多功能长寿命路面是当前路面的发展趋势，主要通过合理的结构和材料组合设计使损坏主要控制在路面的表层，路面主体结构可长时间安全运营^[1]。设计核心是要求路面结构的表面层具有排水、降噪、抗滑和抗磨耗的能力，联结层位于高压应力区，要求具有良好的承载力、抗车辙能力和耐久性，其结构破坏形式基本上消除了传统上普遍存在的基层疲劳损坏，保证不发生从下而上的疲劳裂缝，延长道路长期的使用寿命，其设计模式见图 1。

图 1 国际长寿命沥青路面设计模式 Fig. 1 International long-life asphalt pavement design mode

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欧美发达国家的长寿命沥青路面研究和应用方面已有较多文献报道^{[1, 2, 3, 4, 5]}，主要思路是通过增加路面沥青层厚度达到长寿面路面的设计目的，美国的长寿面路面平均沥青层厚度为17.4~35.3 cm^[6]，欧洲的长寿命路面沥青层厚度也大多在20 cm以上^[7] 。我国长寿命沥青路面尚处于探索阶段，其中广深高速公路长寿命试验段的面层厚度达到了32 cm^[8]。江苏省沿江高速公路，其长寿命试验段路面总厚度76 cm，沥青混凝土层厚度为25 cm。苏南到上海的沪宁高速公路改建长寿命路面试验段，沥青混凝土层厚度达到27 cm^[9]。相较之下，我国现阶段半刚性沥青路面典型双层沥青混凝土组合厚度一般在10 cm左右。考虑到我国现阶段的具体国情，完全照搬欧美发达国家长寿命路面设计思路必然会带来极大的成本压力，因此亟待寻找适合当前国情的长寿命路面结构与材料体系。

冷拌水泥乳化沥青混凝土(cement emulsified asphalt cement 简称CEAC)是经过水泥水化硬化与沥青胶结共同作用而将骨料紧密结合在一起的、兼有刚性与柔性的半柔性复合材料。相关试验表明^[10]其具有模量高(28 d，2 500～3 600 MPa)、抗车辙(动稳定度达到20 000次/mm)，水稳性好(浸水残留稳定度≥90%)，冻融劈裂强度比大(≥90%)，耐久性好,温度敏感性低的优点。同时CEAC在一定程度上可以起到防水封层的效用，避免雨水渗入基层和土基，且无需设置伸缩缝，路面行车平整性和舒适性也得到了保证。因此CEAC很适宜用于多功能长寿命路面的路面联结层。另外，针对我国半刚性沥青路面常见的反射裂缝问题，在半刚性水泥稳定碎石基层上设置柔性大粒径沥青碎石过渡基层，降低反射性裂纹的危害，形成复合式基层(图 2)，保证路面整体的承载力。该路面结构与材料组合与多功能长寿命路面对路面材料和结构形式的要求非常吻合，具有很好的发展前景。

图 2 长寿命复合式路面设计概念 Fig. 2 Long-life composite pavement design concept

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长寿命复合式路面虽然也已成为国内外研究热点，但迄今为止尚未提出明确的设计方法、设计指标及规范，也没有通用的长寿命复合式路面典型结构。本文针对冷拌水泥乳化沥青混凝土和大粒径沥青碎石复合式路面，利用ANSYS软件建立了路面结构的三维有限元模型，讨论分析了本文中长寿命路面设计控制参数。

有限元法分析复合式路面的荷载应力，可以按照假设的复合式路面模型的大小来求解有限尺寸的路面模型，减小弹性层状体系理论水平方向无限大假设所带来的误差，且能考虑各种各样的荷载情况和模型的实际边界条件，求解所得到的结果可以是整个模型上的应力场和位移场，由此也可以更方便更全面地分析路面的受力状况。

模型使用有限元软件ANSYS建立，假定各结构层材料是各向同性的、均匀、连续弹性体，各层间的竖向及水平位移连续。边界条件假设为：底面没有z方向的位移，左、右两面没有y方向的位移，前、后两面没有x方向的位移，面层表面为自由面。其中x为行车方向，y为路面横向方向，z为垂直于路面向上方向，模型选用Solid45单元。车轮荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎标准内压0.7 MPa，单轮荷载简化为矩形18.9 cm×18.9 cm，接触面积为357.21 cm²，双轮边缘间隙13.1 cm，两侧边缘间隙138.1 cm^[11]。车轮加载最不利位置如图 3所示，有限元模型如图 4所示。

图 3 模型及 BZZ-100标准轴载加载位置(单位:cm) Fig. 3 Model and loading position of BZZ-100 standard axle load(unit:cm)

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图 4 路面三维有限元模型示意图 Fig. 4 Three-dimensional finite element model of pavement

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长寿命复合式路面的初步结构与材料确定后，重点对水泥乳化沥青混凝土及沥青碎石过渡基层的厚度和材料参数(弹性模量)的组合参数展开研究。长寿命复合式路面组合与基础材料参数(弹模、泊松比)如表 1所示，水泥乳化沥青混凝土及沥青碎石弹性模量匹配系数和厚度组合如表 2及表 3所示。水泥乳化沥青混凝土联接层、沥青碎石过渡基层弹模及厚度对路面结构的影响见图 5~图 12。

图 5 联结层弹模匹配系数对各层σmax的影响 Fig. 5 Effect of link layer elastic modulus matching coefficient on σmax of each layer

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图 6 联结层弹模匹配系数对各层τmax的影响 Fig. 6 Effect of link layer elastic modulus matching coefficient on τmax of each layer

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图 7 过渡基层弹模匹配系数对各层σmax的影响 Fig. 7 Effect of transition base elastic modulus matching coefficient on σmax of each layer

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图 8 过渡基层弹模匹配系数对各层τmax的影响 Fig. 8 Effect of transition base elastic modulus matching coefficient on τmax of each layer

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图 9 联结层厚度对各层σmax的影响 Fig. 9 Effect of link layer thickness on σmax of each layer

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图 10 联结层厚度对各层τmax的影响 Fig. 10 Effect of link layer thickness on τmax of each layer

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图 11 过渡基层厚度对各层σmax的影响 Fig. 11 Effect of transition base thickness on σmax of each layer

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图 12 过渡基层厚度对各层τmax的影响 Fig. 12 Effect of transition base thickness on τmax of each layer

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图 5~图 6说明，当联结层弹模匹配系数增长时，对整体最大拉应力的降低是有一定好处的，但是联结层所受最大剪应力上升幅度较大，故在选择联结层弹模时不宜过高。从图 7~图 8可以看出，当过渡基层弹模匹配系数增长时，最大剪应力和最大拉应力所在的结构层其应力都有一定幅度的下降，而应力储备总体变化幅度均不大，故在选择过渡基层弹性模量时可以适当增加。图 9~图 10表明，增大联结层的厚度对结构整体的受力能起到较大的好处，尤其是对底基层的影响较为积极，但一味增加联结层厚度对降低其自身最大剪应力的影响越来越小，而且从经济角度考虑也并非联结层越厚越好，因此可以结合实际选择适当厚度。过渡基层厚度的影响见图 11~图 12，显然增加过渡基层的厚度会对结构拉应力和剪应力都有一定好处，但除底基层外影响并不是很大，且过渡基层主要起到消除疲劳破坏的作用，且价格较高，所以其厚度选择并非越大越好。因此，综合考虑以上因素后提出宜昌长寿命复合式路面的路面结构组合型式(图 13)，并成功应用于宜昌城区的试验路段。

图 13 宜昌长寿命复合式路面结构 Fig. 13 Yichang long-life composite pavement structure

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我国当前沥青路面设计规范以弹性层状体系理论为基础^[12]，刚度指标以双轮间隙路表弯沉控制，路面抗弯拉验算指标以各层层底拉应力为设计控制指标，即相当在平面应力状态下σ_x为控制指标，路面抗剪验算指标则以面层剪应力τ_xy为控制指标，计算图示如图 14所示。

图 14 我国沥青路面设计指标计算图示 Fig. 14 Schematic diagram of calculating China asphalt pavement design inde

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但理论和实践表明，基于弹性层状体系理论基础上的路表弯沉无法反映和包容路面结构的多样性及各种损害类型，沥青面层拉应力指标在设计中也起不到控制作用^[13]。路面三维有限元分析时控制设计指标也无明确规定，尤其是强度控制指标—应力分析中仍然存在弯拉正应力σ_x，σ_y，σ_z和最大拉应力σ₁、剪应力与最大剪应力的取舍问题。下面给予简要分析。路面结构在三维空间中任意一点应力状态表征如图 15所示，式(1)和(2)分别为其应力状态矩阵及主应力和最大剪应力向量。

图 15 路面内一点的空间应力状态 Fig. 15 Space stress state of a point in pavement

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应力状态矩阵

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其对应主应力和最大剪应力如下：

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现以表 4所示的水泥乳化沥青混凝土路面模型组合为例，分析三维有限元模型时路面结构应力响应分量。

从图 16可知，三向正应力σ_x，σ_y，σ_z的拉应力区极值大小排序具有不确定性，底基层和下基层为σ_x>σ_z>σ_y，面层、联结层和过渡基层为σ_y>σ_x>σ_z。因此，三维有限元分析时正应力{σ_x,σ_y,σ_z}并不适合作为强度指标。另外σ₁总是在三向主应力中居于最值地位，即路面三维结构分析中的任何一层中总有σ₁>max{σ_x,σ_y,σ_z}，因此，各层材料以σ₁作为沥青路面的强度设计指标较为合适，其强度验算准则为σ₁≤[σ]，[σ]为材料的许用疲劳强度。图 17则表明，路面各层的最大剪应力τ_max≥max{τ_xy,τ_yz,τ_xz}，因此应选用最大剪应力作为抗剪强度指标，其强度验算准则为τ_max≤[τ]，[τ]为材料的许用剪切疲劳强度。刚度控制指标方面则继续选用路表弯沉L为综合控制设计指标。

图 16 路面各结构层正应力分量对比 Fig. 16 Comparison of normal stress components in each pavement structural layer

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图 17 路面各结构层剪应力分量对比 Fig. 17 Comparison of shear stress components in each pavement structural layer

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冷拌水泥-乳化沥青混凝土应用于高压应力区(联结层)，并设置大粒径沥青碎石与水泥稳定碎石复合式基层，已应用于宜昌城区的试验路段，可为长寿命复合式路面的结构与材料组合提供参考。长寿命复合式路面三维结构分析设计时，以各层材料最大拉应力、最大剪应力为强度控制指标更为合适。路面材料宏观力学参数(弹性模量)与各层结构厚度对长寿面复合式路面影响较大。水泥-乳化沥青混凝土中乳化沥青与集料、水泥界面的相互作用及性能，乳化沥青黏弹性特性及其对复合材料破坏机理的影响需要在后续工作中进一步研究。