摘要：通過采用高模量瀝青混合料，對全厚式瀝青路面結構進行了優化設計，根據不同路面材料參數，分別計算分析了3種全厚式瀝青路面結構瀝青層底拉應變與路基頂面壓應變，得到了不同全厚式瀝青路面結構層的厚度。結果顯示，方案1中高模量瀝青混合料層底的允許拉應變為72.0 × 10?6，路基頂面允許的壓應變為230.5 × 10?6，可以滿足結構所需的最小結構層厚度為9 cm；方案2中高模量瀝青混合料層底的允許拉應變為70.5 × 10?6，路基頂面允許的壓應變為230.5 × 10?6，可以滿足結構所需的最小厚度為26 cm，為了便于施工可以將其分成8 cm、9 cm和9 cm。優化設計的全厚式瀝青路面相比原方案有效降低了瀝青層厚度，在滿足相同荷載作用條件下，對全厚式瀝青路面結構進行了降低成本優化，減小了路面結構因過度冗余設計所導致的資源浪費瀝青網sinoasphalt.com。

關鍵詞: 全厚式瀝青路面；高模量；路面結構；厚度

1 引言

我國高速公路瀝青路面結構總厚度通常在70 cm以上，隨著我國對環保工作的重視，高能耗、高污染及破壞環境的砂石料開采加工被大量限制，導致公路建設用砂石料資源嚴重缺乏，不僅嚴重影響公路建設進度，同時也極大增加了路面工程造價。全厚式瀝青路面是指瀝青混合料直接鋪筑在土基上的一種特殊路面結構，與傳統瀝青路面結構相比，路面總體厚度可較傳統減薄30 cm以上，節約資源的潛力巨大。

全厚式瀝青路面，在美國、德國、法國、澳大利亞以及加拿大一些州等國成為高速公路的主要結構類型之一，在重、中交通上得到大量應用。尤其是美國的永久性路面設計方法及MEPDG設計方法、歐洲的“綠色公路”技術體系《長壽命柔性路面設計指南》和法國的瀝青路面設計規范等都對全厚式瀝青路面結構設計提出了相應的要求 [1] [2] [3]。而在我國，全厚式瀝青路面結構仍然處于探索階段。王林等在濱州至大高永久性路面試驗路中采用了總長3公里的3種全厚式瀝青路面結構，試驗段經過運營15年，3種全厚式瀝青路面結構均表現出良好的服役性能，驗證了該路面結構的可靠性與可行性 [4] [5] [6]。

本文針對我國傳統瀝青路面結構厚度大，資源消耗大的問題，結合全厚式瀝青路面的結構特點，基于高模量瀝青混合料，提出兩種重載交通條件下高速公路全厚式瀝青路面結構，對該結構進行了力學計算分析與優化，確定了路面結構層層厚。研究成果對降低公路建設資源消耗、提高道路使用性能、降低工程造價等具有顯著的經濟和社會效益。

2 路面結構設計方案

原設計的全厚式瀝青路面結構與優化計算的設計方案見圖1。其中，原設計方案上面層為最大粒徑13.2 mm的瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA-13)，中下面層分別為最大粒徑20 mm的高模量瀝青混合料(EME-20)，柔性基層為最大粒徑25 mm的大粒徑透水性瀝青混合料(LSPM-25)，路基上部設置最大粒徑13.2 mm的密級配瀝青混合料(AC-13F)作為抗疲勞層。而優化設計的路面結構方案1和方案2與原設計方案有較大的不同，方案1采用了高模量瀝青混合料(EME-20)置于柔性基層下部，使EME-20主要起到抗疲勞的作用；方案2則進一步簡化了材料類型除表面層外全部采用了EME-20。方案1和方案2都需要計算確定EME-20瀝青層的厚度。

圖1. 全厚式瀝青路面結構初步設計

3 分析方法與參數

對于全厚式瀝青路面結構的設計計算與分析，采用國際上較為成熟的法國路面結構設計軟件ALIZE以及法國路面結構設計規范(NF P98-086)。在ALIZE中變換軸載為我國100 kN標準軸載(表1)，設計年限為20年，路網類型為高速公路，等效溫度21.8℃，路基強度采用法國標準PF3等級(80 MPa)。分析計算時，采用的路面材料參數見表2。

全厚式路面結構厚度設計分析的主要控制指標為：瀝青層底的水平拉應變和路基頂面的豎向壓應變，同時還要滿足瀝青層疲勞次數的要求。

4. 計算與分析

首先，采用我國的標準軸載計算全厚式瀝青路面結構原方案的力學狀態，其中瀝青層底拉應變(即AC-13F層底)為52.1 × 10?6、路基頂面壓應變為151.8 × 10?6。此時，原方案計算出的瀝青層底拉應變小于AC-13F材料允許拉應變105 × 10?6，滿足要求。然后，為了準確獲取原方案路面結構所能承受的交通量，需要根據AC-13F的抗疲勞次數與計算得出的瀝青層底拉應變反算交通量。計算可以得到，設計年限內累計當量軸次NE為68,527,000軸次，日交通量為4708輛重車/每天/車道。根據法國規范分類，其交通等級為TS+。最終，后續優化設計的全厚式瀝青路面結構均采用該交通量進行計算分析。

進一步優化設計全厚式瀝青路面方案1和方案2中EME-20瀝青層的厚度。按照反算得到的交通量參數和方案1、方案2中設計的SMA-13、LSPM-25等結構層厚分別計算各方案中EME-20層厚度。

對于方案1，預設EME-20層的厚度，通過結構層厚度敏感性分析，計算得到瀝青層底彎拉應變與EME層厚度的對應關系見圖2。此時，計算得出瀝青層底層EME-20的允許拉應變為72.0 × 10?6，路基頂面允許的壓應變為230.5 × 10?6。根據圖中可以得到，由于瀝青層底彎拉應變要小于允許值72.0 × 10?6。因此綠色部分為瀝青層最底層EME-20層可以滿足結構所需的厚度，其中最小結構層厚度為9 cm。對瀝青層底EME-20厚度為9 cm的方案1進行力學驗算，驗算結果見表3，可以得到所有計算值均小于允許值。全厚式瀝青路面方案1中位于瀝青層底的EME-20最小厚度可以采用9 cm。

對于方案2，通過結構層厚度敏感性分析，計算滿足應變要求下的結構層厚度，得到的瀝青層底彎拉應變與EME層厚度的對應關系見圖3。計算得出EME-20層底的允許拉應變為70.5 × 10?6，路基頂面允許的壓應變為230.5 × 10?6。根據圖中結果可以得到，由于瀝青層底彎拉應變要小于允許值70.5 × 10?6。因此綠色部分為EME-20層可以滿足結構所需的厚度，其中最小厚度為26 cm。以該最小厚度對方案2設計出的全厚式瀝青路面結構進行力學驗算，驗算結果見表4，所有計算值均小于允許值。全厚式瀝青路面方案2中位于瀝青上面層以下的EME-20層總體最小厚度可以采用26 cm，為了便于施工可以將其分成8cm、9 cm和9 cm。

由圖4可知，通過對全厚式瀝青路面結構材料、層位以及厚度等因素的優化，新的方案相比原設計方案可以有效降低瀝青層厚度，由原40 cm減小至30 cm。其中，方案2只采用了兩種混合料類型就滿足了交通荷載的要求，再減薄瀝青層厚度的同時還簡化了施工工藝。而方案1則將EME-20用于抵抗層底拉應變和疲勞荷載的作用，其效果與原AC-13F的性能相當。方案1和方案2均在滿足相同荷載作用條件下，對全厚式瀝青路面結構進行了降低成本優化，減小了路面結構因過度冗余設計所導致的資源浪費。

5 結論

1) 方案1中瀝青層底層EME-20的允許拉應變為72.0 × 10?6，路基頂面允許的壓應變為230.5 × 10?6。瀝青層最底層EME-20層可以滿足結構所需的最小結構層厚度為9 cm。

2) 方案2中EME-20層底的允許拉應變為70.5 × 10?6，路基頂面允許的壓應變為230.5 × 10?6。EME-20層可以滿足結構所需的最小厚度為26 cm。全厚式瀝青路面方案2中位于瀝青上面層以下的EME-20層總體最小厚度可以采用26 cm，為了便于施工可以將其分成8 cm、9 cm和9 cm。

3) 新的全厚式瀝青路面設計方案相比原方案有效降低了瀝青層厚度，在滿足相同荷載作用條件下，對全厚式瀝青路面結構進行了降低成本優化，減小了路面結構因過度冗余設計所導致的資源浪費。

參考文獻

[1]王林, 韋金城, 張曉萌, 等. “四個一體化”破解長壽命瀝青路面技術瓶頸[J]. 科學通報, 2020, 65(30): 3238-3245.

[2]李伊, 劉黎萍, 孫立軍. 全厚式瀝青路面溫度場預估模型[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2020, 48(3): 377-382.

[3]王林, 王曉燕. 山東在長壽命路面技術方面的探索[J]. 中國公路, 2020(14): 33-35.

[4]王旭東. 足尺路面試驗環道路面結構與材料設計[J]. 公路交通科技, 2017, 34(6): 30-37.

[5]李濤, 劉寧, 張濤. 全厚式高模量瀝青混凝土路面結構設計及力學分析[J]. 公路, 2013(4): 90-94.

[6]沈孔健. 全厚式長壽命瀝青路面軸載換算方法研究[J]. 石油瀝青, 2012, 26(1): 29-31.

來源：材料科學, 2021, 11(2)

作者： 張 新, 姚 望, 章清濤：山東高速股份有限公司，山東 濟南；張曉萌, 韋金城, 孫兆云：山東省交通科學研究院，山東 濟南