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摘要:本文通过实例讨论了重载交通作用下对沥青路面使用寿命的影响，分析了长寿命沥青路面设计研究现状，并在沥青路面设计基础上，对长寿命沥青路面采用优化组合设计方法，提出在路面结构设计过程中应充分合理的考虑重载交通的影响，为延长沥青路面使用寿命、发挥其最大经济效益的设计提供了参考。
关键词:重载交通；沥青路面；疲劳寿命；组合设计
中图分类号: U416.217
1．引 言
随着公路事业的发展，车辆重型化以及速度的提高，使交通运输呈现出“大流量、重载和渠化交通”的特点。带来的负面效应是：引起实际累计标准轴载的巨增，直接导致路面出现严重的损坏，缩短了路面的预期使用寿命，降低了路面服务功能。为了发挥道路的最大经济效益，提高路面的使用寿命是重要方法，研究在重载交通作用下沥青路面如何实现长寿命更是发展方向 [1]。
2．沥青路面计算公式
路面的破坏是在正常使用情况下，行车荷载的多次反复作用引起，此时路面的破坏无明显的永久变形，路面的开裂大都表现为网状的细微开裂。设计年限内标准轴载(单轴双轮组BZZ-100)的累计当量轴次 计算公式[2] [10]:
（1）
路面整体控制指标 计算公式：
（2）
其中, 为设计年限内一个车道上累计当量轴次； 为设计年限内交通量年平均增长率； t为设计年限； 为车轮轮迹横向分布系数； 为轴数系数； 为轮组系数； 为被换算车辆的各级轴载作用次数，次/d；P 为标准轴载，kN； 为被换算车辆的各级轴载，kN；为路面设计完沉值，0.01mm； , , 分别为公路等级、路面面层类型、基层类型系数。在进行半刚性基层、底基层层底拉应力演算时轴载换算采用下式：
（3）
3．重载交通长寿命沥青路面设计分析
沥青路面结构设计理念大致分为两类，厚半刚性基层思想和厚沥青面层思想。前者在保持现有沥青面层厚度的基础上，优化其使用性能，并增强半刚性基层厚度，进一步提高路面结构承载能力，即“强基优面”；后者则是增大沥青面层厚度，基层仍然采用半刚性材料或级配碎石[4]。通过近些年我国高速公路大规模建设中出现的问题，认为增厚沥青面层是一种比较有效的防止早期破坏的方法，但由于资源的紧缺造成投资的大幅增加，而国外的全厚式沥青路面是否能直接用于我国的路面设计也未有定论。
目前，国内长寿命沥青路面主要还是针对半刚性基层沥青路面展开研究。长寿命沥青路面是一种设计理念，长寿命沥青路面绝不仅仅是增加沥青面层的厚度，实现长寿命不单是路面研究范畴，是需要综合考虑地区气候差异、路面设计、材料特性、施工工艺、养护技术及项目管理的系统工程[7]。
我国高速公路沥青路面的早期破坏有多种形式，其中对沥青路面使用性能和使用寿命影响最大的是在疲劳荷载作用下产生的结构性破坏、水破坏、车辙等。国外沥青路面同样存在早期破坏现象，只是由于气候条件和交通条件的差异，破坏的数量和严重程度有所不同。
4．重载交通对沥青路面影响实例
以黄河JN150和JN360为例，当载重超载50%，100%，150%，200%时车辆轴载参数如下：
表1超载情况下的参数
Tab1 parameter in over-loading
由计算结果可以看出，当车辆超载50%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的3倍；超载100%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的6倍～8倍，超载150%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的13倍～14倍；超载200%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的24倍～26倍。由此可见,车辆超载后，同样的交通量,路面所承受的标准轴载作用次数显著增加。
通过(1)，(3)计算，当超载30%时，高速公路路面结构使用寿命由15年降低到7.1年，一级公路路面结构的使用寿命由12年降低到5.7年，二级公路路面结构的使用寿命由12年降低到5.9年；当超载100%时，高速公路的路面结构只能使用1.4年，一级公路的路面结构只能使用1.1年，二级公路的路面结构只能使用1.2年。
通过上述分析可见，道路在实际运营过程中，车辆的超载、超限(轴载大于130kN)势必造成在运营的很短期限内就可能达到道路设计所能承受的累计当量轴次,这样道路就会很快出现疲劳裂缝、沉陷等破坏现象，降低路面的服务功能和使用寿命[3]。
5．路面设计组合分析
5.1设计目的
路面结构组合设计的目的是使路面结构在设计使用年限内能承受重载及各种自然因素的作用，而不发生结构性破坏和其它早期破坏现象，做到技术上可行、经济上合理。
5.2基于抗疲劳设计
荷载不变，路面厚度增加其路面顶部压应变、底部拉应变绝对值均减小，当底部疲劳拉应变小到一定程度则可以认为其疲劳寿命是无限的（即疲劳作用次数是无限大），所以可以为路面结构设计一个适当的厚度，使底部的拉应变减小，即可保证基层底部不发生疲劳破坏，使用足够厚的沥青层将防止疲劳开裂的发生。对于抗疲劳开裂的沥青底面层材料，增加沥青含量有助于改善混合料柔性，高沥青含量混合料有助于抵抗更高所弯拉应变，从而获得更长的疲劳寿命。
目前有研究证明，瀝青混合料压实情况好可以使面层劲度显著提高，减小了拉应变，那么增大压实度以提高劲度，也可以减小混合料的脆性，在给定拉应变条件下增加其疲劳寿命。因此，对于抗疲劳层，仅仅增大沥青含量不一定能提高结构抗疲劳性能，增大沥青含量会导致混合料劲度降低[8]。
5.3基于抗变形设计
研究发现[9]：无论沥青层厚度多厚，在沥青层表面2.5cm范围内其车辙变形很小，原因在于，在沥青层表面处由于轮载产生的水平约束应力与竖向应力相当。与表面2.5cm的沥青层相比，该层下面的亚层在5～10cm范围内达到最大值这表明沥青混合料产生最大车辙区域不超过上部7.5～12.5cm深度范围，超过该深度范围只有较小的车辙增量。同时，随着沥青层厚度增大沥青层车辙的最大值减小，而沥青混合料厚度接近10cm处其车辙值最大。
采用低品质的沥青混合料时，增加其厚度并不能减小沥青面层的车辙，反而可能会增大车辙。一般来说，增大沥青面层厚度不能显著减小整个沥青层的车辙，但是会显著减小粒料基层、底基层及土基的永久变形。因此，我国的高速公路不能盲目的借鉴国外经验，增大沥青面层厚度既浪费又无益于减小车辙。
5.4基于路面耐久性设计
路面在使用过程中，在车辆动载作用下容易出现水破坏现象；在重载、超载和超重车辆作用下容易出现车辙和top-down表面开裂；随着使用年限的增长，沥青路面表面层功能会出现衰减，主要表现为平整度、抗滑性能和排水能力的下降。因此，为保持路面良好的耐久性能，沥青面层各层采用合适的沥青含量且混合料得到很好的压实，路面结构各层层间粘结完好，确保整个路面结构层成为一个整体抵抗行车荷载的作用。
6．结论
重载交通对沥青路面影响较大，是路面结构早期破坏的主要原因之一，同时对路面的使用寿命有较大的影响。因此在沥青路面设计过程中应充分考虑重载交通对路面结构的影响，在设计过程中标准轴载的换算、应力演算等过程中应采用合理的方法对重载交通予以考虑；同时对沥青路面结构进行优化组合设计，有助于延长沥青路面的寿命。
关键词:重载交通；沥青路面；疲劳寿命；组合设计
中图分类号: U416.217
1．引 言
随着公路事业的发展，车辆重型化以及速度的提高，使交通运输呈现出“大流量、重载和渠化交通”的特点。带来的负面效应是：引起实际累计标准轴载的巨增，直接导致路面出现严重的损坏，缩短了路面的预期使用寿命，降低了路面服务功能。为了发挥道路的最大经济效益，提高路面的使用寿命是重要方法，研究在重载交通作用下沥青路面如何实现长寿命更是发展方向 [1]。
2．沥青路面计算公式
路面的破坏是在正常使用情况下，行车荷载的多次反复作用引起，此时路面的破坏无明显的永久变形，路面的开裂大都表现为网状的细微开裂。设计年限内标准轴载(单轴双轮组BZZ-100)的累计当量轴次 计算公式[2] [10]:
（1）
路面整体控制指标 计算公式：
（2）
其中, 为设计年限内一个车道上累计当量轴次； 为设计年限内交通量年平均增长率； t为设计年限； 为车轮轮迹横向分布系数； 为轴数系数； 为轮组系数； 为被换算车辆的各级轴载作用次数，次/d；P 为标准轴载，kN； 为被换算车辆的各级轴载，kN；为路面设计完沉值，0.01mm； , , 分别为公路等级、路面面层类型、基层类型系数。在进行半刚性基层、底基层层底拉应力演算时轴载换算采用下式：
（3）
3．重载交通长寿命沥青路面设计分析
沥青路面结构设计理念大致分为两类，厚半刚性基层思想和厚沥青面层思想。前者在保持现有沥青面层厚度的基础上，优化其使用性能，并增强半刚性基层厚度，进一步提高路面结构承载能力，即“强基优面”；后者则是增大沥青面层厚度，基层仍然采用半刚性材料或级配碎石[4]。通过近些年我国高速公路大规模建设中出现的问题，认为增厚沥青面层是一种比较有效的防止早期破坏的方法，但由于资源的紧缺造成投资的大幅增加，而国外的全厚式沥青路面是否能直接用于我国的路面设计也未有定论。
目前，国内长寿命沥青路面主要还是针对半刚性基层沥青路面展开研究。长寿命沥青路面是一种设计理念，长寿命沥青路面绝不仅仅是增加沥青面层的厚度，实现长寿命不单是路面研究范畴，是需要综合考虑地区气候差异、路面设计、材料特性、施工工艺、养护技术及项目管理的系统工程[7]。
我国高速公路沥青路面的早期破坏有多种形式，其中对沥青路面使用性能和使用寿命影响最大的是在疲劳荷载作用下产生的结构性破坏、水破坏、车辙等。国外沥青路面同样存在早期破坏现象，只是由于气候条件和交通条件的差异，破坏的数量和严重程度有所不同。
4．重载交通对沥青路面影响实例
以黄河JN150和JN360为例，当载重超载50%，100%，150%，200%时车辆轴载参数如下：
表1超载情况下的参数
Tab1 parameter in over-loading
由计算结果可以看出，当车辆超载50%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的3倍；超载100%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的6倍～8倍，超载150%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的13倍～14倍；超载200%时，折算后标准轴载的作用次数约为额定载重的24倍～26倍。由此可见,车辆超载后，同样的交通量,路面所承受的标准轴载作用次数显著增加。
通过(1)，(3)计算，当超载30%时，高速公路路面结构使用寿命由15年降低到7.1年，一级公路路面结构的使用寿命由12年降低到5.7年，二级公路路面结构的使用寿命由12年降低到5.9年；当超载100%时，高速公路的路面结构只能使用1.4年，一级公路的路面结构只能使用1.1年，二级公路的路面结构只能使用1.2年。
通过上述分析可见，道路在实际运营过程中，车辆的超载、超限(轴载大于130kN)势必造成在运营的很短期限内就可能达到道路设计所能承受的累计当量轴次,这样道路就会很快出现疲劳裂缝、沉陷等破坏现象，降低路面的服务功能和使用寿命[3]。
5．路面设计组合分析
5.1设计目的
路面结构组合设计的目的是使路面结构在设计使用年限内能承受重载及各种自然因素的作用，而不发生结构性破坏和其它早期破坏现象，做到技术上可行、经济上合理。
5.2基于抗疲劳设计
荷载不变，路面厚度增加其路面顶部压应变、底部拉应变绝对值均减小，当底部疲劳拉应变小到一定程度则可以认为其疲劳寿命是无限的（即疲劳作用次数是无限大），所以可以为路面结构设计一个适当的厚度，使底部的拉应变减小，即可保证基层底部不发生疲劳破坏，使用足够厚的沥青层将防止疲劳开裂的发生。对于抗疲劳开裂的沥青底面层材料，增加沥青含量有助于改善混合料柔性，高沥青含量混合料有助于抵抗更高所弯拉应变，从而获得更长的疲劳寿命。
目前有研究证明，瀝青混合料压实情况好可以使面层劲度显著提高，减小了拉应变，那么增大压实度以提高劲度，也可以减小混合料的脆性，在给定拉应变条件下增加其疲劳寿命。因此，对于抗疲劳层，仅仅增大沥青含量不一定能提高结构抗疲劳性能，增大沥青含量会导致混合料劲度降低[8]。
5.3基于抗变形设计
研究发现[9]：无论沥青层厚度多厚，在沥青层表面2.5cm范围内其车辙变形很小，原因在于，在沥青层表面处由于轮载产生的水平约束应力与竖向应力相当。与表面2.5cm的沥青层相比，该层下面的亚层在5～10cm范围内达到最大值这表明沥青混合料产生最大车辙区域不超过上部7.5～12.5cm深度范围，超过该深度范围只有较小的车辙增量。同时，随着沥青层厚度增大沥青层车辙的最大值减小，而沥青混合料厚度接近10cm处其车辙值最大。
采用低品质的沥青混合料时，增加其厚度并不能减小沥青面层的车辙，反而可能会增大车辙。一般来说，增大沥青面层厚度不能显著减小整个沥青层的车辙，但是会显著减小粒料基层、底基层及土基的永久变形。因此，我国的高速公路不能盲目的借鉴国外经验，增大沥青面层厚度既浪费又无益于减小车辙。
5.4基于路面耐久性设计
路面在使用过程中，在车辆动载作用下容易出现水破坏现象；在重载、超载和超重车辆作用下容易出现车辙和top-down表面开裂；随着使用年限的增长，沥青路面表面层功能会出现衰减，主要表现为平整度、抗滑性能和排水能力的下降。因此，为保持路面良好的耐久性能，沥青面层各层采用合适的沥青含量且混合料得到很好的压实，路面结构各层层间粘结完好，确保整个路面结构层成为一个整体抵抗行车荷载的作用。
6．结论
重载交通对沥青路面影响较大，是路面结构早期破坏的主要原因之一，同时对路面的使用寿命有较大的影响。因此在沥青路面设计过程中应充分考虑重载交通对路面结构的影响，在设计过程中标准轴载的换算、应力演算等过程中应采用合理的方法对重载交通予以考虑；同时对沥青路面结构进行优化组合设计，有助于延长沥青路面的寿命。