作為瀝青路面的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，彎沉值是其承載能力狀態(tài)的重要體現(xiàn)。彎沉為路面在汽車荷載作用下出現(xiàn)的方向垂直向下的變形，根據(jù)其可恢復(fù)性，可劃分為回彈和塑形彎沉兩種類型。當(dāng)前，因?yàn)r青路面結(jié)構(gòu)形式多樣，人們?cè)趶澇林笜?biāo)選取時(shí)常常產(chǎn)生不同的意見。國(guó)內(nèi)外普遍采用回彈彎沉值來(lái)表示路基路面的承載能力，回彈彎沉值越大，承載能力越小，反之則越大。本文從瀝青路面的承載性能出發(fā)，基于彎沉指標(biāo)的力學(xué)含義，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有半剛性基礎(chǔ)瀝青路面實(shí)際情況，對(duì)瀝青路面回彈彎沉設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行探討。

工程概況

“十二五”和“十三五”期間，新疆進(jìn)行了一系列大規(guī)模的城市路網(wǎng)建設(shè)、國(guó)省道升級(jí)改造建設(shè)和戰(zhàn)略通道建設(shè)。上述建設(shè)以快速路、主干路和二級(jí)以上公路為主，路面結(jié)構(gòu)主要采用半剛性基層結(jié)構(gòu)形式，在很多路段的工程竣工驗(yàn)收過(guò)程中，檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)實(shí)際檢測(cè)出的路面頂面的彎沉值大都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所提供的設(shè)計(jì)彎沉值。

彎沉與結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)多層彈性體系計(jì)算得出的彎沉和應(yīng)力應(yīng)變值，常常受到材料本構(gòu)等因素的影響。如表1所示，該項(xiàng)目試驗(yàn)段所取半剛性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，具有23cm-28cm厚度的瀝青面層?；诔绦駼ISAR以兩套模量體系對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算，一套為動(dòng)態(tài)模量體系，一套為靜態(tài)模量體系。對(duì)于表1中的瀝青結(jié)構(gòu)1，因其具有厚度較大的瀝青面層，因此在計(jì)算時(shí)僅對(duì)其基層與非整體性底基層的連接狀態(tài)進(jìn)行了考慮，而忽略了基層與基層之間的相互影響。同樣，在瀝青結(jié)構(gòu)2中，僅對(duì)瀝青面層和基層之間的連接狀態(tài)進(jìn)行了考慮。

對(duì)其理論彎沉以及拉應(yīng)力和拉應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

當(dāng)結(jié)構(gòu)1在動(dòng)態(tài)模量下進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不管其層間狀態(tài)如何，其面層底部均由壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力狀態(tài)，并有拉應(yīng)變存在，但其值均較小，表面對(duì)于瀝青面層底部的應(yīng)力狀態(tài)而言，層面狀態(tài)的影響較??；基層底部的拉應(yīng)力及拉應(yīng)變有小幅度上漲，且路面彎沉水平保持在77-82之間。

從彎沉指標(biāo)的角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)2在連續(xù)狀態(tài)下的彎沉指標(biāo)比結(jié)構(gòu)1略大，而在半滑動(dòng)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)2的彎沉指標(biāo)與結(jié)構(gòu)1相差更大，即結(jié)構(gòu)1的承載能力比結(jié)構(gòu)2的要大，該情況與實(shí)際不符。相比之下，結(jié)構(gòu)1的半剛性結(jié)構(gòu)層較小，而其彎沉值卻較大，對(duì)其原因進(jìn)行分析可知，主要在于不合理的模量指標(biāo)的選擇。半剛性材料在較高的面層模量下，對(duì)承載力的貢獻(xiàn)較小。

表1 路面結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算參數(shù)

表2 理論彎沉以及拉應(yīng)力和拉應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算結(jié)果

瀝青面層底部的層間狀態(tài)從連續(xù)變化轉(zhuǎn)變?yōu)榘脒B續(xù)時(shí)，有約為0.27MPa的拉應(yīng)力出現(xiàn)，并且有較為顯著的拉應(yīng)變?cè)黾恿?。從?yīng)變角度看，雖其值較小，但其應(yīng)力則不可忽略，即在應(yīng)力控制模式下，瀝青面層極有可能產(chǎn)生疲勞損傷。因此可以推斷，相較于半剛性層，瀝青面層可能會(huì)優(yōu)先出現(xiàn)疲勞損傷。

對(duì)比底基層和半剛性基層的指標(biāo)，基層拉應(yīng)力和拉應(yīng)變比底基層要小，符合一般規(guī)律，其原因在于兩者之間具有較大的模量差。此外，在半滑動(dòng)狀態(tài)下，底基層和半剛性基層有幅度不同的拉應(yīng)變和拉應(yīng)力增加值，但相比于面層而言，其增加幅度較小。其原因在于作為主要的承重層，在大幅度的提升其模量后，瀝青面層承擔(dān)起了層間滑動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。綜上分析，對(duì)于瀝青混合料而言，存在問(wèn)題的還包括有混合料的模量取值。

以靜態(tài)模量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的彎沉以及應(yīng)力因降低了的模量，而在數(shù)值上出現(xiàn)大幅度的變化，使其有較大的彎沉增加。相比于動(dòng)態(tài)模量的計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)1除了彎沉值有顯著增加之外，其半剛性基層以及面層的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變均有較大的改變，反而得到了改善。

在連續(xù)狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)2的靜態(tài)模量計(jì)算結(jié)果與動(dòng)態(tài)模量計(jì)算結(jié)果變化較小，雖其基層和底基層有大幅度增加的應(yīng)變，但均處于容許范圍之內(nèi)。面層底部拉應(yīng)力在半滑動(dòng)狀態(tài)下有所減小，而其拉應(yīng)變則有較大幅度的上升，表面相比于半剛性基層，瀝青面層更容易出現(xiàn)疲勞問(wèn)題。

基于上述分析可知，從結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)本構(gòu)參數(shù)和層間狀態(tài)對(duì)其影響較大，在模量參數(shù)變化時(shí)，結(jié)構(gòu)彎沉和應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)的變化不同，致使設(shè)計(jì)結(jié)論不同，因此可以引出以這樣的材料模量形式和層間狀態(tài)表征路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的問(wèn)題，但對(duì)于該方面問(wèn)題而言，由于當(dāng)前并無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，還有待深究，但由此所帶來(lái)的合理性選取彎沉值和應(yīng)力應(yīng)變值則是具有一定的共性特征。

彎沉與路面病害的關(guān)系

路面在實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)不僅有著較為多樣的性能要求，而且隱藏有較為復(fù)雜的病害成因。對(duì)于某些公路，基層結(jié)構(gòu)承載能力的降低并不是導(dǎo)致其彎沉增加的問(wèn)題所在，如彎沉值的增加可能是由瀝青面層內(nèi)部的水損壞所致。也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)層的承載性能雖然可以通過(guò)彎沉值進(jìn)行反映，但無(wú)法對(duì)某個(gè)結(jié)構(gòu)層的承載性能進(jìn)行表征，因此還需用其他輔助措施。當(dāng)前除了鉆芯取樣的方法外，還可采用彎沉盆曲線進(jìn)行分析。

路面材料性能因彎沉和病害的不統(tǒng)一，而變得較為復(fù)雜，尤其是對(duì)于粘彈特性較強(qiáng)的瀝青混合料而言，在評(píng)價(jià)路面的彈性承載特征時(shí)若以回彈彎沉值為指標(biāo)，則會(huì)顯示出其局限性，越厚的瀝青面層其局限性越顯著。反之，在較薄的半剛性基礎(chǔ)瀝青面層下，其局限性則有較顯著的減小。因此，在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，若其主要為半剛性基層，則以彎沉指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)則較為合理。此外，半剛性基層結(jié)構(gòu)與瀝青面層較厚的結(jié)構(gòu)和柔性基層結(jié)構(gòu)的彎沉指標(biāo)評(píng)價(jià)有所不用，對(duì)于后兩種結(jié)構(gòu)而言，需采用1.6或1.2的調(diào)整系數(shù)。

結(jié)語(yǔ)

由于路面材料有著不確定的層間結(jié)合狀態(tài)以及非線性，使得路面結(jié)構(gòu)所處的實(shí)際狀態(tài)與計(jì)算模型有所差異，因此需對(duì)理論計(jì)算得到的彎沉值和應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)加以修正。實(shí)踐表明，以檢測(cè)手段所獲取的彎沉指標(biāo)較為可靠，修正彎沉指標(biāo)也較為簡(jiǎn)單，除了材料模量對(duì)彎沉指標(biāo)的修正有關(guān)之外，路面的結(jié)構(gòu)形式也與其有著一定關(guān)聯(lián)。作為表征路面結(jié)構(gòu)存在性能的指標(biāo)之一，彎沉值與路面病害和性能有一定的關(guān)聯(lián)，但無(wú)必然聯(lián)系，因此，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，單純以彎沉指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)并不可取，僅追求彎沉指標(biāo)并不完善，對(duì)于路面結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)而言，還需結(jié)合材料組成及結(jié)構(gòu)或應(yīng)力應(yīng)變控制指標(biāo)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。