浅析路面结构设计

摘要：本文作者阐述了影响路面结构的因素，分析了路面结构的破坏原因，介绍了我国沥青路面结构设计方法。

关键词：路面；结构设计

中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：

1 影响路面结构的因素

1.1 面层厚度

面层直接同车轮和大气相接触，它承受行车荷载(竖直力、水平力和冲击力)的直接作用，同时还受到降雨的侵蚀和气温变化的不利影响，对路面的使用品质有较大影响。各结构层的适宜厚度以及考虑施工因素的最小厚度。适宜的结构层厚度需结合材料供应、施工工艺并按该表的规定确定，从强度要求和造价考虑，宜自上而下由薄到厚。

路面设计时，沥青面层厚度与公路等级、交通量及组成、沥青品种和质量有关，设计时应根据公路等级、交通量大小、重车所占的比例、选用沥青质量等因素，综合考虑确定沥青层厚度。

1.2 基层类型

基层主要承受由面层传递下来的车辆竖向荷载，并把它扩散到垫层或土基中，具有足够强度和刚度的基层是高水平行驶质量的必要保证。 简单地说基层有两大类：半刚性基层和碎砾石基层。 两种类型基层的作用机理存在着本质上的差异，而同一类基层不同材料间性能相似。因此，根据路面的基层类型将路面分为半刚性和碎砾石两类。在季节性冰冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，常常产生冻胀和翻浆。在这种路段上，路面结构中应设置防止冻胀和翻浆的垫层。路面总厚度的确定，除满足强度要求外，还应满足防冻厚度的要求，以避免在路基内出现较厚的聚冰带，防止产生导致路面开裂的不均匀冻胀。在冰冻地区和气候干燥地区，无机结合料稳定土或粒料的基层常常产生收缩裂缝。

1.3 结构强度

一定的结构强度是路面具有良好行驶质量的必要保证，结构强度足够的路面可以有效地抵抗多种因素的不良影响，进而延缓行驶质量的衰变进程。 结构强度不足时，路面结构的抵抗能力降低，荷载和温度等因素综合作用产生的应力对路面使用性能影响加剧，公路使用寿命减小速率加快。

2 路面结构的破坏原因

2.1 路面水破坏

该种破环是指沥青路面在存在水分的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用水分逐步侵入使沥青的粘结力丧失而发生的路面破坏。路面水破坏的外因主要有两个，一是降水量；二是大量车辆（特别是载重货车）高速行驶。降水次数多，降水量大，自由水渗透至路面结构层内的机会就越大。车辆的影响主要在于每一辆高速行驶的车辆通过时都会产生相当大的水压力和抽吸力，作用过程是先后的，但这两种力的瞬时先后作用能将滞留在基层顶面的浆水吸出表面，使沥青膜逐渐剥落，沥青混凝土面层向下变形并形成网裂或很快形成坑槽甚至于形成更大的病害，而载重货车特别是超限车辆通过时所产生的水压力和抽吸力比小型车辆所产生的要大得多，因此车辆超限造成的路面水破坏更加严重。

2.2 辙槽现象

辙槽，也称为车辙，是沥青路面特有的一种损坏现象，产生在轮迹带上。 在与时间有关的荷载因素和气候因素共同作用下，轮迹带逐渐产生下洼形变并形成两条纵向槽，严重时两侧通常有鼓起形变。 辙槽现象的产生是由于路面受到剪应力作用，剪应力对路面破坏很严重，影响范围主要在面层以下。100kN 轴重作用下，面层下 2~7cm 是剪应力作用最大范围，130kN 轴重作用下，3~8cm 是最大范围， 而 180kN 轴重时则是 3~9cm， 在这个范围内最容易产生辙槽，轴重越大，同一层位内的剪应力也越大，其不利影响就更大。超限车辆过多，超限过于严重使路面受到的剪应力作用达大，超过路面材料的抗剪强度会引起路面的疲劳作用，使其整体的承载力下降，造成病害，影响行车。

2.3 裂缝现象

纵向裂缝是当轮迹带产生时，同于荷载重复任作用产生的，是龟裂的初期表现。龟裂产行车荷载反复作用的结果，由最初产生的主要原因是衍变成裂缝网。裂缝产生的主要原因是路面承受拉应力的作用。当荷载作用下，路面受到拉应力的作用，当荷载作用于其正上方时，所受拉应力最大，长期受到较大荷载作用后，路面会产生疲劳破坏，这种破坏通常从面层底部开始发生，表现为层底产生裂缝，逐渐向表面发展。结构层达到临界疲劳状态时所承受的荷载重复次数称为疲劳寿命，其大小主要取决于所受到应力作用的大小及作用次数的多少，也就是荷载作用的大小及作用次数的多少。路面疲劳设计大多数是以面层底部拉应力或拉应变作为控制指标，荷载大小对其有较大影响因素。有实验证明，以轴重 100kN 为基准，轴重每增加某一百分率，基层底面拉应力增大的百分率为前者的 92%， 底基层底面拉应力增大相同的百分率，可见超限车辆的行驶加剧了裂缝的产生和扩展。

2.4 对抗滑性能的影响

影响路面抗滑性能的因素有很多，轮胎与路面摩擦力主要受轮胎、行车速度、气候、路面表面构造原影响。大量超限车辆的行驶严重破坏了路面的表面构造，降低了路面抗滑性能，影响行车安全。 表征路面抗滑性能的指标有摆值和构造深度等。

3 我国沥青路面结构设计方法

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

参考文献：

[1] 孟书涛.沥青路面早期损坏与结构设计的关系.交通部公路科学研究所,2007.

[2] 林活生;罗礼文. 沥青路面质量的控制技术探讨[J]．科技创新导报,2009,（11）.