摘要：本文论述了长寿命半刚性基层沥青路面的设计原理及方法，指出了我国传统沥青路面设计方法存在的缺陷，简要说明了路面结构动载性能分析方法。认为我国完全可以利用国外的永久性沥青路面设计原理开发自己的长寿命半刚性基层沥青路面。 关键词：长寿命半刚性基层沥青路面 路面结构 动载性能。 序言：
半刚性基层沥青路面是我国公路的主要结构形式，要实现我国的长寿命半刚性基层沥青路面，路面设计是第一位的。施工不可能超出设计的范畴，要掌握长寿命半刚性基层沥青路面设计的核心技术。
我国传统的沥青路面设计方法存在缺陷，即缺少路面结构动载性能分析，把汽车荷载当作静载，运用弹性层状连续体系理论进行计算，往往造成路面结构动载性能不良，路面结构动载性能不良的半刚性基层沥青路面很难达到长寿命，容易发生结构性损坏。因此，我们的沥青路面设计中的结构层与组合设计要把汽车荷载当作动载，增加路面结构动载性能分析这一关键环节。
一、路面结构动载性能分析
那么如何进行路面结构动载性能分析呢？对路面结构的动载性能进行分析，首先要把汽车荷载看作动载，分析汽车驶过路面时，汽车荷载在路面各结构层的传递、扩散，分析路面各结构层的结合状态，是趋于连续状态还是滑动状态。下面作者浅谈对路面结构的理解，供大家参考。路面结构实质是一种“介质”，把汽车动载快捷、均匀地传递给路基，即扩散传递荷载的作用；另一方面路面结构自身承受汽车荷载的压力即承重层的作用。习惯上我们以为半刚性基层是主要承重层，半刚性底基层是次承重层，而忽略了对路基承重的理解和
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认识，路基是最终的“承重层”。路面结构包括基层、底基层的承重作用是与桥梁中的梁板的承重作用有着本质区别的，公路路面与铁路在结构上异曲同工。火车的载重量要比汽车大，速度也快，铁路表现出了良好的使用性能，这说明铁路结构设计是很成功的。铁路结构很简单，从下至上依次是路基、道碴、枕木、铁轨。
半刚性材料优缺点再认识，要扬长避短。半刚性材料优点是板体性好、刚度大，承载能力强，半刚性基层沥青路面弯沉小，有时甚至接近于零（贝克曼梁法测回弹弯沉）。缺点是结构层间滑动性大，而且不同半刚性材料间滑动性更大，路面结构动载性能不好。
例如：路面设计使用年限15年的高速公路普遍采用以下结构形式： 4cm AC-13 细粒式沥青混凝土上面层； 6 cm AC-20 中粒式沥青混凝土中面层； 8 cm AC-25 粗粒式沥青混凝土下面层；
18 cm 4MPa (7d无侧限抗压强度)水泥稳定碎石上基层； 18 cm 0.8MPa (7d无侧限抗压强度)石灰粉煤灰稳定碎石下基层； 18 cm 0.6MPa (7d无侧限抗压强度)二灰土底基层； 路基
作者认为该路面结构形式路面结构动载性能不良。为什么呢？汽车动载在不同材料的半刚性板间扩散传递不良。汽车荷载要通过四层板体即沥青层、水泥稳定碎石上基层、二灰碎石下基层、二灰土底基层，最后传递、扩散到路基，汽车动载在不同性质材料的半刚性板间传递性不良。上基层、下基层、底基层三层半刚性版体间滑动性大，不能形成一个连续的整体半刚性板承受荷载作用。该路面结构易发生结构性破坏，首先发生疲劳损坏
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的层次一般是水稳碎石上基层，实际情况也是经常发生水稳碎石上基层连同沥青层损坏被洗刨，留下二灰碎石。
这不是正常的沥青路面疲劳损坏，正常的疲劳损坏是沥青路面在预期的使用寿命期限内，首先在底基层底部发生疲劳裂缝，缓慢向上延深到水稳碎石上基层和沥青层，直到整个路面结构破坏。高中物理中动量守恒定律有象钟摆一样的小球碰撞实验，两个完全相同的小钢球可以来回碰撞多次，动量在两个钢球间传递得很好，但如果换成一个铜球和一个钢球则碰撞不了几次便会停下来。汽车动载在路面结构层间扩散传递和小球碰撞实验相似，而且不同种类的半刚性材料板体受压弯曲模式不同，层间滑动性大。因此以上路面结构动载性能不良，应使用同种半刚性材料。
作者给出以下结构形式，供参考： 4cmAC-13 细粒式沥青混凝土上面层； 0.2cmSBS改性沥青上封层；
6 cmAC-20 中粒式沥青混凝土中面层； 8 cmAC-25 粗粒式沥青混凝土下面层；
18 cm4MPa (7d无侧限抗压强度)水泥稳定碎石上基层； 18 cm4MPa (7d无侧限抗压强度)水泥稳定碎石下基层； 18 cm2.5MPa (7d无侧限抗压强度)水泥稳定碎石底基层；
13cm骨架弱空隙型级配碎石垫层或15cm8%石灰或4%水泥处治土垫层； 路基。
该路面设计使用年限20年。
这个路面结构动载性能好，基层、底基层由于采用同一种半刚性材料，
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使三层半刚性板更趋于一个连续的整体承受汽车动载作用。其路面结构受力图为：
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↙↓↘ ↙↙↓↘↘ ↙↙ ↓↘↘ ↙↙ ↓↘↘ 18㎝沥青层
36㎝水泥稳定碎石基层
18㎝水泥稳定碎石底基层 13㎝级配碎石垫层
路基
半刚性材料直接铺筑在土基上效果不好，半刚性材料为刚体性质，土基为柔性材料，因此底基层下设置13cm骨架弱空隙型级配碎石垫层或15cm8%石灰或4%水泥处治土垫层是有必要的。骨架弱空隙型级配碎石指掺加少量细集料（石屑），集料内部有少量空隙的级配碎石，这种碎石区别于悬浮密实型级配碎石和骨料密实型级配碎石，骨架弱空隙型级配碎石还有待进一步实验论证。当基层、底基层采用同种半刚性材料且上基下基层采用相同的材料时，便能克服半刚性板体间滑动状态的缺点。
对于粉煤灰资源丰富的地区，高速公路、一级公路作者给出了下面的路面结构形式供参考：
4cmAC-13细粒式沥青混凝土上面层； 0.2cmSBS改性沥青上封层； 6cmAC-20中粒式沥青混凝土中面层； 10cmATB-25密级配沥青碎石下面层；
18cm石灰加2%水泥粉煤灰稳定碎石上基层（7d无侧限强度2MPa）； 18cm石灰加2%水泥粉煤灰稳定碎石中基层（7d无侧限强度2MPa）； 18cm石灰加2%水泥粉煤灰稳定碎石下基层（7d无侧限强度2MPa）；
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15cm18%石灰或4%水泥处治土垫层； 路基。
该路面设计使用年限20年 其路面结构受力图为：
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↙↓↘ ↙↙↓↘↘ ↙↙ ↓↘↘ ↙↙ ↓↘↘ 路基
该路面基层三层采用相同的材料，即采用全厚式基层的形式。基层掺加2%的水泥以弥补石灰、粉煤灰稳定碎石早期强度不是的缺陷。
20cm沥青层
3*18cm石灰水泥粉煤灰稳定碎石基层
路面结构形式越简单其使用性能和路面结构的动载性能往往会更好。我国著名道路专家沈金安在其著作《高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策》中介绍：四川省有一各称为“大件路”的108国道，路面结构为4cm细粒式沥青混凝土，5cn沥青碎石+20-30cm二灰稳定砂砾+30cm级配砂砾，调查时大件路南段已运营9年，北段已运营10年，一个车道上的累计标准轴载作用次数除大件路南段局部段落为300万次外，其余均已超过500万次，最高达800万次，已达到一级公路及高速公路的荷载水平。“大件路”的成功验证了路面结构动载性能良好的路面能够达到理想的使用寿命和使用性能。“大件路”路面结构动载性能分析：其路面结构分为两个部分，9cm沥青层和20-30cm二灰稳定砂砾共同构成29-39cm厚的路面结构板体，30cm
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级配砂砾形成柔性材料支撑层。汽车动载首先通过路面结构板体扩散传递给柔性支撑层，柔性支撑层再把汽车动载均匀的扩散给路基。天然级配砂砾经碾压能形成坚固致密的柔性支撑层。
全厚式沥青路面即天然的或者经过适当处理的路基以上全部为沥青层的沥青路面，能够达到很长的使用寿命，有的甚至达到40年以上的使用寿命，被称为永久性沥青路面。沈金安专家在其著作中介绍美国爱荷华州20世纪60年代修建的洲际道路I-80上的两段道路被APA授予2002年永久性路面奖，一条在Cedar，另一条在Johnson。Cedar路段修建于1962年，结构为12.5cmHMA（热拌沥青混凝土）面层+40.6cmATB（密级配沥青碎石），直接铺筑到细粒土上。
Cedar全厚式沥青路面结构受力图为：
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路基
全厚式沥青路面结构简单，路面结构动载性能良好，整个沥青层形成一个厚路面结构板体，下面是路基。汽车动载通过厚沥青层板体均匀传递扩散到路基。
与全厚式沥青路面结构相似的是使用寿命达50年以上的长寿命水泥混凝土路面，国内外都有长寿命水泥混凝土路面的例子。我国传统的水泥混凝土路面采用的是半刚性基层（水泥稳定碎石或二灰碎石）和半刚性底基层（石灰土
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53.1cm沥青层
或二灰土或水泥土），但在使用过程中，路基发生不均匀的塑性压缩变形，基层与水泥混凝土面板间出现缝隙，基层对水泥混凝土面板的支撑不再紧密，会出现错台、断板、面板破损的现象。而长寿命水泥混凝土采用的是柔性基层，级配砂砾或级配碎石等，长寿命水泥路面在使用过程中，级配砂砾或级配碎石越压越致密，强度越来越高，对水泥混凝土面板的支撑也越来越紧密，从而消除了路基不均匀沉降对路面结构的不利影响。 长寿命水泥路面结构受力图:
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水泥混凝土面板
级配砂砾、级配碎石等柔性基层
↙↙ ↓↘↘ 路基
路面结构刚度递减原则：；路面结构中上层板（组合）的刚度要大于下层板（组合）的刚度。
河北唐山市某市区主干线采用以下路面结构： 4cmAC-13细粒式沥青混凝土上面层； 6 cmAC-20中粒式沥青混凝土下面层；
18cm4MPa(7d无侧限抗压强度)水泥稳定碎石上基层；
18cm2.0MPa(7d无侧限抗压强度)石灰加2%水泥粉煤灰稳定碎石下基层；
18cm0.8MPa(7d无侧限抗压强度)石灰粉煤灰稳定碎石底基层； 路基 E0=40MPa。
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该路面结构中水泥稳定碎石上基层为18cm厚的上层板，下基层、底基层由于材料性质相近组成36cm厚的下层板，这样上层板的刚度会远小于下层板的刚度。该路面结构在使用寿命期限内很可能会出现水泥稳定碎石上基层先于下基层和底基层出现疲劳损坏的情况，这是非正常的路面结构使用寿命期限内的疲劳损坏。为什么会出现这种现象呢？这原因在于汽车动载特性，汽车驶过路面，路面会产生弯沉盆（挠度），汽车驶过路面的过程也是弯沉盆横向推移过程。试验表明半刚性基层沥青路面80%以上的弯沉（挠度）来自于路基变形。该路面结构上层板刚度要小于下层板刚度，考虑汽车动载的横向传递，上基层与下基层之间滑动性增大，上基层水泥稳定碎石成为了最薄弱的结构层，很可能会出现上基层水泥稳定碎石最早出现疲劳损坏的现象。因此，半刚性基层沥青路面结构上层板（组合）刚度一定要大于下层板（组合）刚度是很有必要的。
二、利用国外永久性沥青路面设计理论，设计我国的长寿命半刚性基层沥青路面。永久性沥青路面是限制厚沥青层层底弯拉应变不应高于65-70με，路基顶面压应变不高于200με。设计永久性路面的一个重要方面是沥
青层底弯拉应变低于材料疲劳极限对应的应变临界点。国外研究发现当沥青层厚度超过一定厚度时，良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。在此基础上建立了厚度设计图，当标准轴次超过80×106次后，沥青层厚度无需增加。这就成为一个沥青的设计范例：增加交通量无需机械地增加沥青层厚度。这是由于有一个弯拉应变临界点，当路面结构弯拉应变低于此值时，HMA（沥青层）层底就不会产生疲劳损伤，因此继续增加沥青层厚度降低沥青层底的弯拉应变就变成多余了，这个拉应变临界点对应的疲劳寿命就是疲劳极限。
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虽然半刚性材料和HMA沥青混凝土在材料性质上存在很大差别，但和HMA沥青混凝土一样，半刚性材料也必然存在着弯拉应变（或应力）临界点，当半刚性材料底部受到的弯拉应变（或应力）低于半刚性材料的弯拉应变（或应力）临界点，半刚性材料的底部就不会产生疲劳损伤。我们完全可以利用国外永久性沥青路面的设计原理开发我国的长寿命半刚性基层沥青路面，使我国的沥青路面达到20年甚至更长的使用寿命。
参考文献
沈金安，李福普，陈景等；《高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策》人民交通出版社
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