【正文】 路面、半剛性基層路面、組合式基層瀝青路面以及剛性基層瀝青路面，路面結構總厚度均為76cm。表21 不同基層瀝青路面的結構組合柔性路面半剛性基層瀝青路面組合式路面剛性基層路面瀝青混凝土18cm，1800MPa瀝青混凝土18cm，1800MPa瀝青混凝土18cm，1800MPa瀝青混凝土10cm，1800MPa瀝青碎石27cm，1000MPa水泥穩(wěn)定碎石38cm，4000MPa瀝青碎石7cm，1000MPa水泥混凝土26cm，33000MPa級配碎石16cm，500MPa二灰土20cm，1000MPa級配碎石15cm，500MPa水泥穩(wěn)定碎石20cm，4000MPa二灰土15cm，1000MPa水泥穩(wěn)定碎石16cm，4000MPa二灰土20cm，1000MPa二灰土20cm，1000MPa 土基內壓應力鋪筑路面結構層的作用之一就是擴散車輪荷載，減少路基內的應力值，防止路基產(chǎn)生過量塑性變形，從而導致路面結構破壞。圖21為不同基層結構瀝青路面土基內的壓應力分布。從圖中可以看出，隨著土基深度的增加，土基內受到的壓應力迅速減?。磺译S著基層剛度的增大，壓應力逐漸減小。由于土基的塑性變形一般與其豎向壓應力成正比，所以半剛性基層瀝青路面內土基的永久變形比柔性路面要小得多，這也是半剛性基層瀝青路面的一大優(yōu)勢。 路表彎沉路表彎沉是路基和路面結構層不同深度處豎向變形的總和。圖22為不同基層結構瀝青路面路表彎沉的分布?？梢钥闯?，隨著基層剛度的增加，路表的彎沉值不斷減小，即路面的承載能力不斷增強。在荷載中心處，；隨著計算點向外偏移，兩者差值逐漸減??；到了遠離荷載中心3m處，柔性路面的彎沉甚至大于半剛性基層瀝青路面，說明半剛性基層的荷載擴散能力較強，荷載影響半徑較大。 水平向應力瀝青路面結構內的水平向應力性質以及分布狀態(tài)直接與路面疲勞性能相關。圖23為不同基層結構瀝青路面水平向應力隨深度的分布規(guī)律。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著基層剛度由小到大，基層內承擔的荷載應力比重逐漸增加，表現(xiàn)為瀝青面層內壓應力越來越小，基層內的拉應力不斷增大。通過分析與疲勞性能密切相關的層底拉應力指標，可以看出半剛性基層瀝青路面面層整體都受壓，所以路面結構只需考慮基層的疲勞壽命。 面層內剪應力車輪荷載引起的路表面最大剪應力超過面層材料的抗剪強度時，路面將產(chǎn)生各種剪切變形，形成波浪、車轍、擁包等病害，從而降低路面的使用性能。圖24為不同基層結構瀝青路面面層內剪應力分布情況。面層內剪應力沿深度方向呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在路表下3～6cm深度處出現(xiàn)最大值，這也從力學角度解釋了瀝青層內車轍病害主要發(fā)生在中面層的現(xiàn)象。隨著基層剛度的增大，瀝青層內的剪應力逐漸降低，產(chǎn)生車轍的可能性不斷減小。在幾種不同基層的路面結構中，半剛性基層瀝青路面的抗車轍能力較強，尤其在中下面層表現(xiàn)更為明顯。圖21 土基頂面壓應力分布圖22 路表彎沉水平向分布圖23 水平向應力分布圖24 面層內剪應力分布 我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范評述我國對瀝青路面設計方法研究的歷史并不長。從1958年交通部制定了《路面設計規(guī)范（草案）》之后，隨著我國高速公路建設的發(fā)展和公路建設水平的提高，經(jīng)過幾十年的廣泛研究，我國的瀝青路面設計方法得到逐步的完善，現(xiàn)行的瀝青路面設計規(guī)范為《公路瀝青路面設計規(guī)范（JTJ 014－97）》[12]采用的主要路面結構控制指標為路表彎沉值和各結構層層底拉應力。 設計指標分析1. 路表彎沉現(xiàn)行規(guī)范以路表彎沉為主要設計指標，路面厚度計算是根據(jù)多層彈性理論、層間接觸條件為完全連續(xù)體系時，在雙圓均布荷載作用下，輪隙中心處實測路面彎沉值等于設計彎沉值為原則，力學模型如圖25所示。圖25 計算圖式而經(jīng)國內學者大量研究發(fā)現(xiàn)，以彎沉為設計指標存在以下的問題[13～15]：(1) 許多高速公路在竣工驗收時路表彎沉經(jīng)常不大于10（），平均值一般為5～6（），遠遠小于路面的設計彎沉20～30（），但是短短幾年內就發(fā)生嚴重的早期損壞，此時彎沉卻并不大，往往小于設計彎沉，說明彎沉與路面破壞并不是非常對應，以彎沉為設計標準的方法對半剛性基層瀝青路面已失去控制意義。(2) 對于同一種路面結構，路表彎沉值的大小可以反映出路面結構的抗變形能力，路表彎沉值小的路面結構具有較大的承載能力和較長的使用壽命。因而，可依據(jù)相同的破壞標準判斷其承載能力。但對于不同種類的路面結構，路表彎沉值大的路面結構，其承載能力或使用壽命并不一定會比路表彎沉值小的路面結構差；反之亦然。因而，不能僅依據(jù)這一指標值來判斷路面結構的承載能力，或者比較出不同路面結構承載能力的高低。(3) 采用路表彎沉值作為設計指標的基本觀點認為，路面破壞是由于變形所引起的，即路面結構的總變形量達到一定程度后路面即出現(xiàn)破壞。然而，路面是一種多層結構，各層結構具有不同的幾何和力學屬性。路面結構的損壞，既可能是由于某一組成部分或整個結構的過量塑性變形引起，也可能起因于結構層內某處的應力或應變量超出了該處材料的疲勞強度或疲勞應變值。重復荷載和環(huán)境因素的繼續(xù)作用，使該破壞點不斷延伸、擴展，路面結構便隨之出現(xiàn)不同形態(tài)的破壞，反映到路表，表現(xiàn)出較大的變形。而路表彎沉是一項綜合性、表觀性的指標，無法與具有多種破壞類型和破壞標準的不同路面結構建立起統(tǒng)一、協(xié)調和穩(wěn)定的關聯(lián)。(4) 80年代末，交通部重慶公路科研所通過半剛性基層材料環(huán)道試驗研究認為，若基層厚度大于20cm，路表彎沉在經(jīng)受106次荷載作用后基本趨于穩(wěn)定。1998年4月、1999年5月交通部公路科研所進行的試驗路加載試驗也表明，對于不同厚度不同材料的半剛性基層，在不同級別的軸載作用下產(chǎn)生的路表彎沉在經(jīng)歷105次作用后基本不再變化。即使在105次作用以內，彎沉的變化規(guī)律也不明顯。另外，瀝青混凝土的變形量不僅受外力荷載作用，還與所處的環(huán)境溫度以及荷載作用時間有關。因此半剛性基層條件下瀝青路面的路表彎沉值無法反映荷載疲勞作用效果。(5) 路表彎沉指標無法控制瀝青面層底部或半剛性基層底面的疲勞開裂破壞。那么，使用路表彎沉指標的主要目的，只剩下控制路基或路基和粒料層的變形量了。然而，由于路表彎沉量中包含了面層和基層的變形量，隨著結構組合和材料類型的不同，路基或路基和粒料層的變形量在路表彎沉量中所占的比重有所不同，很難定出一個合適的路表彎沉指標值來控制路基或路基和粒料層的變形量。(6) 路面結構設計以彎沉作為最主要的指標，甚至是唯一的指標，使基層強度越來越強，造成對基層材料設計的誤導。一些破壞的路面原來彎沉并不大，本來似乎不應該破壞，但過高的基層強度更容易因為干縮、溫縮產(chǎn)生裂縫，水滲入基層、路基，彎沉又會變得很大。2. 層底拉應力現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，對高速公路、一級公路、二級公路的瀝青混凝土面層和半剛性基層、底基層應進行拉應力驗算。我國高等級瀝青路面半剛性基層多采用二灰碎石或水泥穩(wěn)定碎石等材料，整體性和剛度、強度都超過面層，是主要的承重層，面層只起到傳遞和擴散荷載的作用。通常情況下我們認為面層和基層間的接觸條件為完全連續(xù)，可將這兩層結構近似看作一層組合結構來分析。由于墊層和土基的模量較低，在豎向荷載作用下，組合結構層內部存在一個中性面，中性面以上各點受壓，以下各點受拉（如圖26）。面層厚度通常較薄，一般不超過18 cm，基層厚度則一般不低于20 cm，且基層模量多數(shù)情況下更大，因此兩者組合的中性面位置應處于基層范圍內，整個面層處于中性面以上，各點應當受壓，整個面層結構在任意級別荷載作用下，底面極少出現(xiàn)拉應力狀況，瀝青面層拉應力驗算指標實際上在設計時不起作用。圖26 路面結構內應力分布即使在層間滑動接觸，面層出現(xiàn)拉應力時，由于路面結構的疲勞壽命不單純取決于瀝青面層的應力大小，還取決于瀝青面層的疲勞特性和疲勞損耗率，以及半剛性基層的底面應力大小、疲勞特性和疲勞損耗率，而瀝青面層的劈裂強度略大于半剛性基層材料，盡管底面出現(xiàn)了拉應力，由于其應力與強度比有可能低于半剛性基層，其疲勞壽命可能仍大于半剛性基層，使半剛性基層早于瀝青面層先達到設計標準而出現(xiàn)疲勞開裂破壞[13]。從大量設計實例中發(fā)現(xiàn)[16]，半剛性基層、底基層的層底拉應力一般均小于允許拉應力，其驗算標準低于彎沉標準；而且工程實踐表明，半剛性基層的損壞主要由溫濕循環(huán)下基層的收縮引起，裂縫一般首先出現(xiàn)在基層表面，很少出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的層底疲勞開裂現(xiàn)象。所以，半剛性基層和底基層的層底拉應力驗算指標并不能準確反映路面的實際使用情況。綜上所述，瀝青面層、半剛性基層和底基層的層底拉應力驗算指標均對半剛性基層瀝青路面使用壽命不起控制作用。另外，目前結構層底彎拉應力驗算僅考慮了荷載應力的作用，而在溫度和濕度變化時，半剛性材料內部往往會產(chǎn)生如拉伸與翹曲等內應力作用，這對半剛性材料的破壞起到很重要的作用，在設計中也應該加以考慮。 實際工程調查[16]為了評價按現(xiàn)行規(guī)范設計指標設計的路面結構在實際工程中的使用情況，以首都機場高速公路、京津塘高速公路北京段以及濟青高速公路淄博段為例，通過對路面結構、交通量以及路面損壞程度的調研，并按照現(xiàn)行規(guī)范設計方法進行計算，以此為依據(jù)分析現(xiàn)行規(guī)范設計指標的適用性。1. 調查結果首都機場高速公路、京津塘高速公路北京段以及濟青高速公路淄博段的路面結構設計的基本信息以及路面使用情況調查結果匯總到表22。表22 路面調查結果公路名稱首都機場高速京津塘高速濟青高速路面結構4cm改性瀝青混凝土6cm中粒式瀝青混凝土8cm 瀝青碎石18cm水泥穩(wěn)定砂礫16cm二灰砂礫15cm石灰土粘性土路基5cm中粒式瀝青混凝土6cm粗粒式瀝青混凝土12cm 瀝青碎石20cm水泥穩(wěn)定砂礫30cm石灰土粉質亞粘土路基4cm中粒式瀝青混凝土6cm粗粒式瀝青混凝土8cm 瀝青碎石38cm二灰穩(wěn)定碎石18cm二灰土20cm天然砂躒粉質中液限粘土設計容許彎沉（mm）設計標準軸載作用次數(shù)（萬次）31401124800累計標準軸載作用次數(shù)（萬次）（彎沉等效）（彎拉等效）（彎沉等效）（彎拉等效）（彎沉等效）（彎拉等效）路面使用狀況通車三年后出現(xiàn)橫向反射裂縫，五年后增多，并陸續(xù)出現(xiàn)網(wǎng)裂等病害通車七年后出現(xiàn)大量橫向裂縫，并有相當數(shù)量的局部網(wǎng)裂通車一年后陸續(xù)出現(xiàn)橫向反射裂縫，局部路段車轍明顯，超過20mm2. 驗算分析按現(xiàn)行瀝青路面的設計規(guī)范分別對這三種路面結構進行驗算，結果見表23～25。表23 首都機場高速設計指標計算結果路面結構厚度（cm）抗壓模量（MPa）劈裂強度（MPa）計算彎沉/應力（mm）/（MPa）容許彎沉/應力（mm）/（MPa）路表－－－改性瀝青混凝土41200～～中粒式瀝青混凝土61000～～瀝青碎石8600水泥穩(wěn)定砂礫181300～～二灰砂礫161300～～石灰土15400～～土基－40－－－表24 京津塘高速設計指標計算結果路面結構厚度（cm）抗壓模量（MPa）劈裂強度（MPa）計算彎沉/應力（mm）/（MPa）容許彎沉/應力（mm）/（MPa）路表－－－中粒式瀝青混凝土51000～～粗粒式瀝青混凝土6800～～瀝青碎石12600水泥穩(wěn)定砂礫201300～～石灰穩(wěn)定土30400～～土基－40－－－表25 濟青高速設計指標計算結果路面結構厚度（cm）抗壓模量（MPa）劈裂強度（MPa）計算彎沉/應力（mm）/（MPa）容許彎沉/應力（mm）/（MPa）路表－－－中粒式瀝青混凝土41000～～粗粒式瀝青混凝土6800～～瀝青碎石8600二灰穩(wěn)定碎石381300～～二灰穩(wěn)定土18600～～土基－48－－－結合路面的實際使用狀況，根據(jù)表23～25的計算結果，可以看出：首都機場高速公路、（通車10年后）、（通車9年后）、（通車9年后），除了京津塘高速外，另外兩條高速公路的實測彎沉值以及計算彎沉值均小于路面的容許彎沉值。按照現(xiàn)行設計指標來評價，路面均處于良好的使用狀態(tài)，但是實際調查表明，路面仍然出現(xiàn)了網(wǎng)裂、橫向反射裂縫、車轍等病害，而且部分路段的病害較為嚴重。各條高速公路路面結構的層底拉應力驗算均滿足設計要求。瀝青面層底部均受壓，考慮到現(xiàn)行設計規(guī)范中半剛性基層的彈性模量普遍取值較小，實際上瀝青面層底部更不會出現(xiàn)拉應力；而半剛性基層底部的拉應力均小于容許拉應力，根本不起控制作用。通過分析發(fā)現(xiàn)層底彎拉應力指標與彎沉指標沒有很好的互補性，后者的標準均高于前者，使得路面結構設計和破壞狀態(tài)判定只由路表彎沉指標控制。 從各條高速公路的損壞過程來看，尤其是京津塘高速，一般為半剛性基層先出現(xiàn)開裂，然后逐漸出現(xiàn)橫向反射裂縫以及網(wǎng)裂，其間路表的彎沉變化并不大。另外彎沉指標與路面的車轍破壞沒有很好的相關性，所以說彎沉指標也沒有起到控制路面結構損壞的作用。 半剛性基層瀝青路面的主要病害造成路面破壞的原因是多方面的，有行車荷載因素，如超載、重復荷載和水平荷載等，也有環(huán)境因素，如溫度變化、濕度變化和冰凍作用等。我國半剛性基層瀝青路面的病害一般表現(xiàn)出不同的形態(tài)和特征。同一種原因可以引起不同程度的破壞，而同一種破壞形式也可以由不同的原因所造成。根據(jù)半剛性基層