略论沥青路面设计存在的若干问题及改进

　　摘要：下文论述了我国现行沥青路面结构设计方法，分析了沥青路面设计中存在的一些问题，并提出了几点改进措施，仅供参考。
　　
　　关键词：沥青；路面设计；问题
　　
　　1设计理论
　　当年，壳版石油公司研究所进行了以下的研究：
　　计算方法方面，编制了BISTOR和BISAR电算程序，解决了多层体系应力、应变的计算问题；对沥青混合料抵抗疲劳和永久变形的性能进行了研究；在室内环道和野外现场进行了新的试验，尤其在高温时（60℃）层状体系理论的适用性得出了肯定的评价，据此提出了1978年版的设计方法。
　　1.1路面模型
　　1.1.1把路面层体系，面层材料土基场面弹性模量E和泊松比μ表征，除土基μ用0.35外，各层材料μ用0.25，材料性质假定为均质的、各向同性的，各层水平方向为无穷大，土基在向下的深度方向也为无限，但一般以三层连续体系为基础。
　　1.1.2荷载图式采用一个圆或几个圆上作用着垂直和水平的均布荷载，荷载以双轮组单轴载100kN为标准轴载，以BZZ—100表示；单轮传压面当量圆直径δ为21.3cm；两轮中心距为1.5倍当量圆直径；至于层间接触，假定为多层弹性体系层间完全连续接触条件。
　　这就从根本上改变了过去所有设计方法都把双轮当作当量的单圆的不合理规定，使荷载图式开始接近实际。
　　1.2计算机计算
　　1968年开发的BISTOR程序可计算多层连续体系单轴或双轴垂直荷载下任一点的应力、就变和位移，包括主应力、主应变及其作用方向。1973年开发的BISAR程序扩大到可计算n层垂直荷载和水平荷载或综合荷载，层间接触条件也扩展到完全连续、完全滑动、或部分连续部分滑动三种状况。对沥青面层处于高温状态时，试验证明当处于短促荷载时间及出现较小的变形时，即使温度高达60℃，如果沥青面层的性质以劲度模量表示，则按弹性层状体系理论计算结果与用非线性弹性或粘弹性理论所得结果并无差别。
　　2设计指标
　　高速公路、一级公路、二级公路的路面结构。以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计控制指标；三级公路、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度。
　　3设计参数
　　3.1交通分析
　　标准轴载统一采用BZZ-100标准，推荐以轴载比表达的换算公式;仍采用弯沉等效、层底拉应力等效原则，根据多层弹性理论分析弯沉、拉应力与轴载P或π、δ因素的关系。结合公路上实测不同轴载汽车的弯沉对比、疲劳试验、容许弯沉公式以及直槽测试拉应变验证提出。路面刚度用弯沉值控制，Ld=Lo=LR/AT，其中Ld为设计弯沉值；LR为容许弯沉；AT为相对弯沉变化系数；Lo为竣工验收弯沉值，且：
　　
　　式中，Ld为设计弯沉值（0.01mm）；Ne为设计年限内一个车道上的累计当量轴次（次/车道）；As为面层类型系数；Ac为公路等级系数；Ab为路面结构类型系数（半刚性基层沥青路面取1，柔性基层沥青路面取1.6）。
　　强度验算中要求路面的疲劳弯拉应力σm≤σr，其中σr为容许拉应力，它是通过σsp和Ks来确定的，σsp为在规定条件下通过劈裂试验获得的材料劈裂强度，也称为间接抗拉强度；Ks为抗拉强度修正系数，是根据沥青混合料或半刚性材料疲劳规律并考虑间歇时间、裂缝传播速度、交通量折减和横向分布等室内外试验条件的差异等因素经修正而得出的，且：
　　
　　式中，Ag为沥青混合料级配系数（细、中粒式取1，粗粒式取1.1）。
　　3.2材料设计参数
　　材料的模量是表征材料刚度特征的指标；抗拉应力是反映材料强度的指标，这两个重要指标均是以静态参数为前提。弯沉拉应力指标均用静态抗压回弹模量计算，抗拉强度σsp由圆柱体劈裂试验来测定，而静态抗压回弹模量E静压又是通过σsp来确定。以沥青层或半刚性结构层的层底拉应力为设计或验算指标时，应在l5℃条件下测试沥青混合料的抗压回弹模量。路面厚度计算时，引用了综合弯沉修正系数：
　　
　　式中，Ls为实测弯沉值；Eo为土基回弹模量值；P为标准车型的轮胎接地压强（MPa）；δ为当量圆半径。该经验公式是通过试验路段的结果回归分析得出的。
　　4存在的问题
　　在沥青路面设计中应该注意以下一些问题：从设计角度看，材料的低温抗裂性没有得到完全体现；沥青混合料的参数取值有一定的局限性，其回弹模量和抗拉强度应力都是在静态作用的前提下得出的，而实际道路行车时所受的荷载都是动态的、随机的，与实际有较大出入；对路面在反复荷载作用下出现的车辙问题，不能从设计角度加以控制；
　　对设计弯沉值计算中所用到的基层类型系数考虑不全面，取值范围较单一；半刚性基层Ab取值为1、柔性基层取值为1.6，在l和1.6之间的区间较宽；由于对基层的半刚性与柔性并没有给出明确的界定，弯沉综合修正系数F存在一定的缺陷，因为F经验公式是对试验路段的试验结果的经验总结，通过数据回归分析而得出的，由于试验路段本身在施工条件、方法、环境等方面的特殊性，与实际有一定的差距，再加上路段的代表性、地理位置、人为因素等都会影响F的真实性；对沥青路面的低温开裂和车辙问题。在设计阶段考虑不足。
　　5解决措施
　　为解决上述问题，使设计方法更接近于路面的实际使用情况。下面拟从设计理论、设计标准、材料参数等方面提出一些改进建议。
　　5.1设计理论
　　现在的路面设计程序。如HPDS2006等，通过电算计算双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状连续体系的精确解，取代了过去有一定误差的查图法，但多层弹性层状体之间，并不一定是完全连续的，对于绝对光滑或部分连续光滑没有考虑，即使考虑也无法计算出精确解，故与实际结果有一定误差，所以不妨参考引进SHELL设计法中的BISAR程序，可以计算N层体系作用垂直和水平荷载层间的三种状况。
　　5.2设计标准
　　5.2.1以弯沉为设计标准，拉应力验算只是静态作用，没有考虑路基的垂直压应变ξz与重复荷载作用次数N之间的关系，这正是控制车辙的一个主要因素故应加以考虑，把该推荐指标引入设计中：
　　5.2.2沥青面层只是以层底拉应力为验算指标，而水平拉应变ξθ没有体现出来，拉应变正是沥青面层疲劳开裂破坏的一个重要指标，而ξθ与N有关系，故可以引入关系式ξθ=CN，C为混合料的类型系数，它与模量有关；
　　5.2.3对于其他整体性基层的设计，我国也只是用拉应力验算，故在此也应引入水平拉应变及与荷载次数N之间的联系；
　　5.2.4路面表面的总变形主要是由于表面层在重复荷载的作用下引起的，表面上看就是车辙，而该指标在我国设计方法中根本就没有涉及，更谈不上控制了，所以可以引入国外设计法中的表面总变形指标△h，计算如下：
　　
　　式中，hi为第i层沥青混合料层的厚度；σi为行驶的车轮下沥青层内的平均应力，σ=mp；P为接地压力；m为平均压力与轮载接地压力之比；Smη为沥青粘滞部分的劲度，Smη=3η/Wto;η为粘度；w为车辙通过次数等效数，且W=C2A2N；to为一次通过的时间；C2为系数，每条车辙的总轮数与每个车道总轴数之比，一般等于1.4；A为依赖于轮载谱的比例系数；Cm动载修正系数。另外，车辙深度RD按下式计算：科式中，Δh为基层的永久变形；Δδo为土基的永久变形；
　　5.2.5在温度急剧变化的地区，由于温度应力超过沥青层抗拉强度而引起沥青面层的低温缩裂，与荷载无关，我国以抗拉强度σ≤σr，进行控制，但如果材料温度应变过大也会产生开裂，所以也应考虑用水平拉应变ξθ来辅助控制。
　　5.3材料参数
　　对于材料的回弹模量，我国主要采用静态下的抗压模量静。如在路基土回弹模量值测定中用承载板法测定结果，只能是静态值，而没有采用动态弯沉仪或测震仪测定其动态回弹模量，所以应考虑运用动态仪测定，以使设计参数更切合实际。
　　6结语
　　当前，我国沥青路面设计虽然有较大改进，但在设计指标的运用、设计参数的选取、设计标准的更新上仍需要不断完善，做到具体问题具体分析。同时争取减少沥青路面设计中的随意性和盲目性，在实践中不断地总结沥青路面设计的经验，以指导设计和施工。