与其他路面结构形式比较，半刚性基层沥青路面具有板体性好、承载能力强等特点，加之造价经济，与我国公路建设起步阶段的经济能力相适应，该结构一度成为我国高速公路沥青路面的主要结构形式。但随着交通量及车辆轴载的不断增加，大量路面出现了开裂、坑槽、水损害等早期结构破坏，达不到养护设计年限就进行开膛破肚式的结构性重建^{[1, 2]}。从使用经验看，传统半刚性基层结构在重载交通条件下的这种性能衰变特点，按照寿命周期费用分析，是非常不经济的。由此，近年来在我国要求沥青路面结构形式向多元化发展的呼声日益高涨，各地结合当地的气候、交通和材料条件，对各种路面结构形式的研究正逐渐深入。国际上，为了适应重载交通和寿命周期费用最经济的原则，道路工程界也一直在研究耐久的路面结构。在此背景下，欧美国家总结了30 a以上的沥青路面结构设计的成功经验后，提出了长寿命沥青路面的设计理念^{[3, 4]}。

路面性能预估模型在长寿命路面设计和养护时机的选择中起重要作用。美国永久性沥青路面设计方法提出了沥青层极限应变的概念，认为只要沥青层底拉应变低于材料极限应变则沥青层结构不会发生疲劳损伤，可长久持续使用。美国路面力学经验设计指南（Mechanistic-empirical Pavement Design Guide，MEPDG）提出了基于累积应变总和的永久变形预估模型，进一步完善了路面结构永久变形预估模型^{[5, 6]}。但是，上述长寿命沥青路面设计模型及永久变形预估模型还没有在我国实体工程中得到系统的验证。为了探索适应本地区交通、气候特点以及寿命周期费用较经济的长寿命沥青路面结构，结合青临高速公路的建设，依据国内外使用经验设计了多种路面结构组合，作为通车后进行长期性能观测的实体工程试验路。本文结合青临高速公路设计交通荷载、材料参数和气候条件，按照现行路面结构性能分析方法，在长期性能观测前，首先从理论上对不同路面结构组合进行性能分析和评价，为实测路面性能和预估路面性能的比较、验证和修正提供数据基础。

青临高速试验路位于山东省沂水市南，处于国家重点公路长春至深圳高速公路在山东省境内青州至临沭南段。试验路设计双向6车道。路面参考国内外长寿命沥青路面经验进行结构组合设计，试验路分为6个结构分段，每分段设计不同的路面结构组合及厚度，如图 1所示。其中结构1为主线结构，是含大粒径沥青碎石（Large Stone Permeable Asphalt Mixture,简称LSPM）的复合基层结构，LSPM层上铺装8 cm粗粒式沥青混合料AC-25+6 cm中粒式沥青混合料AC-20+4 cm表面层沥青马蹄脂碎石混合料SMA-13，沥青层总厚度31 cm。结构2为级配碎石基层水泥稳定碎石底基层倒装结构，基层上铺装20 cm厚沥青碎石（ATB-25，分两层施工）+6 cm AC-20+4 cm SMA-13，沥青层总厚度30 cm。结构3处在挖方段，为确保基层和底基层承载力均匀，在级配碎石垫层上设置了两层较厚的水泥处治材料基层和底基层，沥青层总厚度27 cm。结构4完全按照法国沥青路面设计理念进行设计^[5]，按路基等级PF₃选择结构组合和厚度，中下面层采用法国高模量沥青混合料(enrobés à module élevé，简称EME)，沥青层总厚度29 cm。结构5是主线变厚度对比结构，沥青层总厚度27 cm。结构6为级配碎全柔性基层结构，沥青层总厚度34 cm。

图 1 青临试验路路面结构图(单位:cm) Fig. 1 avement structure of test road of Qingzhou-Linshu expressway(unit:cm)

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根据设计的路面结构组合和采用的材料类型，在材料设计阶段进行模量参数的室内试验。土基、粒料及无机结合料稳定材料模量试验按照美国力学经验设计法(MEPDG)参数试验方法进行试验，其中路基土、改善土和未筛分碎石采用AASHTO T307三轴试验方法，水稳风化砂和水稳碎石用ASTM C469^[6]，试验结果汇总于表 1中。

沥青混合料根据目标配比设计结果，按照AASHTO TP62试验方法进行不同温度和加载频率下的动态模量试验，结果汇总在表 2中。从试验结果可知，常温下（21.1 ℃）高模量沥青混合料的动态模量是常规沥青混合料（AC-20）模量的1.37倍左右。由于沥青玛蹄脂含量较大，SMA-13混合料的动态模量小于AC-20混合料，可见其作为表面层具有较好的柔韧性。大粒径沥青碎石混合料由于孔隙比较大，动态模量相对其他混合料要小一些。

由于道路处在建设阶段，交通量数据只能通过预估得到，车辆轴载参考山东省同类道路的轴载水平。根据2009年山东省长（春）深（圳）高速公路鲁冀界收费站（6车道）统计，全年货车交通量单向1 918 848 veh。参考该道路交通量（同样是长深高速跨省通道）青临高速公路正常日均双向货车交通量将达到10 514 veh。

通过计重收费站调查，得到山东省重载交通高速公路单轴、双联轴、三联轴，3种典型轴型的轴载谱如图 2所示。所调查的3种轴型，按照95%概率确定最大轴载，表示公路上行驶轴载95%均小于该值，按此确定的单轴、双联轴和三联轴最大轴载分别为15，25 t和33 t。

图 2 典型轴的轴载谱 Fig. 2 Axle load spectra of typical axles

图选项

根据轴载谱计算得到营运第一年双向日平均当量轴次35 939次（100 kN标准轴载）。按照5%的交通增长率，0.35的车道系数，设计15 a内一个车道累计当量轴载作用轴次91 933 541次。

美国长寿命沥青路面设计方法认为，在沥青层底存在一个极限拉应变水平，当路面在荷载作用下沥青层底应变值低于此水平时，路面结构就不会发生自底向上的疲劳损伤，这一应变水平称为疲劳极限。大量研究结果表明，普通沥青混合料疲劳极限约70 με，改性沥青混合料疲劳极限约100 με^{[7, 8]}。本研究中ATB-25沥青混合料按普通密级配沥青混合料设计，其疲劳极限暂定为70 με；EME混合料为高模量改性沥青混合料，其疲劳极限暂定为100 με，LSPM是特殊的半开级配改性沥青混合料，虽然胶结料采用改性沥青，但由于其孔隙率比较大，故其疲劳极限暂定70 με。不同混合料的疲劳极限将通过实验室低应变疲劳试验的验证和现场长期性能观测验证。

为了分析试验路路面结构沥青层底的应变水平是否满足长寿命沥青路面疲劳极限指标要求，用上述95%概率确定的3种典型轴的最大轴载，按照弹性层状理论，分别计算常温条件下和高温条件下不同结构沥青层底的弯拉应变水平^[9]，即结构1~结构6分别计算LSPM-30，ATB-25，LSPM-30，EME-14，LSPM-30，ATB-25的层底弯拉应变。土基、粒料及无机结合料稳定材料参数采用表 1中所列数据。沥青混合料模量采用10 Hz加载频率时的动态模量，常温条件采用21.1 ℃动态模量，高温条件采用40 ℃动态模量。

根据研究结果，当沥青层下面是半刚性材料下卧层时，在常温和高温条件下按照层间连续（沥青层与半刚性层间）计算沥青层底拉应变，应变值可能很小或是压应变，与实测结果不吻合。而按照层间光滑条件计算的沥青层底弯拉应变与实测较接近^{[10, 11, 12]}。因此，本文在计算半刚性材料层上的沥青层底弯拉应变时，计算模型在两层间设置光滑状态。

3种典型轴载作用下，常温和高温条件不同结构沥青层底最大弯拉应变计算结果如表 3、表 4所示。从计算结果可知，常温条件下6种结构的沥青层底最大弯拉应变均不超过70 με。高温条件下只有结构2和结构6的沥青层底弯拉应变大于70 με，但未达到100 με。结构2和结构6均含有级配碎石基层，由于级配碎石模量较小，沥青层弯拉应变相对比其他结构大。从计算结果分析，所设计的沥青路面结构基本满足长寿命沥青路面对极限应变的要求，在开放交通后发生结构疲劳损伤的可能性很小。

用MEPDG路面设计方法对试验路不同结构组合路面在设计期内的性能变化规律进行预估。MEPDG路面设计法的设计指标主要有：永久变形、自底向上疲劳开裂、自顶向下开裂（top-down 开裂）、温度开裂、平整度指数。根据每个设计指标相应的预测模型可以分阶段预测路面特定的破坏模式^[6]。由于温度开裂、top-down 开裂在本地区比较少见，根据前面对沥青层底拉应变的分析，自底向上开裂损坏在试验路沥青路面结构中发生的可能性很小，而平整度指数又是前面几种损坏模式的综合体现，单独拿来分析不科学，故在此重点对高速公路常见的沥青路面永久变形指标进行分析。

对不同结构的永久变形进行预估，气候参数采用当地气候条件，调取道路所在地连续3 a气象数据，按照MEPDG格式建立气象数据输入文件。交通组成和交通荷载参考长（春）深（圳）高速公路鲁冀界收费站（6车道）统计数据。车辙预估车速按货车行驶速度60 km/h计算。基于当地气候、交通参数和设计混合料的模量，MEPDG预估不同结构组合沥青路面在15 a的设计期内结构层最大永久变形见表 5。沥青层永久变形发展规律见图 3。

图 3 不同路面结构沥青层永久变形比较 Fig. 3 Comparison of asphalt layer permanent deformations of different pavement structures

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根据MEPDG车辙预估模型计算结果，6个结构段在设计期末（15 a）车辙大小排序为结构5>结构3>结构4>结构1=结构2>结构6。根据公路养护规范，以15 mm永久变形为标准作为判断是否进行车辙修复性养护的依据^[13]，结构3和结构5从第3 a开始进行养护，结构4，结构1和结构2从第5 a左右开始进行养护，结构6从第10 a开始进行养护。

设计的6种结构表面层均采用SMA-13混合料。通过分析发现，MEPDG车辙预估模型计算的永久变形主要发生在表面层SMA-13，当所用结构组合使在SMA-13中产生的压应变越大，SMA-13层的永久变形就越大，而表面层SMA-13以下的沥青层永久变形占沥青层总永久变形比例很小。由于结构3，结构5总沥青层厚度较薄，而且下卧层为半刚性基层结构，使得在SMA-13层内产生的压应变较大，故其车辙比结构2，结构6含级配碎石基层的大。

高模量沥青混合料结构4在6个结构中并没有表现出预期的抗车辙优势。结构4由于中下面层采用高模量沥青混合料，导致在SMA-13层内产生较大压应变，从而在SMA-13层产生较大的永久变形，高模量沥青混合料对抗车辙的贡献极小，所以整体结构并没有表现出抗永久变形的优势。根据MEPDG车辙预估模型，如果将结构4的SMA-13换成同厚度高模量沥青混合料，则设计期末的最大永久变形只有14.6 mm，几乎比采用普通改性沥青SMA-13混合料产生永久变形小1倍，如图 4所示。

图 4 高模量和SBS改性沥青混合料永久变形 Fig. 4 Permanent deformations of high modulus asphalt mixtures and SBS modified asphalt mixtures

图选项

从实际使用调查结果看，我国公路沥青路面车辙除了出现在表面层，在中面层产生车辙的情况也比较多，但根据本工程MEPDG模型计算，车辙主要发生在表面层，中下面层产生车辙量极小，这是否与实际情况存在偏差，有待通过长期性能观测数据采集对车辙预估模型进行验证和修正。

本文结合青临高速试验路沥青路面结构组合设计，分析了土基、粒料、无机结合料以及沥青混合料的力学参数特征。结合同类道路交通荷载，分析了青临试验路的交通量和轴载谱，得出了3类典型轴的最大特征值。结合长寿命沥青路面极限应变标准，分析了常温和高温条件下不同结构的沥青层底最大弯拉应变指标。结果表明所设计的沥青路面结构基本满足长寿命沥青路面对极限应变的要求。

用MEPDG永久变形预估模型分析了不同结构设计期内车辙发展规律，预测了车辙养护性修复的时间。对MEPDG永久变形预估模型的计算结果和特征进行了探讨，指出MEPDG预测车辙主要发生在表面层，中下面层对抗车辙的贡献较小，仅中下面层采用高模量沥青混合料未能达到预期的抗车辙目的，表面层也采用高模量沥青混合料可显著提高路面抗车辙能力。由于理论模型可能与实际不符，有待通过路面长期性能观测对车辙预估模型进行验证或修正。