沥青路面早期损坏与结构设计的关系

 沥青路面早期损坏与结构设计的关系

  沥青路面早期损坏与路面结构设计不合理有很大关系，从现有沥青路面结构早期损坏情况看，不可否认，在沥青路面结构设计方面存在一定的不合理性。

很多地区尽管沥青路面早期破坏的现象和特征不尽相同，但对于水损坏、车辙等与设计路面结构设计密切相关的早期损坏是普遍存在的。对于我国现行沥青路面结构设计存在的一些问题，主要表现如下：

    1、设计指标唯一。尽管沥青路面结构设计中包含弯沉和弯拉应力验算指标，但实际在沥青路面结构设计中，弯沉成为路面结构设计的唯一指标，也即使说按照现有的规范方法，在路面设计弯沉满足的条件下，弯拉应力验算肯定是通过的，使得设计指标成为唯一。

    2、设计指标不可控制。设计指标应该是路面结构可能产生损坏的控制指标，即设计模型与路面结构损坏模型应该一致，但实际情况告诉我们，弯沉指标无法与多种破坏类型和破坏标准相统一、协调，现有沥青路面的损坏湖设计模式大不相同，设计指标形同虚设。路面设计的宗旨是防止在设计年限内总交通量反复荷载作用引起路面疲劳破坏，实际上绝大部分路面在交通量远未达到设计交通量的早期已经发生了破坏，疲劳破坏的指标还没起到控制作用。路面结构设计基本思想是路面结构的承载能力主要依靠半刚性基层，路面结构破坏就意味着基层破坏。实际上现在许多高速公路的弯沉值都非常小，似乎路面不应该破坏，可是实际却坏了。另一方面，一旦水渗入基层、路基、弯沉又会变得很大。也就是说，路面破坏程度与路面验收时的弯沉经常不相关。

     3、理论验算定条件不准确。按照现有公路沥青路面设计规范，在进行沥青路面结构弯拉应力验算时，假定层间接触条件是连续接触，在这种条件下进行应力验算，半刚性基层顶面的沥青面层处于受压状态，所以沥青面层不会发生弯拉疲劳破坏。实际上，很难做到沥青层与半刚性基层的连续，即使是沥青的上、中、下面层之间，由于施工污染，施工非连续性等原因，沥青层之间都有可能是部分连续或者滑动的，在荷载、水等外界因素作用下，层间界面连接状态的改变是必然的，因此路面结构设计时的假定条件是不准确的，在这种情况下，理论验算结果的准确性可想而知。

     4、对其他路面结构形式限制。由于沥青路面弯沉设计指标的存在和指标标准的不断提高，在国外大量成功应用的柔性基层沥青路面结构在我国无法得到应用，尽管规范中也列出了柔性基层的结构形式，实际上从设计指标本身就已经决定了柔性结构不可能应用。

     5、弯沉回归公式不可随意外延。1978年柔性路面设计规范中的弯沉公式是现行公路沥青路面设计规范的基础，原来的弯沉与累计通行轴轴载次数的关系式是根据对当时国内沥青路面结构和路况条件进行调查回归得到的，现在路面结构形式以及交通荷载情况与30年前有很大的不同，决定路面设计的关键指标弯沉公式多年来虽几经修正，但其对现有交通条件路面结构形式下的适应性值得怀疑。

    6、路面材料设计参数与实际路用性能缺乏关联性。路面设计采用理论计算方法看似很先进，实际上材料设计参数一般只是通过室内试验确定。过很多研究表明，路面材料在实际使用过程，其室内性能与路用性能之间的关系并没有很好的相关性，而我们的设计人员在路面结构设计过程中，一般仅通过取规范推荐的材料参数中值得的简单办法进行设计，更谈不到去建立路面材料室内力学性能与野外路用性能的关系，所以其设计过程实际上只是个形式。通过对沥青路面结构设计中存在问题的分析可以看出，在设计上，沥青路面发生早期损坏现象是必然的。也就是说，沥青路面结构设计本身就是矛盾的，设计模型的与沥青路面早期损坏模式没有较好的相关关系。

    大部分地区沥青路面结构性早期损坏，应提高长期使用性能的途重点应该从优化结构组合设计，合理利用路面材料性能等方面着手。我们通过对级配碎石材料和沥青稳定碎石材料系统的研究以及试验路和实体工程修建的实践发现，在我国使用级配碎石和沥青稳定碎石材料在技术方面是可行的。采用力气能够稳定碎石基层结构虽然会在建设时提高路面结构造价，但其造价仅仅占公路总造价的1`%~1.5%左右，而其后期使用性能的提高和养护费用的减少则可以获得更大的经济效益。

    根据统计，在已建成的25000公里高速公路中，沥青路面约占85%~90%。全国高速公路沥青路面几乎都采用半刚性基层，可以说，半刚性基层沥青路面是我国高速公路的主要路面结构形式，甚至是惟一的路面结构形式。

    半刚性基层沥青路面之所以成为我国高速公路主要路面结构形式是历史的选择，其发展并得到广泛应用的过程是和我国国情紧密相关的。半刚性基层沥青路面结构产生的两个主要原因是：

    （1）国内道路沥青严重缺乏，而沥青面层所用的沥青混凝土是路面结构中造价最高的一部分，因此为了降低公路建设的造价，需要尽可能减薄沥青层的厚度；

    （2）在沥青路面结构设计理念上，如果减薄沥青面层厚度并必须满足交通荷载对路面结构承载能力的要求，就需要加强基层的强度，使基层成为承受交通荷载的主体。这种情况下，因为半刚性材料具有整体强度高、板体性好的特点，半刚性基层沥青路面结构应运而生。

    交通部公路科学研究所正是在这种历史条件下，在"七五"和"八五"期间，完成了"高等级公路半刚性基层重交通道路沥青面层和抗滑表层的研究"课题，形成了较完整的半刚性基层沥青路面设计施工成套设备技术。

    国外在上个世纪50、60年代也对半刚性基层材料进行了大量对比和试验研究，并根据半刚性基层材料的使用性能，归纳出以下主要结论：

    （1）多数采用无机结合料稳定的粒料只能用作底基层，有的国家只用作路基改善层。这是因为采用无机结合料稳定粒料基层容易产生开裂，为了防止反射裂缝，一般都在底基层与沥青面层间增加一层粒料过度层，以减少反射裂缝。

     （2）使用最广泛的结合料是水泥，国外一般称为水泥处理基层（Cement Treated Bese--CTB）。需要指出的是，无机结合料稳定粒料一词中"稳定"是以改善和提高结构层强度为目的，并对无机结合料的强度进行了限制，并非越高越好；

    （3）无机结合料稳定基层上面的沥青混凝土结构层的总厚度一般大于20cm。欧洲及日本等国家的高速公路实践表明，半刚性基层沥青路面是上个世纪60年代的主要路面结构类型，现在已经成为次要的路面结构类型。从半刚性基层沥青路面产生和应用以及国外的经验看，半刚性基层沥青路面在我国的广泛应用是必然的，同时在对半刚性基层沥青路面的长期使用性能研究和使用条件的认识方面，我们是不全面的。

 通过对沥青路面早期破坏现象与路面结构设计中存在问题的分析，我们可以看出，造成沥青路面结构发生早期损坏的原因是复杂的，但作为最直接的沥青路面结构设计来说，需要在以下几个方面加强研究，以解决或减少沥青路面的早期损坏。

    （1）在沥青路面设计规范中增加对沥青路面功能性指标的要求，提高沥青路面的长期路用性能。

    （2）建立沥青路面结构设计模型与破坏模型联系，确定控制路面发生损坏和早期损坏的关键指标作为设计指标；

    （3）加强半刚性基层与沥青面层的连接状况，在进行应力验算时，应根据使用条件选择层间界面的接触条件；

    （4）开展包括柔性基层沥青路面结构在内多种路面结构形式的研究，把沥青路面结构组合设计作为路面结构设计的重点。

    （5）开展路面材料室内力学性能与野外路用性能的联系的研究，使得设计结果更准确，提高沥青路面结构的使用性能。