浅谈影响路面结构的因素及路面结构的设计程序
摘要：简述各种影响路面结构的因素，及对路面结构的设计程序作出探讨。
1. 关键词：路基特性、行车荷载、环境因素、柔性路面设计程序、刚性路面设计程序
2. 引言
当设计路面的时候（混合料设计和结构设计），有三个外在的影响因素需要考虑：作为基础的路基特性、将承担的荷载、以及环境因素。
3. 路面结构设计的目的是提供一种在预定使用期内同所处环境相适应并能承受预期交通荷载作用的路面结构。路面结构设计的内容，包括结构层次组合、各结构层材料组成和厚度确定、方案的经济分析和比较等。
4. 影响路面结构的因素
2.1. 路基特性
路基的刚度和排水特性在某种程度上可以决定路面结构层的厚度、结构层的数量、与季节相关的荷载抵抗能力，以及土基刚度和排水性能自身的保持和改善。
2.2. 道路沿线的地形、地质和水文等自然条件往往变化很大，即使在较短的路段内，路基的填挖情况、岩质以及水文条件仍会有较大的差别，从而使路基的物理和力学性质有很大的变异。
2.3. 行车荷载
预期的交通荷载是材料设计和路面结构设计的基本输入或考虑的基本要素。在结构设计中，交通荷载通常用来决定路面结构组合、结构层类型和厚度，
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这些方面对于路面结构的寿命有重要影响。
2.4. 汽车是道路的服务对象，也是使道路结构遭受损坏的主要肇因。要能设计和修建出既符合使用要求又经久耐用的路基和路面构筑物，就必须对行驶在路上的车辆作一考察，要考虑的车辆因素主要有:车辆荷载的大小和特性，不同类型和轴重的车辆在路面使用年限的分布情况和数量。
2.5. 环境因素
环境因素主要影响路面材料的性能。环境因素，如温度、湿度和冰冻作用，对路面结构的耐久性、结合料的流变特性、结构的支撑能力有很大影响，并因此最终影响路面结构的使用寿命或早期损坏。
路面结构外露在地表，直接感受道自然因素的影响。这些自然因素主要是温度和湿度。路面体系的温度和湿度状况随周围自然因素的变换而变化。这些变化时路面体系的材料性质和状态发生相应的改变。
5. 路基土和路面材料的体积随路面体系内温度和湿度的升降而胀缩。由于温度和湿度沿路基路面体系深度呈不均匀分布，不同深度处的胀缩变化也是不相同的。这种不均匀的胀缩变形受到各种因素的约束而不能实现时，路基和路面结构内便会产生附加的内应力，即温度应力和湿度应力。
6. 路面结构的设计程序
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和其它土木工程构造物一样，路面的设计也要使路面满足一定的“设计寿命”。设计寿命（或设计使用周期）是一个时间概念，指从路面工程竣工到路面结构使用条件末期所经历的时间段。之所以进行路面结构设计是为了使所设计的路面结构能够抵抗设计寿命期间内的累积荷载作用。需要指出的是，路面使用寿命期间内的养护维修是必要的，可以保证路面结构实现设计使用寿命。
对于柔性路面，结构设计的主要目标是确定适宜的结构层组合和厚度，同时提出材料设计要求。这部分工作可以通过计算不利条件下的荷载应力来完成。环境对沥青路面的影响（如温度）可以通过沥青混合料等材料设计过程来实现。
3.1 对于刚性路面，结构设计主要包括：根据交通荷载和支撑条件确定试验的混凝土路面板厚度以及路面板接缝设计。这部分工作主要通过计算对刚性路面性能有影响的应力变化来完成，这些应力包括：翘曲应力（温度应力）、扭曲应力（水分应力）、车轮荷载和收缩-膨胀应力。
3.2 柔性路面结构设计程序
我国目前采用限定轮载作用下的路表回弹弯沉值的方法来确定路面结构层所需的厚度。也即，所设计的路面结构在标准轴载作用下的路表弯沉值不应大于容许弯沉值。同时，对于沥青混凝土和热拌沥青碎石面层，需限制其底层的弯拉应力低于混合料的抗弯拉强度；而在采用水泥（或石灰）稳定类材料作基层时，还须限制基层底面的弯拉应力低于其抗弯拉强度。设计流程图见图1。
沿线土质、水文调查确定路基干湿类型和平均温度实测或查表确定路基回弹模量沿线路面材料调查交通组成、年平均增长率调查换算成标准轴载累计作用次数路面材料组成设计实测和查表确定路面材料模量和强度计算路面容许弯沉值拟定路面结构方案计算面层和基层底面容许弯拉应力σRσRrσ否经济分析、方案比较决定采用方案是计算路面结构层厚度计算面层和基层底面弯拉应力σr3.3
图1
3.4 刚性路面结构设计程序
考虑荷载应力和温度翘曲应力综合疲劳作用的混凝土面层厚度和板平面尺寸确定方法，可遵循下述设计程序：
6.2.1 收集并分析交通参数——收集日交通量和
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轴载组成数据，确定方向系数和车道系数，计算设计车道标准轴载日作用次数；由此确定道路的交通分等，并进而选定设计年限、选定交通量年平均增长率和轮迹横向分布系数，计算使用年限内标准轴载的累计作用次数。
6.2.2 初拟路面结构——初选路面结构层次、类型和材料组成；拟定各层的厚度、面层板平面尺寸和接缝构造。混凝土面层的初估厚度，可按交通等级等级参照表1选择。
混凝土面层的初估厚度
表1 交通等级 特重 重 中等 轻 初估厚度（cm） >25 23～25 21～23 <21 6.2.3 确定材料参数——试验确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，基层、垫层和路基的回弹模量，基层顶面的当量回弹模量。
6.2.4 计算荷载疲劳应力——由应力计算图或公式得到标准轴载作用下板边缘中部的最大荷载应力；按接缝类型选定接缝传荷系数；按标准轴载累计作用次数计算得到疲劳应力系数；按交通等级选定综合系数；综合上述计算结果可得到荷载疲劳应力σrp。
6.2.5 计算温度应力——由所在地公路自然区划选择最大温度梯度；按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的温度翘曲应力；按自然区划的σtm/σf，确定温度应力累计疲劳作用系数；由此计算确定温度疲劳应力σrt。
6.2.6 检验初拟路面结构——按下述条件检验： σrp+σrt＝（0.95～1.03）σf σf——混凝土设计抗弯拉强度
7. 若检验条件不符合，则重新拟定路面结构或板平面尺寸重新计算，知道满足为止。
8. 结语
路基路面是一种复合结构。结构在荷载和自然因素作用下的应力和变形状况以及其使用性能，同符合结构的组成情况有关，同时也同各组成部分的材料性质有关，其性状往往是非线性的，是应力（应变）水平及温度和湿度的函数。因而，路面结构的分析和设计显得很复杂，而且不得不依赖于经验的补充。设计时，一方面应结合具体工作条件和设计经验，慎重选用各项计算参数；另一方面更重要的是注重于考虑采取适宜的结构措施以保证路面结构具备良好的工作条件。
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