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　孟书涛

目前国内对沥青路面早期损坏还没有严格的定义，但谈到早期损坏，一般普遍认为应包括以下几个特征：一、路面在施工完成并通车后2～3年或3～5年内即发生功能性损坏或结构性损坏；二、所有损坏都是在未达到设计使用年限（15年）内发生的损坏，使得路面中修和大修提前。沥青路面早期损坏现象引起了许多道路工作者的关注，大家纷纷著书立说，对高速公路沥青路面早期损坏现象进行分析和研究。下面笔者结合在工作中的实践经验，谈谈对沥青路面早期损坏与结构设计关系的几点认识。

一、早期损坏原因分析

沥青路面早期损坏主要分为两类--功能性损坏和结构性损坏，针对沥青路面早期破损情况，国内诸多专家学者对损坏原因进行了分析，发现造成沥青路面发生早期损坏原因非常复杂，既和公路建设管理有关，也和路面结构设计、施工质量控制以及原材料选用有关，同时与运营期的合理养护措施、交通荷载以及自然环境的作用有关。从大的方面说，造成沥青路面发生损坏的主要原因包括以下几个方面：

1.路面结构设计技术创新不够。首先表现在沥青路面结构组合设计方面，不分东西南北中，全国沥青路面几乎都采用一种路面结构形式。从管理层次上讲，路面结构设计在设计院已经不在一个重要位置上。很多路面结构也没有进行长期使用性能试验验证就被广泛应用。从试验方法方面看，路面设计时受规范束缚太多，新的试验方法、新的设计理念很难在路面结构设计中得到体现，使技术创新成为空谈。

2.建设工期不合理。五年的工期三年完工，三年的工期两年完工，使得高速公路的建设成为新的神话。很多国外专家惊叹我们建设速度之快的时候，同时他们对我们的公路建设质量表现出了忧虑。

 3.科研投入不足。公路工程是线性土木工程，跨越的地质条件复杂多变，道路建筑材料变异性大，施工难度大等特点，因此可以想象在工程建设过程中遇到技术问题是非常复杂的。科研单位都将设计和监理作为主业，相对削弱了科研的开发，这就导致现有的技术无法满足生产需要，养护技术储备不足，遇到早期损坏找不到好的技术处理措施。

4.路面结构设计不尽合理。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。

 5.施工质量存在问题；我国一些地区新建高速公路通车半年、一年后就发生严重早期破坏，据调查，这些路段的半刚性基层根本就没有形成强度，使用的原材料根本就不能满足规范要求，施工质量控制不严，造成路面结构出现早期损坏。

 6.车辆超载。虽然把沥青路面早期损坏的原因都归结为车辆超载的观点有些片面，但不可否认，超载对路面造成的破坏却是相当严重的。与造成沥青路面早期损坏的其他原因相比，造成车辆超载原因更趋复杂。交通车辆超载涉及汽车制造、运输企业以及公安交通管理等部门，问题最终结点是运输企业的效益问题，运输业通过对路面结构的严重损坏而获得运输效益。

二、我国沥青路面结构设计方法

我国沥青路面结构设计一直处在长期的研究过程，迄今为止，共提出过1958年、1978年、1986年和1997年四个版本的设计规范。1958年版沥青路面设计规范总体上沿用了前苏联1954年《柔性路面设计须知》的相关内容，主要设计指标有三个，即弯拉断裂、锥形贯穿、表面不平整，三个设计指标分别对路面结构的弯拉破坏、路基形变破坏和结构使用性能进行了控制。1966年版设计指标未作改动，只是修正了前苏联弯沉计算公式，建立了我国气候分区、修正了土基和材料参数。1978年版柔性基层沥青路面设计规范是在1976年开展全国性测试调研工作的基础上，通过对全国资料汇总分析编制完成的，从根本上确立了沿用至今的沥青路面经验理论、设计法。1978年的规范是在大量调查国内沥青表面处治路面的基础上，适当参考部分城市高等级路面资料编写而成的，它适应了当时大量修建三级公路表面处治路面的需要，但用于高速公路和一、二级公路路面设计尚感不足。1986年交通部颁布了新的《公路柔性路面设计规范》，其主要特点有以下几点。（1）采用三层或多层弹性体系理论公式代替双层弹性体系理论公式计算路面结构厚度，仍以容许弯沉值作为路面整体刚度的控制指标；（2）在高速公路、一级公路路面设计中增加了抗弯拉应力验算；（3）将标准改为标准轴载，平均交通量改为设计年限内设计车道上累计当量轴次。1997年版公路沥青路面设计规范的最大改变是以设计弯沉取代容许弯沉作为路面结构的设计指标，修正设计弯沉指标值，推荐的半刚性材料模量提高了(1～2)倍，并以劈裂强度替代弯拉强度作为材料设计指标。从以上沥青路面结构设计规范的修正和设计指标的变动可以看到，我国沥青路面结构设计贯穿了以路面弯沉为主要指标的设计思想，路面结构设计是以满足设计年限内、允许通过的预测交通量要求的路面整体刚度为目标的设计理念，以提高路面结构的承载能力为主要目的，兼顾结构的抗疲劳能力。但实际上，路面结构的抗疲劳能力不是一个控制指标，路面结构的长期使用性能和维修养护的综合经济分析没有考虑周全。

三、现行沥青路面结构设计存在的问题

虽然我国沥青路面设计规范经过许多专家的努力一直在不断地修正和完善之中，但就像其他学科发展一样，标准、规范地颁布始终与实际应是有一定差距的。我国现行沥青路面结构设计仍然存在一些问题，其主要表现如下：

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，也就是说按照现有规范方法，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，但实际情况是，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与设计模式大不相同，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是在交通量远未达到设计交通量的早期已经发生了破坏，疲劳破坏的指标没有起到控制作用。路面结构设计的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是基层破坏。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；现有公路沥青路面设计规范，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、施工的非连续性等原因，沥青层之间都有可能是部分连续或者滑动的，在荷载、水等外界因素的作用下，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的命运。

5.弯沉回归公式不可随意外延；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，但其对现有条件交通条件荷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；路面设计材料设计参数一般只是通过室内试验确定。国外很多研究表明，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。沥青路面发生早期损坏现象是必然的。

四、早期损坏与路面结构设计关系

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主要的路面结构形式，甚至是唯一的路面结构形式。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的国情紧密相关的。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的联系，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。