浅议组合式基层沥青路面设计指标选取

摘要：由于我国现行规范主要是针对半刚性基层沥青路面，对于组合式基层设计指标研究较少，而近几年，随着国外柔性基层沥青路面设计理念的引入，结合我国的半刚性路面工程实践，组合式基层沥青路面得以逐步应用。本文通过借鉴相关研究成果，提出了组合式基层沥青路面结构设计标准，供该种路面结构设计时参考。

关键词：组合式基层；路面结构特点；设计指标

1前言

在我国已建成的高等级道路中，比较普遍的采用半刚性基层沥青路面结构，半刚性基层具有较高的强度和承载力、良好的整体稳定性和耐久性，但其收缩开裂、反射裂缝、对轴载敏感性大、早期破坏严重、养护维修成本高等是显著的不足之处。

随着我国交通事业的迅速发展，沥青路面结构形式正由单一的半刚性基层路面朝多样化方向发展。在欧美国家较为流行且广为应用的柔性基层沥青路面亦开始引入我国，柔性基层沥青路面是指用沥青混凝土作为面层，沥青稳定碎石或级配碎石作为基层的结构形式，其具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和耐疲劳性，同时由于结构材料均为颗粒状材料级配成型， 路面结构排水畅通，路面结构不易受水损害。与半刚性基层相比， 柔性基层沥青路面不易产生收缩开裂。

组合式基层沥青路面采用半刚性材料作为路面结构的底基层（或下基层）， 柔性材料作为路面结构的基层（或上基层）。该种结构形式充分利用半刚性材料较高强度和承载能力， 可以减少沥青层的厚度，同时半刚性材料设置于柔性基层之下，大大改善了路面结构的受力条件；柔性基层可以对半刚性底基层反射裂缝起到缓解和止裂的作用， 还可以改善路面结构的水温条件。

常用的组合式基层沥青路面结构形式，采用沥青稳定碎石作基层，无机结合料稳定集料作底基层的结构形式，典型如密级配沥青稳定碎石+水泥稳定碎石基层组合，由于采用这种柔性基层加半刚性基层的特殊路面结构形式，导致组合式基层路面结构的应力分布、受力等与传统的半刚性基层沥青路面结构、柔性基层沥青路面结构的受力状态有所不同。

在沥青路面设计中，设计指标的确定对整个路面结构设计至关重要，它直接决定了路面结构组合设计的合理性及安全性。因此，有必要参考国内外相关路面结构的设计方法及参数，针对性的选取适合组合式基层路面结构的设计指标。

2组合式基层沥青路面结构特点

由于沥青混合料面层与沥青稳定碎石基层的变形相容性较好，模量比适中，组合式基层沥青路面的各结构层的水平应力（除上面层外）均小于半刚性基层沥青路面相应位置的水平应力，因此组合式基层沥青路面的疲劳寿命将较半刚性基层沥青路面显著增加，并且由于沥青稳定碎石材料的特性与面层沥青混合料性质基本相同，可使其与面层拥有较好的粘结，使得路面结构的整体性不致衰减过快，有利于路面结构长期性能。

组合式基层沥青路面的各结构层的剪应力要小于半刚性基层沥青路面同结构层的剪应力，设置沥青稳定碎石基层不致使面层结构因侧向剪应力过大而出现严重的混合料侧向流动。

组合式基层沥青路面路面各项力学特性取值均介于柔性基层沥青路面与半刚性基层沥青路面之间，因此，此类路面既不会发生如半刚性路面中由于基层疲劳开裂引起的自下而上的结构性破坏，也缓解了面层的剪应力水平，整体受力状态大为改善；此类结构一方面利用较厚沥青层抗疲劳性能好的特点，另一方面可充分发挥半刚性基层板体性强、分散荷载能力强、减小土基应力的特点。

3组合式基层沥青路面设计指标选取

3.1组合式基层沥青路面结构设计指标的选取原则

对于组合式基层沥青路面设计指标的选取，应遵循以下原则：

（1）按照使用要求，针对沥青路面的主要损坏类型和特点，选择相应的设计指标和标准，以控制住相关的损坏，使路面达到预期的使用性能要求。

（2）针对沥青路面为多层次的层状结构和损坏类型多样化的特点，设计指标应为多指标体系，不同的指标分别控制一项（或几项）损坏类型，而各项指标的标准之间应相互协调和平衡。

（3）设计指标应考虑同施工质量控制和检测以及路面状况评定方法和指标相协调。

（4）设计指标的选取，可以借鉴国外的研究成果和应用经验，但应该结合国内的现状、传统习惯和接受能力。不宜选用考虑的因素过于繁细、需要提供的条件和输入参数过于复杂的设计指标。

3.2组合式基层沥青路面结构设计指标的选取

沥青路面的损坏状态有2种：一种是结构性的破坏；另一种是功能性损坏。结构性的破坏是指整个路面结构或其中某些部分不能再承受荷载作用的破坏，例如断裂等；功能性损坏是指路面结构在使用过程中经受车辆荷载和温度等自然因素的多次循环作用后虽未破坏，但其使用功能逐渐变差，而在一定年限后达到不容许行车的程度。

路面设计的目的在于约束上述2种损坏状态的出现，尤其是要杜绝结构性破坏的产生，沥青路面的损坏主要有开裂和永久变形（即车辙）两大类型。

同济大学姚祖康教授指出，各类沥青路面的设计指标体系主要针对以下6类损坏：沥青层的疲劳开裂、半刚性层的疲劳开裂、沥青面层的永久变形、粒料层和路基的永久变形、沥青面层的低温缩裂、沥青面层的反射裂缝。组合式基层沥青路面因其受自身结构组成及材料特性，主要的损坏类型有：沥青层的疲劳开裂、半刚性层的疲劳开裂、沥青面层的永久变形。

近几年相关研究通过对柔性基层、组合式基层、半刚性基层三种典型路面结构进行力学相应分析计算，结果表明：从应力响应及变形相应两方面看，在3类沥青路面中，组合式基层路面的性能居于柔性路面与半刚性路面之间，其力学响应居于半刚性路面与柔性路面之间，并且通过分析得知，组合式基层路面由于其下半刚性基层的设置而使整体变形较小，同时沥青面层剪应力及基层拉应力水平较高，且过渡层底的沥青层拉应变较为集中。因此，笔者建议采用以下4个设计指标对复合式路面进行结构控制：

（1）路表弯沉值

路表弯沉是路面结构层和路基在标准轴载作用下产生的总位移，虽然该指标与路面破坏不一致，没有直接联系，但该指标代表着路基路面结构的整体刚度，反映了路面和路基的承载能力大小，是车辆荷载作用下弹性层状体系理论计算的一个指标。并且路表弯沉与路基顶面压应变有密切关系。路表回弹弯沉是路面各结构层的变形与土基回弹变形之和，且土基回弹变形占路表总回弹变形的比例一般在90%以上，因此路表回弹变形能够反映土基的工作状态，弯沉值的大小表征了路面整体刚度的弱强，即路面结构扩散荷载应力的能力。

同时我国长期采用路表弯沉作为控制指标，并建立了一整套相对比较完善的测量与换算体系，设计施工单位已累积了丰富的实践经验。基于这点考虑，本文仍将其作为组合式基层沥青路面总体承载力的判定指标。

（2）沥青面层层底拉应变

沥青层层底在车辆荷载作用下产生拉应变或拉应力，在轮荷载反复作用下导致路面疲劳开裂。疲劳开裂是沥青混凝土路面破坏的主要形式。我国现行《公路沥青路面设计规范》采用弯拉应力指标来控制沥青层底的疲劳破坏，而在国外的相关技术规范中，多以弯拉应变指标来控制沥青层底的疲劳破坏。目前相关理论分析结果表明，沥青层底拉应变对组合式基层沥青路面起控制作用，可以有效的防止沥青层出现疲劳破坏，因此，以沥青层底的拉应变指标来控制其疲劳破坏更为合理。鉴于此，本文将沥青面层层底拉应变作为组合式基层路面结构控制指标之一。

（3）半刚性基层层底拉应力

为了提高路面结构的整体刚度，组合式基层选用半刚性基层作为下基层（或底基层），即充分考虑了半刚性材料强度高、板体性好的特点，又充分利用了我国半刚性材料的使用经验，而且还可以适应当前我国对道路路基强度要求低的现状情况。相关研究分析表明：组合式基层沥青路面中半刚性基层层底的拉应力水平较高，鉴于此，为防止半刚性基层的疲劳开裂破坏，本文将半刚性基层层底拉应力作为组合式基层路面结构控制指标之一。

（4）沥青面层的剪应力

由于组合式基层大都采用沥青稳定碎石作为上基层，不可避免的加大了沥青层厚度，近年来， 许多学者对含有柔性基层和半刚性基层的沥青路面进行了分析研究， 发现该路面结构在车辆荷载、尤其是重载作用下， 路面很容易发生面层剪切破坏而产生破裂， 因此， 对于组合式基层沥青路面应予以考虑沥青层剪应力。防止路面产生面层的剪切破坏，本文将沥青面层的剪应力指标作为组合式基层路面结构控制指标之一。

4结语

本文通过对组合式基层沥青路面结构特点的分析，充分结合我国长期以来的应用的设计指标体系并研究对应该种路面结构破坏形态，确定该种路面结构应选用路表弯沉值、沥青面层层底拉应变、半刚性基层层底拉应力、沥青面层的剪应力4项设计指标，以便满足路面结构结构性及功能性要求。

参考文献：

【1】《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2006

【2】《城镇道路路面设计规范》CJJ169-2011

【3】姚祖康.沥青路面设计指标的探讨.中国公路学会2005年学术年会论文集

【4】邓学均。路基路面工程。北京：人民交通出版社，2005.