我国沥青路面设计弯沉指标研究

摘要：介绍了我国沥青路面设计指标中设计弯沉产生的历史背景及其应用，指出我国弯沉值在沥青路面设计与施工中存在的问题，从而建议在路面设计中引入新的设计控制指标，对于提高沥青路面结构设计的合理性具有重要意义。

关键词：道路工程；沥青路面；设计指标；弯沉

1 设计弯沉的应用浅析

路面设计中的强度指标是回弹模量，而施工检验指标为压实度和固体体积率，后来一些施工部门在高等级公路的半刚性基层上相继采用了弯沉来检验竣工后路面结构层强度。但允许弯沉是使用年限末期的，就是说允许弯沉只能凭计算控制而不能用此作实用上的控制。这就使得允许弯沉成为名符其实的“理论数字”。如果把它用作竣工验收指标将会偏低，易出现早期破坏。但允许弯沉与竣工后弯沉间理应有一种关系，如能找到这种关系，则可用它作竣工控制，这便是设计弯沉值提出的原由之一。

我国现行路面厚度指标的设计弯沉公式为：

式中：Ab为基层类型系数，半刚性基层取1，柔性基层取1.6；As为面层类型系数，当时测定的面层为沥青混凝土，取为1，热拌和冷拌沥青碎石、沥青表面处治、冷拌沥青碎石、沥青贯入式(含上拌下贯式)取1.1；Ac为公路等级系数级，三、四级公路取1.2。

关于设计弯沉值的概念和计算，在《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-97)和《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)及其说明中均有详细的介绍，在此不再详述。应指出的是，计算累计设计当量轴次时，所采用的轴次换算公式是直接用轴重换算。不仅是弯沉计算，弯拉设计等也应进行轴次换算，只不过是公式不同而已。

2 弯沉指标应用存在的问题

2.1 弯沉指标的非唯一性

对于结构层组合和材料类型相同一种路面结构，路表弯沉值的大小可以反映出路面结构的抗变形能力，即路表弯沉值小的路面结构具有较大的承载能力和较长的使用寿命。但对于不同种类的路面结构，路表弯沉的大小就不存在可比性即路表弯沉值大的路面结构其承载能力或使用寿命不一定会比路表弯沉值小的路面结构差。因而不能仅依据弯沉指标值来判断出路面结构的承载能力，或者比较出不同路面结构的承载能力的高低。

因此，规范须不断地修正公式中的常数项甚至增加系数项，以适应新的发展变化，有时会由于修正不及时而出现影响新结构或新技术发展的情况。

2.2 路表弯沉指标与路面破坏类型不一致

路面结构的损坏，可能是由于某一组成结构或整个结构的过量塑性变形，也可能起因于结构层内某处的应力或应变量超出了该处材料的疲劳强度或疲劳应变值。重复荷载和环境因素的继续作用，使塑性变形不断积累，或者使破坏点不断延伸、扩展，路面结构便随之出现了不同形态的破坏，继而反映到路表，表现出较大的变形。而路表弯沉值(总变形量)仅是路面结构对作用荷载的一个综合的或表观的响应量。对于沥青路面，破坏点可能出现在沥青面层的底面(由于该处的弯拉应变超出了材料的疲劳应变)，而后裂缝不断扩展并反映到路表；破坏点也可能出现在沥青面层内部，由于剪切变形的发展和积累，路表出现影响行车安全的车辙变形。这两种不同损坏形态，都可以定义为路面结构破坏的临界状态，但它们具有不同的路表弯沉量。由此可以看出，路表弯沉值与路面的损坏状态并无很好的对应关系。在旧路调查中更是经常发现弯沉与损坏程度不对应，好的路段可能弯沉大，而已经损坏的路段弯沉倒可能小。

2.3 弯沉指标误导路面材料的设计和施工质量检验

路面结构设计往往以容许弯沉值作为最主要的指标，甚至是唯一的指标，使基层强度越来越强，从而造成对基层材料设计的误导。弯沉大小与路面使用情况之间没有必然的联系，一些破坏的路面原来弯沉并不大，本来似乎不应该破坏，但一旦破坏以后，水渗入基层、路基，弯沉又会变得很大。实际上除了少数基层施工不好(基层施工不好，破坏是必然的)的情况外，弯沉值都非常小，开挖发生破坏的路面可见基层往往是完好的。这都是过分追求小弯沉指标导致的结果， 造成基层材料的巨大浪费，且路面仍然破坏。同样，对于施工质量检验也是如此。对于半刚性基层沥青路面，弯沉指标使基层强度越来越高，但并没有充分发挥它的优势，造成材料的浪费；对于柔性基层路面，用我国的弯沉指标检验基本上不可能满足要求，除非加大路面厚度，但是厚度增加的并非一点点，因此我国道路界也不能接受。从而，弯沉成了我国发展柔性路面不可逾越的鸿沟，使得其他类型的路面结构很难登上我国路面的历史舞台。

2.4 从设计角度计算施工检验弯沉不可靠

以确定筑路材料回弹模量的大小为例，对于设计而言，取小一些计算出的路面结构偏厚、偏安全，这是合理的。但较小的回弹模量计算出的弯沉值偏大，若以此弯沉作为施工检验控制指标则人为降低了路基和路面的强度指标，与真实的情况不符，但如果适当加大路基和路面的回弹模量值再重新计算弯沉，则显然与原设计容许弯沉值不符，与设计产生矛盾。

2.5 路表容许弯沉计算公式的不安全性

我国1978年版规范开始以容许弯沉作为设计指标。20世纪70年代，在18个省市开展了大规模的沥青路面调查和弯沉测定工作。调查测定时，按路表外观特征将沥青路面划分为5个等级，并将第四级――有明显变形和较多纵横向裂纹或局部网裂视为路面损坏状态，并以它的弯沉值的低限作为路面处于破坏临界状态的划界标准。虽然之后对弯沉公式也进行了修正，但仍与实际状态有较大出入。况且这些数据来源于以前等级较低的公路，故能否适用于现在的高等级公路还是个疑问，也即路表容许弯沉计算公式存在隐患。

2.6 弯沉值的测量受外界条件影响大

外界环境如气温、路基湿度等的变化， 会对路面基层和面层弯沉的测量带来很大的影响。如实际测试中经常出现这样的情况， 白天回弹弯沉值测定结果合格或测点合格率较高， 当天晚上小雨过后第二天继续测定就不合格或测点合格率下降。所以不同天气弯沉的测定结果偏差较大， 显然用于控制沥青路面的施工质量存在很大的不合理性。

3 沥青路面设计控制指标的进一步发展

通过上面的分析并结合国外有关研究及设计方法，应该在弯沉指标的基础上，增加疲劳开裂和车辙作为路面长期性能的研究指标，并结合中国半刚性基层沥青路面的实际使用情况，建立相应的路面疲劳开裂和车辙的设计指标。AASHTO路面设计方法是基于性能设计的典范。该方法的设计方程综合考虑了交通荷载、环境影响因素、材料特性以及与路面使用性能密切相关的车辙深度、裂缝和不平整度，使设计出来的路面结构可以预测路面使用性能的变化。

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