长寿命沥青路面在超重交通高速公路的应用与分析
作为国内少有达到长寿命沥青路面结构标准的广深高速公路，其路面达到设计使用寿命(15年)后，路况保持较好，路基整体性强，各项路面使用指标正常。主要从路面使用状况、受力机理等方面进行论证，介绍在超重交通环境下高速公路长寿命沥青路面的应用情况，以供同行参考。
关键词
超重交通 | 高速公路 | 长寿命沥青路面 | 应用
欧美国家对长寿命沥青路面理念上一般理解是指沥青路面能够使用40～50年以上、采用较厚沥青砼层的柔性沥青混凝土路面。该类型的路面结构可以大大降低传统沥青混凝土底层所产生疲劳开裂和结构性车辙的影响，路面病害主要体现在面层范围(2.5～10.0cm)，维修也只需进行表面层的功能性恢复即可。近年来，长寿命沥青路面在我国的应用和发展，尤其在重载交通环境的道路上的应用，已取得了一定的成功。
我国作为高速公路建设高速发展的国家，长寿命沥青路面的理念在行业中已引起很大的关注，并在新建、扩建项目中逐步进行实践。笔者认为：广深高速公路(深圳段)沥青路面结构的设计(图1)标准、使用过程的路况、路面的病害程度等，均符合长寿命沥青路面的相关指标，属国内少见的长寿命沥青路面的成功典范。
该高速公路路面自1994年建成通车以来，在超重交通的环境下已营运18年，路况一直较好，从未进行过路面的结构性维修。经广东省公路检测中心2011年1月对全线122.8km范围内路面进行检测，结果表明：路面使用性能指数(PQI)全程为优，路面行驶质量指数评定等级为优的占83.6%，路面抽检弯沉评定等级全部为优。作为国内少有的长寿命沥青路面，其路面的实际使用状况及其路面结构设计理念值得行业内的探讨。
1、路面使用状况
广深高速公路原路面设计为双向6车道，路基总宽33.1m，设计第一年标准轴载的(BZZ014-100)交通量(双向)为13003辆/d，年交通量平均增长率为6%。
该沥青路面使用18年以来，实际行车情况远远超出设计范围，病害程度轻，路况基本保持较好。
1.1 车流量特大
广深高速公路通车十多年来，随着高速公路沿线市镇及周边地区经济迅速发展，路面的交通量增长迅猛，目前该路的交通量全线平均为9万辆/d，部分路段超过15万辆/d，如2010年间，鹤州～福永路段交通量为168943辆/d(混合车流)，通行能力(折算标准车型8万辆/d)已基本超饱和，且面临交通量不断增加的压力。
据2006年主线车流量的统计，年累计车流已达1926万次，其中1、2、3、4、5类车分别占50%、2%、22%、5%、21%，折成标准车型(小客车)的车流3051万车次，折合标准轴载(BZZ014-100)车流量为5716万车次。按原设计取车道横向不均匀分布系数0.3计算，该年的车流量达到了设计车道累计轴载当量(15年计)的51.8%。运营的13年中，初步估算累计标准轴载为13975万车次，超出设计累计轴载当量的4.22倍。
1.2 超载较为严重
超载率小于30%的比例为11.6%，超载率在30%～50%之间的比例为3.4%，超载率大于50%的比例为6.9%。其中测定最大值为79.24t(三联轴双轮胎轴型)，最大超载率为260.2%。近年来，超重型交通面临日益增加的压力。
1.3 路面沥青老化
进行沥青抽提试验中，原沥青路面的抗滑磨耗层、沥青砼面层沥青均采用重交AH-70沥青，在使用13年(即2007年)后某路段的检测情况如表1。
结果表明：沥青符合沥青老化的变化规律，沥青组分里的油分和树脂的含量相对减少，沥青质、沥青碳的含量增加，沥青粘度增加、软化点升高、粘结力下降、脆性增大、塑性减小，沥青的三大指标严重衰减。其中，磨耗层老化相对较严重，基层沥青碎石层(ATP-30)相对较轻，为保障路面的足够强度提供保障。
1.4 路面破损率低
沥青路面局部的病害以车辙、裂缝及少量的坑槽为主，病害一般发生在以剪应力为主的表面磨耗层，只有少数病害发展至中面层深度(约4～8cm)，如坑槽。通车10多年以来，整体维修率一直较低。参照2011年路面检测结果表明，路面状况指数(PCI)评定为优的占76.3%，良19.1%，中4.6%;车辙深度指数评定为优的占49.2%，良的占50.8%，车辙整体较小。
1.5 路基整体性较好
参照2011年对K103～K118代表路段的弯沉检测结果，该路段的代表弯检测情况如图2所示。
沥青路面代表弯沉大于设计弯沉的路段，深圳方向长度占总长的46.7%;广州方向长度占总长的80%，说明路面营运十多年后，路面强度存在一定程度上的衰减，其中沥青路面强度评定等级为差、中、良以上的，比例分别为3.3%、23.3%、73.3%，说明路基的结构强度较好。
对该K103～K118路段路基强度抽芯检测，主要数据如表2。
从表2可以发现芯样的整体性非常好，基层强度高，大于设计的3～5MPa，表明基层强度在运营十多年以后仍然较高，基层整体性非常好。
2、结构机理分析
参照《公路沥青路面设计规范》(JTJD50-2006)规定，对公路沥青路面结构理论的设计弯沉值、底层拉应力两项主要的计算指标进行初步分析。首先作为沥青路面整体刚度设计指标的设计弯沉值，采用双圆垂直均布荷载作用多层弹性连续体系进行验算;其次对公路的沥青混凝土面层和基层、底基层进行层底拉应力的验算，重点讨论沥青路面结构受力关键的几方面内容。
2.1 车载作用受力分析
路面在经受车辆荷载、气温等环境因素的反复作用下，长期处于应力、应变交迭变化状态，路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，车道上的累计等效标准轴载的次数超过设计年限内设计车道上标准轴载累计当量轴次，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度而下降，从而使路面产生疲劳破坏，即在未达到设计使用年限时，道路也会丧失其服务功能。
按照原设计双轮组单轴轴载BZZ-100的标准，设计弯沉为0.23mm。采用KENLAYER程序进行验算，主要材料参数如表3，分别为超载车辆对沥青路面结构不同点位验算弯沉、最大拉应力(如表4)进行对比分析。
计算表明，低于路面设计标准轴载的车辆对路面造成的损坏非常小，但超载对路面结构的受力产生较大影响。随着轴载的增加，车辆对路面结构造成的损坏程度越来越大，对于超过路面设计标准的轴载，超过的轴载越大，对路面造成的损坏越严重。例如，当车辆轴载超过路面标准设计轴载100kN一倍时，这样的车通过一次，相当于标准轴载的车辆通行20次。
针对广深高速公路长寿命沥青路面结构，相当于柔性基层的受力机理，相对于国内广泛使用的半刚性基层不同，对重轴载的敏感性并不明显，随着基层和沥青层模量比的增大，其换算荷载次方数相当于半刚性基层的1/3～1/4(即4次方增至12～15次方)。
随着轴载增加，沥青层表面弯沉逐渐增大，层底拉应力也是随轴载而增大，在最大轴载(1223kN)作用下，沥青面层的层底拉应力、基层材料的拉应力才接近材料的允许拉应力，发生最大的弯拉应力范围基本在劈裂强度相对较高的沥青基层，而水稳性材料基层主要承担竖向压应力为主，仅承担部分的弯拉应力，远远延长路面的使用寿命，也符合长寿命沥青砼路面受力机理。
2.2 柔性沥青砼基层
欧美柔性沥青路面结构理论体系中，长寿命沥青路面理论计算研究发现，沥青路面结构层厚度存在一个弯拉应力的临界点，当路面弯拉应变低于此值时，沥青底层理论上就不会产生疲劳损伤。也就是说，当沥青结构层厚度使底层拉应变小于一定的值后，沥青面层的下部可以无限期地使用下去。同时，当沥青层厚较大时，可以将上部的10～15cm作为路面的面层，其余沥青混合料厚度作为路面的基层参与路面结构受力。
广深高速公路路面结构中5层沥青混凝土层(共36cm)，按照以上理论体系，整个路面结构可看成是柔性沥青路面，2层沥青碎石层(厚共20cm的ATP-30)为柔性基层，其余2层水稳性材料层(厚共46cm)及未筛分碎石层统一变为路面垫层，基本符合长寿命沥青路面的受力理论体系。
2.3 足够强度的垫层
路面主要的三层受力体系中，表面层一般以受剪切为主，中面层为竖向受压区，力学上以抗压缩为主，底面层一般为两向拉伸区为主，力学以抗疲劳为主。其中对平衡表面层剪切疲劳效应和地面层的弯曲疲劳效应，一般采用模量低的基层材料和较大的基层厚度能起到较大的作用。
在我国的重交通高速公路建设中，一般采用两层基层和一层底基层，总厚约60cm;对重交长寿命沥青路面，一般采用两层基层和两层底基层，总厚约76cm。对基层(垫层)模量控制一般不超过1500MPa。
在广深高速公路路面结构层中设两层模量为1200～1500MPa的水稳性级配碎石垫层(7d设计强度一般为3MPa左右，厚共46cm)，起到主要的竖向支撑受力作用，体现足够的结构强度和耐久性，这是18年来路况一直保持良好、病害少、维修率低的主要原因之一。
2.4 良好的层间粘结
国内沥青路面理论表明，半刚性路面的承载力主要取决于半刚性基层的强度和厚度，基层整体性完好，基层与下部的连续性(即良好的粘结效果)直接影响路面的受力机理。当沥青层与基层处在连续界面的条件下，沥青底层是不会出现拉应力的，但在滑动界面条件下，沥青底层将会出现拉应力，此时将加剧沥青路面上面层底的应力、应变，过早造成疲劳损坏。
广深高速公路4层沥青混凝土结构层+2层水泥稳定垫层，层间良好的粘结，形成较好的结构受力体系，发挥了较好的路面功能作用。经钻探表明，4层沥青混凝土层间及沥青层与水稳垫层间均呈现较好的粘结效果，是支撑长寿命沥青路面结构成功的有力证据。
3、结论
广深高速公路是国内早期兴建较厚(总厚度107cm)路面结构层的沥青混凝土路面，经过18年的超重交通环境的实践证明，结合检测数据及路面结构的受力机理分析，该路面基本符合长寿命沥青路面的各项指标要求，属于国内早期少有的长寿命沥青路面的成功案例之一。
该长寿命沥青混凝土路面的营运期间，路况呈现病害少、基本不出现结构性路面病害、路面维修简单、营运维护投入小等特点，对营运期间保畅通的压力小，优点较为突出;缺点是路面结构层厚，工程前期投入偏大。下一步可结合同类高速公路建设、营运期间的维护等具体数据作比较，进一步论证该类型路面在国内的推广价值。
全文完 首发于《广东公路交通》2013年第4期。作者简介:张荣利(1973－)，男，工程硕士，路桥高级工程师，从事高速公路养护管理工作。
产品特点
1、易于设置测试参数：可以在测试之前对弯沉落锤次数、提锤高度和冲击荷载进行设定，这是由内置的荷载高度关系而进行转换的
2、显示弯沉曲线和载荷曲线：数据采集软件可以实时显示当前每次落锤的弯沉和荷载曲线；后期可以采用数据处理软件查看有效落锤的荷载和弯沉时程曲线
拖车底盘
▍拖车式落锤弯沉仪的承载拖车采用德国进口底盘，结构坚固稳定
▍采用惯性机械制动系统和橡胶扭杆单独悬挂系统，制动灵敏可靠、行驶平稳
▍单轴设计，减小转弯半径，掉头转弯更便捷
▍采用球形挂钩与牵引车相连，简捷可靠
弯沉传感器及测试梁
▍TP-FWD全自动落锤式弯沉仪可为客户提供测试梁多点式（标准9点）和单点式测量选择
▍弯沉传感器采用进口高精度地震检波器(Geophone)，与其它进口弯沉仪一致
▍弯沉传感器数量1~15个（可选）
车载式弯沉检测设备
由于TP-FWD车载式落锤式弯沉仪采用模块化设计，所以系统可适应安装于多种车载底盘（皮卡车、面包车、商务车等）， 在保证系统可靠性前提下，更能大限度满足客户对车载车辆的需求。
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