铺面工程学（第2版）：设计指标及其重要性

1.路面损坏分析

本书第7章中阐述了路面的常见损坏类型，可以看出这些损坏大体上可以分为四类，即开裂类、变形类、表面损坏类和其他类。路面的开裂类损坏又包括四种，即纵向裂缝、横向裂缝、块状裂缝和龟裂。从本书7.2.1节可知，这四种裂缝除了龟裂外，其余三种损坏主要是由环境因素主导的，可以称为环境主导型裂缝；龟裂则是由荷载引起的，可以称为荷载主导型裂缝。在目前的路面设计方法中，人们还无法定量地控制环境主导型的裂缝，所以定量设计中主要考虑荷载主导的路面开裂，即龟裂。在一些设计方法中，还给出了考虑低温开裂的准则。

变形类损坏包括车辙、波浪和拥包以及沉陷。波浪和拥包常常与水平力的作用有关，在经常刹车、启动的路段，如交叉口前的路段比较常见，而正常行驶的路段，主要承受竖向荷载的作用，水平力的作用很小。沉陷更多的则是路面结构自身的原因所致。所以，只有车辙是一种普遍存在的损坏，且与荷载重复作用关系密切，是进行结构定量设计时所应考虑的主要变形类因素。

路面表面损坏和其他的一些损坏类型，要么是上述损坏未能及时养护的结果，要么是一种局部的损坏，而与路面整体结构的相关性不大，所以在结构设计方法中一般不予定量考虑。

2.力学-经验法中控制的损坏现象和常用的设计指标［5］

如上所述，在路面结构设计中，人们不可能控制所有的损坏类型，但鉴于路面损坏模式的多样性，各种损坏对路面使用性能具有不同性质和不同程度的影响，所以沥青路面设计也不能像其他结构物设计那样，仅选用一种损坏模式的临界状态和单一的设计指标作为结构的临界状态和设计指标，而必须采用多种临界状态和多项设计指标［5］。在目前的设计方法中，一般考虑疲劳开裂、车辙和低温开裂等方面。

1）弯拉疲劳开裂

路面结构在出现整体性疲劳开裂前所能承受的荷载重复作用次数，称为路面结构的疲劳寿命。实际上，路面结构的疲劳寿命与材料的疲劳寿命不同，既包括材料发生疲劳开裂时承受的荷载作用次数，还包括开裂的扩散（传播）时间（作用次数），即从结构临界点产生疲劳开裂扩散到贯穿路面结构厚度的时间以及裂缝进一步扩展的时间。路面结构的疲劳寿命大小，同组成材料的特性、环境条件（温度、湿度）以及路面所承受的荷载应变（或应力）级位有关。对类似的结构、材料和环境状况，临界点的应变越大，路面结构的疲劳寿命越短。由此，在以疲劳开裂作为临界状态的结构设计方法中，通常采用结构中临界点的弯拉应变或弯拉应力作为设计指标，以标准轴载在当量疲劳温度或标准温度时产生的弯拉应变或应力不大于该材料在该温度条件下的容许疲劳弯拉应变或应力作为设计标准。

对于路面结构而言，临界点可能不止一个，可能位于沥青层的内部、底面或半刚性层的底面，应根据结构组成计算确定。对我国常用的半刚性基层路面或以各类整体性材料为基层的路面而言，在沥青层与基层接触情况是连续的条件下，沥青层的最大弯拉应变位于沥青层的内部；接触情况是滑动的条件下，沥青层的最大弯拉应变则位于沥青层的底面；半刚性层内的临界点则一般位于该层的底面，设计时采用该层底面的最大弯拉应力作为设计指标，控制其大小不超过该层材料的容许疲劳弯拉强度，以避免由于疲劳开裂而诱发结构的开裂。对于以级配碎石等粒料为基层的路面结构而言，最大弯拉应变一般发生在沥青层的底面。

实际上，不管是沥青层底面还是半刚性材料层底面的拉应力指标都是控制自下而上的开裂的，在本书7.2.1节中还指出了一种自上而下的裂缝。这类裂缝也是由荷载的重复作用引起的，并被认为是剪切主导型的疲劳开裂［8］，在路面结构设计中理应予以控制。但由于这类疲劳开裂本身的复杂性，迄今为止在大多路面设计方法中没有对应的设计指标。

2）车辙(www.xing528.com)

如本书7.2.1节所述，车辙是荷载重复作用下路面各结构层变形累积的结果。当车辙深度超过10～15 mm时，将会使雨天高速行驶的车辆产生漂滑。所以，一些设计方法中要求对车辙深度进行估算，使其不超过10～15 mm。车辙深度同重复应力的大小、作用次数、路基和各结构层材料的特性以及温度状况有关。车辙的出现，不仅影响路面的行驶质量，而且影响高速行驶时的行车安全性。以车辙作为临界状态，采用车辙深度或永久变形量作为设计指标，设计时限定设计年限内的累积车辙深度或永久变形量不超过行驶质量和行车安全所容许的车辙深度或永久变形。国际上采用间接的设计指标控制路面的车辙，这个间接指标是路基顶面的压应变。通过控制压应变来控制路基的变形量，从而间接控制车辙的大小。

这种方法对粒料基层的路面结构具有一定的适用性，对我国常用的半刚性基层路面结构则存在较大的局限性。为了克服这个问题，国外一些设计方法中给出了路面车辙的预估方法，即计算沥青层、基层和路基等整个结构层的车辙。这种方法目前只能作为一个验算指标，而不能当作设计指标，无法起到控制结构设计的目的。

3）路基顶面压应变或路表回弹弯沉

路基顶面压应变对路面结构的整体刚度具有较大的影响，尤其是对级配碎石基层的沥青路面结构而言。如上所述，一般认为采用该设计指标是为了间接控制路面的车辙大小；这对沥青层较薄的路面结构具有较好的效果，但随着沥青层厚度的增加，将会有较大的局限性。

路表面在荷载作用下的回弹弯沉量反映了路面结构的整体刚度。试验观测资料表明，它同路面的使用状态（疲劳开裂和永久变形）之间存在着一定的内在关系，回弹弯沉量越大，出现疲劳开裂的概率越大，永久变形量越大，能承受的荷载作用次数越少。所以，可以采用路表回弹弯沉作为路面结构的设计指标，以控制路面结构的整体刚度，从而间接控制结构的疲劳开裂和永久变形。

根据路面使用状态，可以确定一次荷载（标准轴载）作用下路面的弯沉大小，控制其不大于根据使用年限确定的设计弯沉。

我国在2017年以前采用弯沉指标进行综合控制，目前已经不作为路面结构的设计指标，但依然是路面评价的常用指标。

4）低温开裂

这是一项与荷载关系较小、适用于寒冷地区的设计指标。当温度下降时，面层材料因收缩受阻而产生的温度应力大于该温度下沥青混合料的抗拉强度时，路面即发生开裂。设计时限制温度应力的大小，或设法提高沥青混合料的低温抗力，作为防止这类损坏的主要考虑。减少了低温开裂，保证了路面的完整性，减少了雨水的下渗，从而延长了路面的使用寿命。同时，该设计指标还间接反映了对路面结构性能的要求。