沥青路面弯沉设计指标探析

作为沥青路面的重要设计指标之一，弯沉值是其承载能力状态的重要体现。弯沉为路面在汽车荷载作用下出现的方向垂直向下的变形，根据其可恢复性，可划分为回弹和塑形弯沉两种类型。当前，因沥青路面结构形式多样，人们在弯沉指标选取时常常产生不同的意见。国内外普遍采用回弹弯沉值来表示路基路面的承载能力，回弹弯沉值越大，承载能力越小，反之则越大。本文从沥青路面的承载性能出发，基于弯沉指标的力学含义，同时结合现有半刚性基础沥青路面实际情况，对沥青路面回弹弯沉设计指标进行探讨。

工程概况

“十二五”和“十三五”期间，新疆进行了一系列大规模的城市路网建设、国省道升级改造建设和战略通道建设。上述建设以快速路、主干路和二级以上公路为主，路面结构主要采用半刚性基层结构形式，在很多路段的工程竣工验收过程中，检测人员发现实际检测出的路面顶面的弯沉值大都远远小于所提供的设计弯沉值。

弯沉与结构应力应变的关系

在路面结构设计时，依据多层弹性体系计算得出的弯沉和应力应变值，常常受到材料本构等因素的影响。如表1所示，该项目试验段所取半刚性基础结构形式，具有23cm-28cm厚度的沥青面层。基于程序BISAR以两套模量体系对其进行理论计算，一套为动态模量体系，一套为静态模量体系。对于表1中的沥青结构1，因其具有厚度较大的沥青面层，因此在计算时仅对其基层与非整体性底基层的连接状态进行了考虑，而忽略了基层与基层之间的相互影响。同样，在沥青结构2中，仅对沥青面层和基层之间的连接状态进行了考虑。

对其理论弯沉以及拉应力和拉应变进行计算，所得结果汇总如表2所示。

当结构1在动态模量下进行计算时，不管其层间状态如何，其面层底部均由压应力状态转化为拉应力状态，并有拉应变存在，但其值均较小，表面对于沥青面层底部的应力状态而言，层面状态的影响较小；基层底部的拉应力及拉应变有小幅度上涨，且路面弯沉水平保持在77-82之间。

从弯沉指标的角度出发，结构2在连续状态下的弯沉指标比结构1略大，而在半滑动状态下结构2的弯沉指标与结构1相差更大，即结构1的承载能力比结构2的要大，该情况与实际不符。相比之下，结构1的半刚性结构层较小，而其弯沉值却较大，对其原因进行分析可知，主要在于不合理的模量指标的选择。半刚性材料在较高的面层模量下，对承载力的贡献较小。

表1 路面结构形式和计算参数

表2 理论弯沉以及拉应力和拉应变进行计算结果

沥青面层底部的层间状态从连续变化转变为半连续时，有约为0.27MPa的拉应力出现，并且有较为显著的拉应变增加量。从应变角度看，虽其值较小，但其应力则不可忽略，即在应力控制模式下，沥青面层极有可能产生疲劳损伤。因此可以推断，相较于半刚性层，沥青面层可能会优先出现疲劳损伤。

对比底基层和半刚性基层的指标，基层拉应力和拉应变比底基层要小，符合一般规律，其原因在于两者之间具有较大的模量差。此外，在半滑动状态下，底基层和半刚性基层有幅度不同的拉应变和拉应力增加值，但相比于面层而言，其增加幅度较小。其原因在于作为主要的承重层，在大幅度的提升其模量后，沥青面层承担起了层间滑动所产生的应力集中。综上分析，对于沥青混合料而言，存在问题的还包括有混合料的模量取值。

以静态模量进行计算时，结构的弯沉以及应力因降低了的模量，而在数值上出现大幅度的变化，使其有较大的弯沉增加。相比于动态模量的计算结果，结构1除了弯沉值有显著增加之外，其半刚性基层以及面层的拉应力和拉应变均有较大的改变，反而得到了改善。

在连续状态下，结构2的静态模量计算结果与动态模量计算结果变化较小，虽其基层和底基层有大幅度增加的应变，但均处于容许范围之内。面层底部拉应力在半滑动状态下有所减小，而其拉应变则有较大幅度的上升，表面相比于半刚性基层，沥青面层更容易出现疲劳问题。

基于上述分析可知，从结构力学状态的角度出发，结构本构参数和层间状态对其影响较大，在模量参数变化时，结构弯沉和应力应变指标的变化不同，致使设计结论不同，因此可以引出以这样的材料模量形式和层间状态表征路面结构力学分析的问题，但对于该方面问题而言，由于当前并无统一认识，还有待深究，但由此所带来的合理性选取弯沉值和应力应变值则是具有一定的共性特征。

弯沉与路面病害的关系

路面在实际运营时不仅有着较为多样的性能要求，而且隐藏有较为复杂的病害成因。对于某些公路，基层结构承载能力的降低并不是导致其弯沉增加的问题所在，如弯沉值的增加可能是由沥青面层内部的水损坏所致。也就是说，结构层的承载性能虽然可以通过弯沉值进行反映，但无法对某个结构层的承载性能进行表征，因此还需用其他辅助措施。当前除了钻芯取样的方法外，还可采用弯沉盆曲线进行分析。

路面材料性能因弯沉和病害的不统一，而变得较为复杂，尤其是对于粘弹特性较强的沥青混合料而言，在评价路面的弹性承载特征时若以回弹弯沉值为指标，则会显示出其局限性，越厚的沥青面层其局限性越显著。反之，在较薄的半刚性基础沥青面层下，其局限性则有较显著的减小。因此，在进行沥青路面结构设计时，若其主要为半刚性基层，则以弯沉指标进行设计则较为合理。此外，半刚性基层结构与沥青面层较厚的结构和柔性基层结构的弯沉指标评价有所不用，对于后两种结构而言，需采用1.6或1.2的调整系数。

结语

由于路面材料有着不确定的层间结合状态以及非线性，使得路面结构所处的实际状态与计算模型有所差异，因此需对理论计算得到的弯沉值和应力应变指标加以修正。实践表明，以检测手段所获取的弯沉指标较为可靠，修正弯沉指标也较为简单，除了材料模量对弯沉指标的修正有关之外，路面的结构形式也与其有着一定关联。作为表征路面结构存在性能的指标之一，弯沉值与路面病害和性能有一定的关联，但无必然联系，因此，在路面结构设计中，单纯以弯沉指标进行评价并不可取，仅追求弯沉指标并不完善，对于路面结构使用状态而言，还需结合材料组成及结构或应力应变控制指标等进行设计。