探析公路工程中沥青路面设计相关问题

摘要：本文就从沥青路面设计的角度出发，对目前一些主要设计方法进行介绍和讨论，并分析设计中存在的缺点和问题，给出几点建议和解决措施，为沥青路面的设计提供帮助，也为该路面结构的后续施工、养护打好基础，提高路面质量，在路面设计中具有重要的指导意义。

关键词：公路；沥青路面；设计方法

Abstract: This paper starts from the asphalt pavement design point of view, this article introduces and discusses some main design method, and analyze the shortcomings and problems existed in design, gives some suggestions and solutions, to provide help for the design of the asphalt pavement, but also lay a good foundation for the subsequent construction, maintenance of the pavement structure, improve pavement quality, has the important guiding sense in the design of pavement.

Key words: highway; asphalt pavement; design method

中图分类号：U415

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公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公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 沥青路面的主要设计方法

2.1 经验法。经验法是对以往设计投入使用的公路进行实验分析，建立路面结构、荷载、路面性能之间的关系，进行类似的设计。著名的相关经验设计方法有CBR法和AASHTO法。

CBR法以CBR值作为性能指标，通过对路面的调查测定，建立CBR值-轮载-结构层厚度之间的经验关系曲线。路面总厚度可以通过CBR值和轮载来确定，而各层次的结构厚度可以通过路面材料的CBR值进行当量换算，不同的轮载按照等弯沉的换算原则进行设计轮载的确定。

AASHTO法是在试验路上进行数据的观测，建立起路面结构-轴载-使用性能的经验曲线关系，路基土的性质用回弹模量表示、路面结构层按照各层结构材料性质进行转换，用结构数SN表示。该方法以现时服务能力指数PSI作为性能指标，它的确定是根据路面的实时调查情况，通过建立平整度、裂缝、车辙、修补之间的经验关系式来确定。

2.2 力学法。力学设计方法是基于经验的设计方法，它是将力学参数与路面性能在一定的荷载和环境下建立模型关系，即将应力应变位移与路面性能建立经验关系曲线，然后按照要求进行路面结构的设计，著名的主要有AI法和SHELL法。力学经验法的框架是在第一届沥青路面结构设计国际会议上由壳牌公司的专家提出，经过逐步的完善形成多种不同的设计方法。该方法是以弹性层状体系 (三层 )代表路面结构，计算分析圆形均布轮载作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值，以沥青面层的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久变形作为沥青路面的主要损坏模式，选用面层底面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标。

2.3 我国现行设计方法。根据我国标准规范—《公路沥青路面设计规范》，沥青路面的结构设计方法如下：（1）理论基础。我国沥青路面设计是以壳牌石油公司SHELL提出的理论方法为基础，该方法是将路面视为多层弹性体，用杨氏弹性模量和泊松比来表示面层材料与土基，材料性质以均质各向同性为假定，同时各层水平方向取无穷大，土基以下的深度无限。

荷载取值采用BZZ-100即双轮组单轴载100kN为标准值，单轮传压面当量圆直径d为21.3cm，两轮中心距为1.5d，各层材料之间的假定接触条件为弹性、完全连续接触。（2）设计指标。设计指标是以弯沉值为控制指标，弯拉应力进行验算校核。整体强度的设计控制指标用路表容许弯沉值来设计，确定设计弯沉指标。对于高速公路、一二级公路、沥青面层等必须进行层底的抗拉验算，沥青混合面料层的城市公路还需进行抗剪验算。（3）参数的选取和确定。计算分析中的标准轴载采用上述理论基础中的BZZ-100为标准值，换算公式采用林绣贤《轴载换算公式的研究》成果中表述的以轴载比表达的公式进行轴载换算，该公式的提出是以弯沉等效和底层拉应力等效为基本原则，以多层弹性理论为基础，分析轴载和弯沉、拉应力之间的关系，并结合实际的实测情况(弯沉、疲劳试验、直槽测试等)进行对比、验证而提出的。表征材料刚度和强度的指标分别是材料模量和抗拉应力，弯沉值、拉应力指标均用静态抗压回弹模量计算，抗拉强度由圆柱的劈裂试验确定，静态抗压回弹模量通过抗拉强度来确定。

3 存在问题及解决方法

3.1设计弯沉值的确定存在不确定性。以设计弯沉值作为沥青路面的设计指标，其计算是一般根据可研报告中的交通量、车辆比例来计算设计年限内的车道累计当量轴次，再结合公路等级、路面结构类型等计算出弯沉值。这种计算在取值上缺乏定量的分析。

3.2路面结构类型的选择问题。路面结构的组合缺乏定量设计，沥青面层的组合随意性大、沥青层的最小压实厚度不同、忽视气候条件给沥青层面带来的影响、路面基层设计不够合理。目前的设计方法都是根据公路等级、气候、材料、交通量等相关经验提出的结构组合及厚度，缺乏定量设计。

3.3材料参数的取值问题。实际工作设计中，设计单位无法通过进行路面材料测试而确定材料参数，获得材料的第一手材料设计参数可以通过路面实施阶段获取，但是相关建设程序上不允许，设计阶段的材料参数只能根据规范中的来确定，而不同地区、不同条件下的参数是不同的，规范中给定的是范围值，这在选取上随意性较大，同时给施工留下偷工减料的隐患，造成质量上的缺陷。

3.4在设计方法中，针对环境、经济等因素的考虑较少，同时缺乏相应的控制指标。设计、施工环环相扣，施工是依据设计进行，以上设计问题的出现，使得工程施工也会出现相应的问题，可以通过以下几点建议来改进设计中存在的问题：（1）完善设计控制指标。针对出现的一些设计指标问题，相关的研究已经非常成熟，可以通过引进相关控制指标来完善设计。例如，车辙问题，相关研究表明，路基垂直压应变与重复荷载作用次数的关系可以控制车辙问题；水平拉应变可以很恰当的反映沥青表层开裂的问题。另外，多考虑温度、湿度等环境因素和经济因素的影响，引入相应的控制指标。通过建立设计控制指标体系，来不断完善设计。（2）材料参数的精确。静态的模量值不能真实反映材料在各种因素作用下的性能特性，例如，路基土的回弹模量测定，通过承载板法的测定只能是静态值，为使参数更切合实际，应采用动态弯沉仪器进行测定，使得到的结果趋于真实，符合实际。

4 结束语

沥青路面设计是一项复杂的过程，为了确保沥青路面设计质量，杜绝后续引发相关问题的产生，就必须做到各项程序选择层层把关，严格控制。我国的沥青路面设计方法虽有长足的发展和不断完善，但是在设计指标运用控制、参数选取、及时更新方面仍然需要进一步完善，减少设计的随意性和盲目性，通过不断的总结设计经验来完善设计、指导施工。