浅谈沥青路面结构施工、抗震一体化设计
摘 要: 目前的沥青路面结构设计和施工中仍存在许多问题，随着国民经济和交通运输事业的迅速发展，运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加，承受着行车荷载和环境因素的双重作用，导致了路面结构早期破损严重。本文着重从沥青路面结构设计方法、材料选择、施工工艺三方面分析，如何实现高等级沥青路面的设计使用寿命；然后根据汶川地震灾区的大量路基震害情况，总结了公路路基结构的典型震害表现形式及特征，探讨了路基及其支挡结构的震害影响因素；最后为我国沥青路面设计提供一些建议。
关键词: 沥青路面 结构设计 材料选择 公路使用寿命 抗震措施
1 沥青路面结构设计
经过大四上学期对路基路面工程的学习，主要了解到为了适应我国当时的经济状况，贯彻“强基薄面稳土基”的思想,且该路面结构行车舒适,噪声小,路面服务性能远优于水泥路面,因而得到大范围的应用。我国现行公路沥青路面设计规范是基于弹性层状体系理论，以路表弯沉作为主要设计指标，以沥青面层底面和半刚性基层底面的弯拉应力作为设计的验算指标，并制定了相应的设计标准，这凝聚了几代公路技术人员的心血，对我国公路发展起到了很大的推动作用。此外，通过查找资料让我知道了国外比较流行的AASHTO路面设计方法，其优点是不言而喻的，我国现在也在逐布推广它。
随着经济建设的高速发展和高速公路的大规模建设，交通量和轴载型式也发生了很大变化，而且超载、重载现象非常严重，路面结构的破坏形式也发生了很大变化，原有设计规范与实际脱节的情况日益严重。我国现行的路面结构设计理论是构建在弹性层状体系理论基础之上的，以设计年限内的换算当量轴载次数作为交通量指标，按照路面损伤等效的原理确定容许弯沉和破坏应力，利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度。在设计理念上是假定一个沥青层厚度，以基层作为承重层设计其厚度，这也就意味着沥青层仅仅是起到表面功能层的作用，路面荷载大、交通量大就需要加强基层的强度和厚度，路面破坏也意味着基层破坏。而在国外，通常是对路基和基层提出一个起码的要求，以沥青层作为承重层考虑，计算沥青层的厚度，同时考虑路基、基层、沥青层的承载能力。随着交通量特点的变化，我国开始逐步引进柔性基层沥青路面结构型式，柔性基层沥青路面结构在国外的应用较为广泛。国外的应用经验表明，柔性基层沥青路面结构是适用于重载交通条件下沥青路面的主要结构类型。从这门课我了解到，我国现行柔性路面设计规范：采用双园均布荷载作用下弹性层状体系理论，以路面整体弯沉(Ls≤Ld)和结构层层底拉应力()作为设计指标。
在路面结构设计中，存在着大量的不确定因素（交通量调查的准确性，公路所经区域的地质气候条件等），这些因素导致了设计结果在某种程度上的不确定性，是造成路面结构提前破坏的重要原因及提前结束了公路的使用寿命。为了使设计结果更科学合理，有必要在设计中对路面结构设计原理及制约因数进行分析讨论，将不确定因素作为随机变量参与到设计中去，将路面设计方法由确定型向概率型转化。现行公路沥青路面设计规范的局限性分析：设计内容的局限性——仅限于路面结构设计；设计标准缺乏针对性——难以保证在路面使用期的使用性能。
以弯沉为设计标准的方法对半刚性基层沥青路面已失去控制意义，由于路面结构组合和材料性质的不协调，路表弯沉既不反映也不限定某结构层次的抗变形能力,在路表弯沉满足要求时，沥青路面可能由于结构层组合或材料不合理而出现破坏。结构层层底拉应力验算，仅考虑沥青面层荷载的疲劳作用未考虑半刚性基层的疲劳效应以及材料温缩、干缩引起自应力作用。另外，目前结构层底弯拉应力验算仅考虑了荷载应力的作用，而在温度和湿度变化时,半刚性材料等板体性材料内部往往会产生内应力如拉伸与翘曲应力等的作用,这对半刚性材料的破坏起到很重要的作用,在设计中应该加以考虑。沥青路面设计中仅以路表弯沉和层底拉应力验算,已不适合现有半刚性基层的沥青路面设计需要， 沥青路面设计应重新寻找结构性能符合实际控制需要的设计指标和标准。研究表明，按层位功能进行路面设计是必要的，也是切实可行的，在设计中应该考虑结构层的组合与层位功能特性要求；在路面结构设计基础上,运用新的沥青混合料设计思想SMA、S uperp ave、贝雷法进行沥青混合料材料设计，做到沥青路面材料与结构一体化设计, 可以取得良好的路用性能。
2 沥青路面各层材料选取和实现使用寿命
目前沥青路面使用一定年限后普遍出现一些问题如，水破坏、基层的反射裂缝和疲劳裂缝等。存在的问题主要集中在路面结构、路面材料和施工工艺等方面，解决问题的途径仍然只有从结构、材料、工艺三方面考虑。路面结构对材料提出要求、指导设计并要求考虑材料对结构的影响,而材料要求结构创造保证正常的工作条件。由于表面层直接承受大气因素和行车荷载的作用, 沥青路面应提供良好的摩阻力、良好的温度稳定性和良好的密水性，以保证路面的耐久性。就摩阻力而言，采用优质沥青和磨光值高、耐磨耗及抗压碎能力强、形状好（接近立方体、扁平颗粒少）的碎石做表面层可以得到保证。设计中面层的沥青混合料时应主要考虑其抗永久变形能力, 即沥青砼的高温稳定性。从沥青砼的矿料级配而言，增加5mm以上的碎石含量和增加混合料的密实度都可以提高沥青砼的高温稳定性。底面层宜用粗粒式沥青砼而不宜采用沥青碎石。同时，沥青用量较多、稠度较大的密实式沥青砼是多种沥青混合料中抗疲劳能力最强的。因此，底面层最好用密实式沥青砼。粗集料（矿料）应采用碱性或弱碱性岩石最佳, 粒径应根据沥青硅的厚度按规范要求加工。细集料应采用优质的天然砂或机制砂，尽量不采用石屑。填料宜采用石灰岩或岩浆岩加工的矿粉。沥青应根据不同地区气候条件、施工季节气温、施工方法等选择合适标号沥青。
沥青面层的合适厚度是沥青路面设计中的重要问题之一，对路面投资的大小有很大影响。调查发现，沥青路面不可能一劳永逸，一般情况也不可能在设计年限不需要加铺新面层来恢复路面的使用性能。根据查找资料可知：我国高速公路半刚性基层上沥青面层的厚度有9cm、10cm、12cm、15cm、16cm、17cm 和18cm， 特别情况旅游城市道路20cm～23cm，从已建成的高速公路来看，尚未发现由于沥青面层薄而产生破坏的实例。就我国广泛使用的半刚性基层沥青面层路面来说， 实践证明路面的承载能力完全由半刚性材料层满足，沥青面层只起功能性作用， 其厚薄对半刚性路面的承载能力影响不大。因此，从技术经济全面分析，沥青面层厚9cm～12cm 是合适的。
路面基层材料主要有水泥稳定类和二灰稳定类。就上述两类半刚性基层材料的性能而言，水泥稳定类的早期强度比二灰稳定类的早期强度高很多。由于二灰稳定类的早期强度相当低，如果二灰稳定类基层养生结束就铺筑沥青面层，并很快开放交通，若有一定数量重型货车通行，则可能使路面结构产生程度不一的损伤。在龄期3个月左右， 二灰稳定类的强度与水泥稳定类的强度就达到大致相同。在龄期半年以上，前者的强度还可能高于后者。就半刚性底基层材料而，石灰粉煤灰土和石灰粉煤灰砂的强度和水稳定性最好，石灰土的强度和水稳定性最次。为使高等级道路半刚性基层沥青砼路面的承载能力的季节性变化减小，在冰冻地区半刚性基层的最小厚度应是20cm～25cm。在重载车辆比例大和超载车辆多的特殊道路上，半刚性基层的合适厚度则可能需要25cm ～30cm。
其实在许多半刚性基层高等级沥青路面的具体施工中，人们却似乎总是只愿意把注意力放在各结构层施工方面，而对于它们之间连续性的建立却往往缺少明确的交代。其结果就会导致路面组合结构承载力和耐久性下降。在材料均质性方面存在的问题更多更普遍。尽管我们选择了最新最优秀的配合比设计，实验室数据也十分可靠.而来自原材料与生产过程中即便是很小的影响因素，如果没引起足够重视也会使结果变糟。比如高等级沥青路面建设中大量使用了进口高档混合料生产设备，但是国内碎石加工业粗放生产的不规则产品与这些生产设备的适配性较差，需要对其质量和来源加以严格控制，否则不合格的混合料将直接影响工程质量。现代路面养护技术必须由科学的检测评价并因此建立的数据库系统和先进的具体养护工程工艺两部分结合而成，它区别于以挖坑槽为主的传统技术模式，努力的目标在于使路面不出或少出坑槽。两元化的现代道路养护技术可以使先进工程工艺的实施真正体现出适时性和适用性，是实现高等级沥青路面设计使用寿命的科学保障。
预防性道路养护就是要强调处治措施的前置性。首先要通过对运行中道路以及气候、交通量的观察、检测结合数据库系统资料的记录反映，发现病害的可能与先兆，迅速制定并实施处治方案。发生在不同层面的问题可以分别采用如深层压浆、挖补、灌缝、表面处治以及改善路外防护设施等方法作为对应措施。其中为了充分反映边修边通、快修快通、适时、适用的服务原则，应积极开发使用新型材料和工艺技术。总之，为了使已经建成的高等级沥青路面长期持久的发挥其经济效益，高等级沥青路面养护技术必须与时代同步，成为一个富有大量科学内涵的技术门类。
3 施工过程中的质量控制要点
高速公路沥青混合料的摊铺都必须使用机铺，并且缓慢、均匀、连续不断地摊铺,摊铺过程中不能随便变换速度或中途停顿，摊铺速度应控制在(3m/min)左右。摊铺机时快时慢是当今施工中较难控制的。路面平整度现场控制是利用6m直尺测量,以不超过3mm为佳，只要现场施工人员技术熟练，平整度会得到较大提高的。沥青混合料的压实是形成路面的重要一步，热拌混合料的压实除掌握好压实速度外, 还要缩短碾压距离，30m左右较适宜。压路机经过初压、复压、终压三个阶段后，达到要求的压实度。
如何控制好压实度？首先要有良好级配的混合料，在一定的标准压实功作用下容易达到各种优良的技术指标，包括空隙率在4℅ 左右。第二，混合料的压实效果, 规范要求路面压实度是按马歇尔试件的密度百分率控制，但是受到取料不均和试验条件的影响，反映的压实效果不一定真实。建议采用以压实度与空隙率双控来达到优良的沥青路面。
4 公路路基震害形式及防震措施
地震作用下路基结构的安全性是岩土地震工程以及公路工程等领域的重大问题之一。汶川地震中，路基工程的抢通和保通，一度成为需要保障的最为关键的生命线工程，使得路基工程抗震的安全评价问题，成为亟待解决的关键课题。
路基结构的震害类型主要有两种：直接破坏，所谓直接破坏是指由于路基填
方质量不好，墙体支挡能力不够，地震荷载过大而引起路基结构本身的破裂或失稳；间接破坏，是指由于地震诱发坡体滑移导致的路基挤压变形，容易诱发路基的开裂滑移甚至坍塌，这是所有路基结构事故中最严重的情形。路基结构震害具体表现形式：路基沉陷、扭曲变形；路基开裂、滑移破坏；路基路面隆起、挤压破坏；崩塌、滑坡、泥石流；路基支挡、防护工程破坏；地震对路基产生的次生破坏。
道路路基作为交通生命线工程, 在震后的救灾工作中起着举足轻重的作用。为此根据经验提出以下几点抗震设防措施：①地震对山区路基的危害主要为崩塌落石及边坡溜塌。加强路基工程设计、施工及养护维修是减轻路基震害、消除运输安全隐患的重要保证。②路基工程作为土工构筑物，其抗震性能相对薄弱，虽然初期投资小，但强度与稳定性受水、气温、地震等客观因素影响比较强烈，抗震能力明显低于桥隧工程。在工程方案比选及决策中, 既要考虑建设期间的工程投入，施工工期等因素，还应考虑运营期间因路基病害所增加的养护维修费用和由此造成的运营效益损失及对经济正常秩序的影响所付出的社会成本。③轻型路基支挡结构能够通过自身的可恢复性变形消耗并吸收能量而减轻地震灾害，地震区山区道路路基可以提倡使用轻型、柔性路基支挡结构。④应重视路基工程的“减震隔震”技术，增强路基结构的抗震设防标准。
5 对当前沥青路面设计几点建议
根据这次的学习和查找大量资料，提出了当前沥青路面设计应注意的几点建议:
① 选用合理路面类型。合理的路面结构类型是满足使用功能的基础, 目前我国沥青路面都是采用半刚性基层沥青路面，只要保证基层施工的均匀性，其强度一般能满足设计承载承力的要求。关键是面层类型的选择, 是采用SMA、多碎石沥青砼SAC, 还是采用其他结构, 需要根据气候、交通量、原材料和经济因素等因素综合考虑。
② 合理进行沥青砼设计。导致沥青面层泛油的主要原因是沥青砼的沥青含量或油石比偏大，油石比偏大还会使沥青砼的抗永久变形能力降低，容易导致辙槽，而油石比偏大的主要原因又是混合料设计不合理，因此必须采用合理的方法进行混合料的设计。目前规范中要求沥青混合料设计时采用马歇尔试验方法，用标准马歇尔试验仪双面各击实50次所得的最大密实度的沥青用量即为最佳沥青用量。根据有关研究表明, 高速公路上由于重载车辆的缘故，其路面上的沥青砼密实度明显大于室内采用击实试验的密实度，这样使得室内试验沥青砼的空隙率比路面上沥青砼的空隙率大，相应地，室内试验确定的最佳沥青用量必然大于实际路面沥青砼所需的最佳沥青用量。因此，建议高速公路沥青砼设计时采用双面各击实75 次时或是采用大型马歇尔试验仪试验所得的最佳沥青用量，可能会得到更加合理的沥青砼配合比设计。
③ 加强路面排水设计。调查表明，水是高速公路沥青路面破坏的主要因。如何快速排除路面表面层的水和防止水进入结构层，是设计时应考虑的一个重要因素。 排水设计首先是路面结构排水，防止中央分隔带处水渗入路面结构层；对超高段高的一幅中央分隔带处采用专门的暗管排水；必要时应采用路面排水层或防水层。
④ 严格要求路面用材, 包括使用优质沥青、优选表面抗滑层的碎石骨料并要求与沥青的粘附等级应不低于5、保证路面材料的均匀性和沥青砼均匀性。
⑤ 保证面层施工压实度. 目前我国大部分高速公路压实度不足或压实不均匀, 造成沥青砼局部空隙率大和水容易进入，形成骨料局部松散脱，有的形成车辙, 采用合理的压实工艺是保证沥青路面质量合格的一个重要因素。建议抗滑表层现场压实度不小于98%，中面层和底面层的压实度不小于97% 。
⑥处理好高填方路段和桥（涵）台路段。路基的沉降必将导致路面各层的沉降，引起路面破坏。对高填方路段应保证分层压实，保证至少有一次降雨沉降后才可开始路面基层的施工；对桥（涵）台等不易采用压路机压实的路段，可采用小型手扶式振动打夯机进行压实，或者采用土工格网（栅）进行处理，必要时可采用轻质填料如粉煤灰、EPS 等进行回填，减少填方段的自身沉降和路面沉降。
⑦ 加强基层施工质量。基层为路面的主要承重层，是满足路面结构功能的重要保障。如果基层施工均匀性不好，或者基层养护不好，未达到应有的强度，必然造成路面的破坏。
6 学习体会
目前我国高速公路建设已进入了一个快速发展的时期，其中沥青路面占有了绝大部分比例，如何加强材料性能、设计计算理论和方法的研究及改进施工技术、提高施工质量，从而保证路面的使用性能和年限，是人们极为关心的问题。作为学习土木工程路桥方向的我们，应时刻关心当前情况，认真学习专业知识，把所学到的知识运用到实际工程中，为将来国家大建设尽一点力。马上就要面临毕业了，大学的四年时光马上就要结束了，接下来就是我们就业工作的事情了。想当初从高考对土木什么都不懂的我们，到现在能独立解决一些事情，也许这就是大土木中我学到的能力。以及当时高考前，对汶川地震给人们带来的惨痛教训，到现在我们有能力学习房屋路桥抗震知识，并且以后有机会运用到实际中，让以后的建筑能经受大地震，使我们有一个和谐美好的家园，这就是我目前对自己感到欣慰的一点。我们都知道汶川地震对公路造成的破坏现象和特点值得深思，特别是对低等级公路的破坏，几乎是全毁。通过这次地震我们可以看出，公路工程的抗震能力仍十分薄弱。当地震烈度达到7 度时，路基结构可能因震害产生裂缝甚至坍塌倾覆、中断交通，造成巨大经济损失。研究震后路基结构的安全评估，及时确定路基的安全性，以便采取合理的震后修补措施，确保道路的安全运营十分重要。总之，前面有很多繁琐的事情在等着我们去解决呢。