坏可能发生的程度。沥青层路面产生高拉应变，高拉应变导致较低的疲劳寿命；厚沥青层路面产生低拉应变，当该拉应变小于疲劳极限应变时，疲劳破坏不再发生。使用足够厚的沥青层将防止疲劳开裂发生。
B 用油量与抗疲劳性能的关系
对于抗疲劳开裂的沥青底面层材料，一般来说，增加沥青含量有助于增加沥青混合料柔性以减小疲劳开裂发生的可能性。高沥青含量混合料有助于抵抗更高的弯拉应变，从而获得更长的疲劳寿命。另外，对于抗疲劳层，仅仅增大沥青含量不一定能提高结构抗疲劳性能，增大沥青含量会导致混合料劲度降低。
2.2基于抗车辙的结构组合
AASHTO的研究发现：无论沥青层厚度如何，在沥青层表面2.5cm范围内其车辙变形很小。绝大部分沥青混合料车辙出现在距上部7.5cm直至12.5cm的范围内。一般来讲，增大沥青混合料厚度不能显著减小整个沥青层的车辙，但是会显著减小粒料基层或底基层及土基的永久变形。
2.3 基于路面耐久性的结构组合
在水作用下，动载增大路面水损坏的危险，如果在路面表面层以下混合料采用粗级配，且没有得到很好压实，则水更容易侵入结构层中。在这种情况下，各层之间的粘结层容易受到破坏。因此，为了保持好的耐久性，所有沥青层有合适的沥青含量且混合料得到很好的压实。沥青层应该粘结完好，确保全厚的沥青层成为一个整体。
3 基于使用性能的沥青路面结构组合设计
首要原则：长寿命路面理念里容许出现路面表面损坏，但绝不是纵容表面损坏的发生，当然更不能出现明显的早期损坏。而要防止早期损坏的产生，必须在路面设计、施工时保证各结构层的均匀性、密实性、协调性。
分层设计原则：在长寿命道路结构中，应考虑各结构层各自的特性及功能，对各结构层分层设计，针对不同结构层位提出不同设计指标。
表面層为车辆提供良好的行驶界面，设计时采用高性能沥青混凝土，应具有足够抗车辙性能、抗表面开裂性能、良好的抗滑性能、缓解水雾的影响并可减小噪声。
中间层或连接层起扩散荷载的作用，必须同时具有耐久性和稳定性，因为此层是承受车轮荷载作用的高应力区，极易产生剪切损坏。因此，该层需具有足够抗变形能力来抵抗靠近路表面的高剪应力。该层也需具有高劲度模量来扩散荷载，减小基层和土基的应力应变，保证行驶质量等。总之，连接层材料应具有如下属性：高劲度模量、高抗变形能力、抗裂性能好、不透水性、不容易离析。
基层起抵抗疲劳的作用，应具备高柔性、抗疲劳、密水性能好，设计采用高柔性沥青混凝土。增加沥青含量并减小孔隙率，可增加基层的耐久性和柔性。在基层、连接层和表面层之间，必须保证其粘结性，并防止水侵入各层之间，破坏结构层的连续性。
下基层或垫层起荷载扩散作用，也可以减小因土基潮湿状况变化对结构整体强度的影响。因此，要求该层材料较好的抗裂性和抗水性，并能保持刚度在一定范围。
路基不仅为面层提供良好的铺筑界面，而且对于整个路面稳定具有重要意义，因此设计和修筑高强、稳定和均匀的路基对长寿命路面极为重要。设计时须考虑排水问题，因此可采用排水良好的碎石垫层。
基于我国路面结构组合的情况，本研究提出的结构分层设计原则可用如下图3.1所示。应当说，路面结构组合设计离不开力学计算分析，但是必须明确指出的是，路面结构组合远不止力学分析。结构组合设计时，必须在抓住主要矛盾的基础上，注意均衡、协调，全面分析。要在充分考虑气候环境、交通情况、当地资源和预期施工水平基础上进行设计。
图3.1长寿命路面典型结构组合
4 小结
本研究认为长寿命路面的主要破坏模式包括路面上层的车辙、表面裂缝和表层水损坏，因此沥青路面结构组合设计需要考虑路面结构的抗疲劳性能、抗永久变形性能和耐久性。在长寿命道路结构中，应考虑各结构层各自的特性及功能，对各结构层分层设计。
路面结构组合设计离不开力学计算分析，但是必须明确，路面结构组合远不止力学分析。结构组合设计时，必须在抓住主要矛盾的基础上，注意均衡、协调，全面分析。要在充分考虑气候环境、交通情况、当地资源和预期施工水平基础上进行设计。从基于使用性能的结构组合分析认为，合适的沥青层厚度是保证路面较好使用性能的基本保证，在保证厚度的前提下，减小弯沉才是有效的提高路面性能的途径。
[1] 张登良.沥青及沥青混合料.北京：人民交通出版社.1993
[2] 吕伟民.沥青混合料设计原理与方法. 上海：同济大学出版社, 2001
[3] 林绣贤.柔性路面结构设计方法.北京：人民交通出版社，1988
[4] 崔鹏，孙立军，胡晓.高等级公路长寿命路面研究综述. 公路交通科技，2006，Vol.23(10):148-152
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：长寿命路面；使用性能；路面结构；损坏模式
路面结构设计曾是最简单的工作，但随着路面使用中各种问题的出现，道路工作者都在反思：到底采用何种路面结构才是既经济又有效的结构呢？随着国内外对长寿命路面的调查，大量研究认为长寿命路面的破坏模式与传统沥青路面破坏模式不一样，路面破坏仅出现在路表面。因此，本研究着重探讨基于使用性能的长寿命路面典型结构组合设计方法。
1 长寿命路面破坏模式
1.1路面上层的车辙
在一段时间内，有相当多的人认为，沥青层越厚越容易出现车辙或车辙更严重。而Nunn的研究发现薄沥青层路面更易发生车辙，当沥青层厚<180mm时，车辙率较高；当沥青层厚>180mm时，车辙发生率出现了突变，比前者小2个数量级；沥青层厚超过200mm，车辙发生率较小。
1.2 表面裂缝
国外大量调查与计算分析发现，施工良好的沥青路面在使用中出现的主要损坏是纵向开裂，包括轮迹带的单条纵缝，或两轮迹带上均有纵缝，甚至在轮迹带上出现多条纵向裂缝。
1.3 水破坏
剥离是路面水损坏的最重要方式。剥离主要与集料类型、沥青等级、沥青含量和空隙率相关。水进入路面后，成为两层混合料的剥离剂，混合料在冻水压力与层间水作用下发生破坏，这也进一步加剧了沥青与集料的剥离。在这种情况下沥青层容易出现大面积的破坏。
2 路面结构组合探讨
2.1基于抗疲劳的路面结构组合
A 沥青层厚度与疲劳寿命的关系
增加路面结构疲劳寿命的一种方法就是为路面结构设计一个适当的厚度，让底部的拉应变低于积累破坏可能发生的程度。沥青层路面产生高拉应变，高拉应变导致较低的疲劳寿命；厚沥青层路面产生低拉应变，当该拉应变小于疲劳极限应变时，疲劳破坏不再发生。使用足够厚的沥青层将防止疲劳开裂发生。
B 用油量与抗疲劳性能的关系
对于抗疲劳开裂的沥青底面层材料，一般来说，增加沥青含量有助于增加沥青混合料柔性以减小疲劳开裂发生的可能性。高沥青含量混合料有助于抵抗更高的弯拉应变，从而获得更长的疲劳寿命。另外，对于抗疲劳层，仅仅增大沥青含量不一定能提高结构抗疲劳性能，增大沥青含量会导致混合料劲度降低。
2.2基于抗车辙的结构组合
AASHTO的研究发现：无论沥青层厚度如何，在沥青层表面2.5cm范围内其车辙变形很小。绝大部分沥青混合料车辙出现在距上部7.5cm直至12.5cm的范围内。一般来讲，增大沥青混合料厚度不能显著减小整个沥青层的车辙，但是会显著减小粒料基层或底基层及土基的永久变形。
2.3 基于路面耐久性的结构组合
在水作用下，动载增大路面水损坏的危险，如果在路面表面层以下混合料采用粗级配，且没有得到很好压实，则水更容易侵入结构层中。在这种情况下，各层之间的粘结层容易受到破坏。因此，为了保持好的耐久性，所有沥青层有合适的沥青含量且混合料得到很好的压实。沥青层应该粘结完好，确保全厚的沥青层成为一个整体。
3 基于使用性能的沥青路面结构组合设计
首要原则：长寿命路面理念里容许出现路面表面损坏，但绝不是纵容表面损坏的发生，当然更不能出现明显的早期损坏。而要防止早期损坏的产生，必须在路面设计、施工时保证各结构层的均匀性、密实性、协调性。
分层设计原则：在长寿命道路结构中，应考虑各结构层各自的特性及功能，对各结构层分层设计，针对不同结构层位提出不同设计指标。
表面層为车辆提供良好的行驶界面，设计时采用高性能沥青混凝土，应具有足够抗车辙性能、抗表面开裂性能、良好的抗滑性能、缓解水雾的影响并可减小噪声。
中间层或连接层起扩散荷载的作用，必须同时具有耐久性和稳定性，因为此层是承受车轮荷载作用的高应力区，极易产生剪切损坏。因此，该层需具有足够抗变形能力来抵抗靠近路表面的高剪应力。该层也需具有高劲度模量来扩散荷载，减小基层和土基的应力应变，保证行驶质量等。总之，连接层材料应具有如下属性：高劲度模量、高抗变形能力、抗裂性能好、不透水性、不容易离析。
基层起抵抗疲劳的作用，应具备高柔性、抗疲劳、密水性能好，设计采用高柔性沥青混凝土。增加沥青含量并减小孔隙率，可增加基层的耐久性和柔性。在基层、连接层和表面层之间，必须保证其粘结性，并防止水侵入各层之间，破坏结构层的连续性。
下基层或垫层起荷载扩散作用，也可以减小因土基潮湿状况变化对结构整体强度的影响。因此，要求该层材料较好的抗裂性和抗水性，并能保持刚度在一定范围。
路基不仅为面层提供良好的铺筑界面，而且对于整个路面稳定具有重要意义，因此设计和修筑高强、稳定和均匀的路基对长寿命路面极为重要。设计时须考虑排水问题，因此可采用排水良好的碎石垫层。
基于我国路面结构组合的情况，本研究提出的结构分层设计原则可用如下图3.1所示。应当说，路面结构组合设计离不开力学计算分析，但是必须明确指出的是，路面结构组合远不止力学分析。结构组合设计时，必须在抓住主要矛盾的基础上，注意均衡、协调，全面分析。要在充分考虑气候环境、交通情况、当地资源和预期施工水平基础上进行设计。
图3.1长寿命路面典型结构组合
4 小结
本研究认为长寿命路面的主要破坏模式包括路面上层的车辙、表面裂缝和表层水损坏，因此沥青路面结构组合设计需要考虑路面结构的抗疲劳性能、抗永久变形性能和耐久性。在长寿命道路结构中，应考虑各结构层各自的特性及功能，对各结构层分层设计。
路面结构组合设计离不开力学计算分析，但是必须明确，路面结构组合远不止力学分析。结构组合设计时，必须在抓住主要矛盾的基础上，注意均衡、协调，全面分析。要在充分考虑气候环境、交通情况、当地资源和预期施工水平基础上进行设计。从基于使用性能的结构组合分析认为，合适的沥青层厚度是保证路面较好使用性能的基本保证，在保证厚度的前提下，减小弯沉才是有效的提高路面性能的途径。
[1] 张登良.沥青及沥青混合料.北京：人民交通出版社.1993
[2] 吕伟民.沥青混合料设计原理与方法. 上海：同济大学出版社, 2001
[3] 林绣贤.柔性路面结构设计方法.北京：人民交通出版社，1988
[4] 崔鹏，孙立军，胡晓.高等级公路长寿命路面研究综述. 公路交通科技，2006，Vol.23(10):148-152
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。