摘要：随着我国经济社会的快速发展，重载交通的日益增加，我国高等级公路早期损坏日益严重，主要原因是我国路面结构设计理论不完善使用的道路寿命短的问题日益突出，开展长寿命路面合理组合结构研究具有重要的理论意义及使用价值。
关键词：长寿命；疲劳极限；永久路面
1.前言
我国高速公路早期损害严重，使用寿命低的原因在于我国的公路多采用半刚性基层沥青路面结构。长期以来，我国高速公路路面结构设计选型单一，“强基、薄面、稳路基”方针的半刚性基层沥青路面为我国沥青路面结构的主要形式，并几乎成为包括高速公路在内的唯一结构形式。究其原因在于，一方面半刚性基层沥青路面由于无机结合料基层的加入，具有较高的刚度和较好的板体性，同时具有扩散应力能力强、水稳定性好等诸多优点；另一方面由于我国长期以来沥青资源较为短缺，而水泥、石灰等无机结合料稳定材料较为丰富，因此在进行沥青路面设计时，设计者会扬长避短的减少沥青层的厚度以减少沥青的用量，路面承受交通荷载的能力便大大依赖于半刚性基层和底基层，“强基、薄面、稳路基”的方针便由此形成。然而，从十几年来已交付的公路的使用情况来看，半刚性基层存在着许多的问题。一方面半刚性基层抗缩裂性能差。另一方面半刚性基层排水性能差。半刚性基层较为致密，水到达基层后不能迅速排走，而是沿着沥青层和基层的界面扩散、积聚，这种界面水分的存在，不仅改变了界面连续的边界条件，对路面受力状态极为不利，也会因为水的长期浸泡导致半刚性基层材料的强度、模量和承载能力降低。
由于半刚性基层沥青路面诸多弊端的存在，我国研究者对这些问题进行了大量的研究且取得了相当大的进展，但都未从根本上消除这些问题。因此，我们需要借鉴国外的成功经验，积极探索、研究与以往不同的材料和结构形式。目前，国际社会对长寿命路面的研究方兴未艾，国内的诸多学者也做了很多积极的探索。
2.长寿命路面概念
欧洲在19世纪90年代提出了长寿命路面，最早被英国确认，根据Powell等人的理论提出了早期的沥青路面设计方法。Powell理论主张道路使用20年后，通过对原路面的补强来实现40年的设计寿命。RL对51条厚沥青路面长期性能调查，并通过对柔性道路40年周期费用经济分析，包括道路路面性能的变异性、交通延误费用、维修相关费用，表明对于重载交通费用，较经济的道路设计就是增加设计年限最少为40年，这样无需结构性维修，以降低道路维修费用，减少道路交通延误，长寿命路面是首选设计方案。长寿命路面设计指设计的沥青路面能使用50年以上、路面的损坏仅限于路面顶部，因此只需要定期的表面铣刨、罩面修复，使得沥青路面在使用年限内不需要大的结构性重建。
3.长寿命路面理论基础
从长寿命路面设计理念可知，长寿命路面存在必须具备两个前提：一是HMA存在疲劳极限：二是路面的破损自上而下发展。HMA存在疲劳极限指沥青层厚度达到一定值后，继续增加厚度对路面寿命没有意义。对旧路损坏状况调查表明，存在最小强度临界值，路面强度大于此值时，道路的预期使用寿命在50年甚至更多[1]。
(1)HMA疲劳极限的适用性
长寿命路面所采用的设计原则为：面层要有足够的刚度抵抗车辙，基层要有足够的厚度和柔度避免出现疲劳破坏。沥青混合料存在一个应力应变临界点，当路面结构的弯拉应变低于此值时，HMA层底就不会产生疲劳损伤，即应力值或应变值与可承受的荷载作用次数关系是一条水平渐近线。这个弯拉应变临界点对应的疲劳寿命就是疲劳极限。无论是否存在疲劳极限，但存在这样一个极限，允许的重复作用次数足够大，以至于进行室内梁式疲劳试验测定特定值变得不现实。从这一观念出发，一些文献谈到了一些疲劳极限的建议值，有些单位进行了相关试验验证，并确定其大小，但总体上现有研究对疲劳极限的取值存在争议，须进一步研究。下面介绍已有相关研究。疲劳极限指沥青混合料的弯拉应变临界点，路面结构弯拉应变低于此值时，HMA层底就不会产生疲劳损伤，即应力值或应变值与可承受荷载作用关系为一水平渐近线。该拉应变临界点对应的疲劳寿命即疲劳极限，或者说“耐久性极限”。疲劳极限的适用性是确定沥青层厚度的关键，因此是长寿命路面设计理论的重要理论依据。
关于疲劳极限存在性的研究结论主要包括：
①Monismith和McLeanl972年首次提出了沥青路面疲劳极限为70με。由弯拉应变和荷载作用次数的双对数关系图可得到当荷载作用500万次时弯拉应变近似为70με。
②英国Nunn及其同事1997年研究发现，对于厚沥青层路面，当沥青层超过一定厚度时，良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙，当交通量超过80百万次时，沥青层厚度无须增加。
③日本研究人员西泽等1997年提出了沥青混合料的疲劳极限，认为由于沥青混合料具有自愈能力，当其应变水平低于200με，不会产生疲劳开裂。
④Nishizawa基于日本正在使用的路面进行分析，提出疲劳极限为200με；
(2)长寿命路面自上而下破损
较厚的沥青层、精心施工的沥青路面路面损坏仅发生在表面层，特别是表面裂缝，是长寿命路面设计理念又一重要的理论依据。表面裂缝又称为自上而下裂缝。为此，国外相关技术人员进行了大量的调查、分析。对于路面车辙、疲劳破坏和路面强度将在后面章节长寿命路面性能内容中评述。下面是国外一些关于表面裂缝的调查、分析结果。
Nunn报道了荷兰176个柔性路面试验段调查结果：当沥青层厚度超过160mm，一般路表先开裂，且裂缝不会贯穿整个沥青层，而较薄的沥青层路面，会产生自上而下的贯穿裂缝。研究分析结论是对于厚沥青层路面，自下而上的裂缝少有，或者没有，路表裂缝是主要损坏类型。
Craus报道了加利福尼亚重交通对道路路面的影响，调查表明过去几年，表明轮迹带处的表面裂缝成为道路的最主要病害。
Nunn报道了表面开裂是英国厚沥青层、使用到服务期末的柔性路面的一个相对较常见的现象，是其最主要的损坏类型，一般在路面摊铺十年后发现，且出现或者不出现表面裂缝没有表现出明显的弯沉差异。还指出英国的道路当沥青层大于180mm后，很少出现基层、联结层产生疲劳开裂。
对各国、各州表面裂缝的调查表明了较厚沥青层、精心施工的沥青路面的损坏仅发生在表面层，这使得长寿命路面设计理论在实际工程中可行。但这并不意味着沥青层厚度薄就不产生表面裂缝或者沥青层越厚表面裂缝越严重，其重要一点是：表面损坏是较厚沥青层、精心施工沥青路面最主要损坏类型；对于较薄沥青层也会产生表面裂缝，但更容易产生由下至上发展的破坏，导致整个结构的开裂。 形成表面裂缝的原因很复杂，一般分析认为：
①轮胎边缘路表或靠近路表产生了较高的水平拉应变，使得路表首先开裂，并向下传播，特别对于宽轮胎；
②路表存在较大的模量梯度，特别是高温时，这样在较高的轮胎压力及温度应力下，首先产生路表开裂，并向下传播；
③磨耗层沥青老化，降低了磨耗层抵抗温度、荷载应力的能力，从而产生表面裂缝，横向开裂也与沥青老化有关。
综上所述，国外研究表明，对于长寿命路面设计理论的两个依据是成立的， 即一是HMA疲劳极限存在，且可以由试验确定；二是厚沥青路面最主要损坏是表面损坏，已由各国路面实践得到一些证实。但对于疲劳极限的存在与否和其取值目前还未统一，仍须进一步研究确定，表面损坏这里只说明了表面裂缝损坏情况，对于车辙、路面强度在后面路面结构设计中进行评述。这对我国进行长寿命路面结构研究有一定的借鉴和指导意义。
参考文献：
[1]聂忆华.全柔式长寿命沥青路面（FF-LLAP）结构及其设计方法研究[D].长沙:中南大学,2007 .