长寿命路面按照美国沥青路面联合会(APA，Asphalt Pavement Alliance)的原始定义，是指沥青路面设计和建设后至少30~50 a无结构性修复和重建，仅需针对面层损坏进行周期性修复。APA从2001年起开始在全美国评选长寿命路面奖，其标准是沥青路面至少35 a没有结构性损坏，平均罩面间隔不少于12 a。各州的标准从30~50 a不等。

长寿命沥青混凝土路面是近年提出的发展趋势，但具有长期服务性能的沥青混凝土路面概念并不是全新的。国外20 世纪60 年代以来修建了大量全厚式沥青混凝土路面和深层高强沥青混凝土路面。调查发现，这些自20 世纪60 年代修建的沥青混凝土路面无结构性损坏的原因，在于基本上消除了传统的面层底部产生的疲劳损坏，路面的损坏只发生在路面的上部。美国学者Monismith先生提出了极限应变的设想(见图 1)，认为沥青路面厚度超过一定值，荷载产生的应变小于材料本身的极限应变，材料就不会产生疲劳破坏，因此，研究人员以此为基础提出长寿命路面的概念^{[1, 2]}。

图 1 Monismith提出极限应变的设想 Fig. 1 Monismith proposed ultimate strain imagine

图选项

目前国内长寿命沥青路面主要有3种结构形式：复合路面、传统的半刚性基层沥青路面以及厚沥青层路面。长寿命路面特点为^{[4, 5]}：

(1)初期修建费用高，日常养护费用少，总费用效益比大；

(2)设计年限长,50 a以上；

(3)损坏模式上，路面的损坏仅发生在表面层，不存在结构性破坏；

(4)在养护维修上，只需要日常养护，不需要进行结构性大修。

国外的长寿命路面结构工作者经过研究认为，沥青路面结构层出现结构性破坏的原因为：

(1)在重复荷载作用下，结构层疲劳开裂导致贯穿整个结构层的裂缝；

(2)在重复荷载作用下，路基顶面产生不可恢复的压应变，导致路面结构层永久性变形。

针对这两种导致路面结构性破坏的原因，长寿命路面研究者提出了基于路面破坏理论和力学分析的长寿命路面设计方法和指标^{[6, 7]}。

(1)疲劳极限

国外的研究认为，对于全厚式沥青结构、柔性基层结构等沥青层较厚的路面结构，其结构性裂缝是由沥青层的疲劳破坏所导致的。因此，为了防止路面结构在设计累计轴载次数内出现破坏，国外学者提出了控制沥青层疲劳极限的设计理念。

疲劳极限就是指沥青混合料存在一个弯拉应变临界点。Monismith和Long建议控制沥青混凝土层底的弯拉应变≤60 με。很多学者认为改性沥青混合料的疲劳极限可以提高到100 με。日本研究人员西泽认为，沥青混合料的疲劳极限应小于200 με。

因此，在长寿命沥青路面结构设计中，沥青层层底弯拉应变将作为验算指标，验算其是否满足沥青层对疲劳极限的要求^{[8, 9]}。

(2)基顶压应变

通过对国外大量高速公路的车辙状况调查显示，当沥青结构层厚小于18 cm时，车辙率较大；当沥青层厚大于18 cm时，车辙速率会迅速降低。对于厚沥青层道路，车辙主要为表面车辙，集中发生在沥青层表面。这种破坏属于表面功能层损坏，可通过进一步罩面设计就能保证结构良好。

但是，对于由结构层的永久变形而引起的结构性车辙破坏，主要是通过控制路基土的永久变形直接控制结构性车辙的车辙深度。在结构层设计上，道路研究者建议采用基顶压应变作为控制路面总变形量的设计指标。美国的永久性路面建议路基土垂直压应变应小于200 με，若结构层基顶压应变占小于容许压应变，则认为在设计年限内路面结构不会出现结构性车辙破坏，会达到长寿命的要求^{[10, 11]}。

(1)设计原则

针对我国近几年来高等级公路沥青路面早期损坏现象调查、损坏原因分析与结构计算结果，结合本试验路段高等级公路重载交通的状况，提出路面结构组合设计思路。路面结构组合要从耐久性重点考虑下述要素：

①路面结构承载力应满足大交通量和重载交通的要求，设计过程中应充分考虑实际交通量及汽车超载的情况；

②路面结构分成不同的功能层，按功能需要合理设置路面结构，重点考虑路面的反射裂缝、车辙和疲劳开裂问题；

③解决路面防水及结构内部的排水问题，尽量减少水进入路面结构内部，同时也使进入路面结构内的水能迅速排出路面以外，避免水下渗侵蚀半刚性基层及路基；

④加强结构层间的连接，提高各层之间的连续性和路面的整体强度。

(2)路面结构层组合方案和损坏类型

沥青路面可以按基层材料类型的不同分为三大类结构层组合方案：

①选用粒料做基层的粒料类基层沥青路面；

②选用沥青结合料类材料做基层的沥青类基层沥青路面；

③选用无机结合料类材料做基层的无机结合料类基层沥青路面。

而各大类中，又可以按底基层材料的不同分为粒料类底基层、无机结合料类底基层和沥青结合料类底基层3类。各种路面结构层组合方案具有不同的结构特性及损坏机理和形态特征^[12]。各种路面结构组合方案需要考虑的沥青路面损害类型见表 1。

(1)设计方法

随着交通量和轴载的增加，沥青路面的诸多设计方法的局限性也愈加显化，针对于解决此类问题诞生了基于力学的长寿命路面结构设计方法，运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应。实质上，此类设计方法与我国采用的传统力学经验法并无明显区别，仍然采用双圆荷载作用下的层状弹性理论体系。Monismith 和Long1992 年在TRB 会议上提出了运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应^{[13, 14]}。

(2)设计使用年限

基于经济性考虑，路面设计寿命一般超过30 a，各国长寿命沥青路面设计年限见表 2。从表中可见不同国家和地区长寿命路面设计年限选取标准从20~50 a不等，经专家论证北京市长寿命路面设计年限选择二者的中值35 a，作为长寿命路面设计使用年限。

(3)国道G108长寿命路面示范工程设计标准

综合考虑技术与经济性，结合北京实际情况，国道G108长寿命路面采用如下设计标准。

设计年限：基层35 a，面层12 a。

沥青层极限应变标准：一般沥青层小于60 με，改性抗疲劳层沥青混合料小于120 με。

对于半刚性基层，应力强度比应小于0.35。

土基顶面压应变：小于200 με。

(4)路面结构厚度计算

试验段位于起点(南村立交)—岢萝坨立交，各年交通量预测结果如表 3所示。

车型调查结果显示，客车约67%，货车约33%。货车中，大货比例约占37.5%，居各货车车型之首；拖挂比例也相对较高，约占25.5%；小货、中货、大货、拖挂比例分别为17.5%，18.5%，37.5%，25.5%；重车(大货和拖挂车)约占总交通量的21%)。这表明区域大型车比例相当高，长途过境车辆较多，货运相对较发达。

国道108与京港澳(京石)高速作为北京市西南部通道，其车辆轴载谱的分布具有一定的可借鉴性。根据北京市首都公路发展有限公司2010年11月份京港澳(京石)高速大型车轴载调查成果，车辆的最大轴重达到了322 kN，见表 4。若以此作为半刚性路面的设计荷载，显然过于保守。

由图 2可以看出约95%轴重在150 kN以下，同时考虑到本工程起点将来会设置检查站，因此，本次取150 kN轴载作为路面结构的设计轴载。

图 2 京港澳高速公路货车轴载超载率分布 Fig. 2 Overload rate distribution of truck axle loads on Beijing-Hong Kong-Macao expressway

图选项

采用我国现行沥青路面设计程序和Shell的沥青路面计算程序Bisa3.0分别进行了计算，计算一致，结果见表 5。

相关研究表明，重载作用下道路结构层存在两个高应力区。沥青面层存在较大的压应力和剪应力，是以承受剪压为主的结构层。基层与底基层在各级荷载作用下主要承受拉应力的作用。沥青面层中的剪应力以及基层、底基层的拉应力值，都是随着轴载的增大而大幅度增加。对于两个高应力区，路面所受荷载作用越大，相应的压应力区及拉应力区的范围也越大。

因此，应针对沥青路面结构不同区域应力状态和功能的区别，将路面结构设计成不同的功能层，以适应路面结构不同区域应力状态和功能要求，并研发相应的功能性材料。

长寿命沥青路面设计中，表面磨耗层要求采用高性能沥青混合料，沥青应具有较好的高温等级和低温等级，即通常其PG等级的高温部分应比所在地常用沥青高一个等级，低温部分应具有95%～99%的可靠度，可采用聚合物改性沥青提升沥青品质，同时进行各项性能试验来评价其性能。

热拌沥青混合料中间层沥青应与表面层具有相同高温等级，低温等级可以低一级，例如表面层用的沥青等级为PG70-28，则中间层可用PG70-22 ，按最佳沥青用量拌和混合料，并进行车辙、水敏感性评级^[4]。

热拌沥青混合料下面层应具有与中间层相同的低温等级，沥青用量可比最佳沥青用量大0.5%，并进行水敏感性评级。

本次长寿命路面的试验路依托工程是108国道(南村—石门营段)改建工程，全长700余米。

根据长寿命路面设计要求，本文结合108国道工程实例，提出了半刚性基层长寿命路面结构，见图 3，图中每结构层之间喷洒改性乳化沥青作为黏层油。

图 3 108国道长寿命路面结构 Fig. 3 Long-life pavement structure of national highway 108

图选项

(1)采用改性沥青玛蹄脂碎石SMA作为上面层，具有抗高温、低温稳定性，良好的水稳定性，良好的耐久性和表面功能。

(2)为减少车辆载荷作用下沥青混凝土产生的应变和沥青混凝土不可恢复的残余变形，采用了添加抗车辙剂的改性沥青混凝土作为沥青路面的中面层。

(3)应用高模量沥青碎石混凝土作为底面层，以减少车辆载荷作用下沥青混凝土产生的应变和减少沥青混凝土不可恢复的残余变形，有效减少中下面层的流动性车辙。

(4)采用双层水泥稳定碎石作为基层。

(5)采用级配碎石作为底基层，避免产生半刚性基层常见的反射裂缝。

此次改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13的黏结料采用SBS改性沥青，油石比为6.1%，粗集料采用玄武岩，纤维稳定剂使用松散木质素纤维，剂量为沥青混合料的0.3%。鉴于SMA-13为表面层，要求SMA-13具有良好的抗渗性能、水稳定性和高、低温性能，因此，按照设计级配成型试件进行相关的路用性能检测，试验结果见表 6。

由表 6可看出改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13的各项指标均满足此次工程的技术要求，且在水稳定性、抗车辙性能、抗渗性能和低温抗裂性能方面具有优异的路用性能。

此次抗车辙沥青混合料KAC-20作为试验段的中面层，其黏结料采用70^#道路石油沥青，掺加6‰的PR抗车辙剂，油石比为4.5%，粗集料采用石灰岩。KAC-20作为中面层应具有较好的高温抗车辙性能和低温抗裂性能，按照设计级配成型试件进行相关的路用性能检测，试验结果见表 7。

由表 7可看出抗车辙沥青混合料KAC-20的各项指标均满足此次工程的技术要求，且在抗车辙性能、抗渗性能方面具有优异的路用性能。

此次沥青稳定碎石ATB-25的黏结料采用针入度(25 ℃，5 s，100 g,0.1 mm)为20~30,道路石油硬质沥青，油石比为3.9%，粗集料采用石灰岩。作为试验段的底面层，ATB-25应具有良好的承载力，按照设计级配成型试件进行相关的路用性能检测，试验结果见表 8。

由表 8可看出高模量沥青稳定碎石ATB-25的各项指标均满足此次工程的技术要求。

我国现行规范中沥青路面以设计弯沉做为设计控制指标，并且规定竣工验收弯沉值应小于设计弯沉值。因此，对此次半刚性基层长寿命路面进行了弯沉测定。本次沥青路面的设计弯沉值(25 ℃,5 s，100 g，0.01 mm)为24.70。

采用5.4 m贝克曼梁弯沉仪，弯沉车车型为黄河，后轴单轴双轮组，轮胎压力0.75 MPa，后轴轴载为100 kN。行车道和超车道均为10 m检测一点。试验段完工后对沥青面层的弯沉进行了检测，弯沉代表值(单位0.01 mm)为19.71<24.70，依据《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—04)，沥青面层弯沉合格。

由检测结果可以看出，以水泥稳定碎石和级配碎石为基层的试验路段的实际强度满足长寿命路面设计要求。

(1)针对我国近几年来高等级公路沥青路面早期损坏现象调查、损坏原因分析与结构计算结果，结合试验路段高等级公路重载交通的状况，提出长寿命路面结构组合设计思路。

(2)结合各种沥青路面结构层组合方案在结构设计时中的受力特点及所需考虑的损坏类型，提出本次长寿命路面设计指标和相关的设计参数。

(3)室内试验和现场性能检测结果表明，各结构层所用的沥青混合料各项路用性能均满足本次长寿命路面的技术要求，半刚性基层沥青路面的路面结构满足长寿命设计标准。