沥青路面承载能力应力应变指标分析

沥青路面承载能力应力应变指标分析

摘要：笔者在路面结构力学基础上，研究了路面结构破坏的根本原因。分析结果表面：路面破坏在于过度的应力或应变，而不是挠度造成。有些路面损坏如推移、开裂与弯沉并无直接联系，而是与结构材料中的应力应变相联系。因此，理想的承载力评价应以应力、应变为基础。

关键词：应力应变挠度承载力评价

应力应变变化与“局部”破坏

路面结构内的应力应变状况是极为复杂的，它随着结构层次组合、结构层厚度、作用荷载类型及温度、湿度等因素变化。由于不直观、检测困难，目前在我国沥青路面设计规范中，只是将沥青及基层底部拉应力作为验算指标[1]。

FWD测试利用弯沉盆代替贝克曼梁的单点弯沉，使结构性能评价细化到路面各结构层。这样建立在弯沉盆特性基础上的路面结构反算方法，使以应变为基础的无破损评价得以实现[2]。本文的重点在于如何根据FWD测试数据获取结构层模量、应力应变及结构状态，而对对设计及评价指标不进行深入研究。

利用应变进行剩余寿命计算

⑴AI法计算剩余寿命

美国地沥青协会（AI）基本认定公路沥青路面破坏的两大准则是车辙和疲劳裂缝率。通过模量的反算，也可以采用美国地沥青协会退到的两个道路寿命评估模型来确定路面的使用寿命。这两个模型属于纯力学方法建立的路面剩余寿命评定模型，其特点是求出、，最重要的是首先确定路面的各层弹性模量。由力学法建立的模型有较成熟的理论基础，它是利用弹性理论模型或粘塑性模型通过结构分析得到路面在荷载作用下的应力应变[3~6]。

对于疲劳开裂，在沥青协会MS-1路面设计手册所用的传递函数为：

式中，为全路面20%~25%或轮迹带上45%裂缝率时的容许重复轮载作用次数（ESAL）；为沥青混凝土路面底部拉应变；为沥青混凝土面层模量。

对于永久变形（车辙），沥青协会给出的永久变形公式为：

式中，为车辙13时的容许重复轮载作用次数（ESAL）；为非胶结层顶面垂直压应变。

计算路面剩余寿命在用于路面补强设计中时，可取，若道路累计作用轴载次数为，则剩余寿命为：

若剩余寿命不能满足要求，则需改变设计，重新计算加铺后路面的原沥青层底部的应力、应变和剩余寿命，直到达到要求为止。

上述模型计算参数为各结构层的模量或应变，无需进行观测资料的积累，因此只要能得到各结构层的模量，就能十分方便的推知路面使用寿命。目前通过反算软件，例如ELMOD、MODULUS等就可以基本解决。

⑵AASHTO法计算剩余寿命

在AASHTO的设计方法中，最终服务能力指数是指需要大修、重新罩面和重建所允许的最低值。路面结构的损坏同行驶质量（服务能力）有一定的联系，但不确定。按路面反应来预估路面的使用寿命，可以通过以下的方法：

由FWD测得的弯沉数据，通过反算得出路面结构层的有效模量，在AASHTO设计规范中由NDT法可以计算出当前的结构数，其关系式为：

式中，为路面结构层总厚度；为路面结构层的有效模量，由弯沉数据反算得到。

路面结构数是与服务能力指数（）有密切关系的，通过确定最初的服务能力指数，可以确定相应的初始路面结构数的值，计算方法为：

式中，为路面结构数，是层厚、层位系数、排水系数的函数；、、为面层、基层和底基层的层位系数，是与回弹模量有关的系数；、、为面层、基层和底基层的厚度；、为基层和底基层的排水系数。

根据上式可以求得路况系数，再根据AASHTO所提供的图，可查得剩余寿命百分数，最后通过式求得路面的剩余寿命。

式中，为路面剩余寿命，%；为观测期等效荷载作用次数（）；为路面使用

期末荷载作用总次数，可用新建路面方程或诺谟图估算。

AASHTO设计方法中在判定路面的剩余寿命时，提出了路面服务能力的概念和指标, 主要受平整度的影响, 与结构性能的关系不大, 这与我国以弯沉为设计指标的传统方法有较大差异, 因此该方法在我国的使用还有待于进一步研究，本文亦不再赘述。

应力应变指标的再分析

⑴利用FWD间接获取应力应变

路面结构破坏的根本原因在于过度的应力或应变，而不是挠度造成。有些路面损坏如推移、开裂与弯沉并无直接联系，而是与结构材料中的应力应变相联系。因此，理想的承载力评价应以应力、应变为基础。

无论是通过弹性层状体系理论电算程序还是查询图表，都必须已知各层模量和厚度。其中厚度可以通过GPR检测获得，而模量必须通过一定的技术途径才能获得。在FWD应用前，由于模量很难获知，以应变为基础的无破损评价是无法实现的。FWD应用后，建立在弯沉盆特性基础上的路面结构反算方法，使以应变为基础的无破损评价得以实现，评价关键是确定路面结构各层的弹性模量。在模量确定后，就可以通过力学计算得到路面内部的应力应变。随着计算机技术的不断进步，国内外研究者已经建立了很多复杂的正算有限元模型，可精确计算路面内部任意位置的应力应变场。

⑵半刚性沥青路面的应力应变评价指标的探索

大量计算表明，对于半刚性基层（或贫混凝土基层）沥青路面，沥青层基本处于受压区，只有模量小于800Mpa的柔性基层且沥青层厚度小于时，沥青层底才会产生拉应力。另外，土基压应变基本控制不了路面结构的早期破坏，因而厚度设计还应考虑更复杂的应力应变状态。

目前国内学者针对半刚性沥青路面应力应变设计指标已经开展了大量的研究，但由于问题的复杂性，结果各不相同。沥青路面的“局部破坏”可能发生在由于过量剪切而破坏的面层，表现为车辙；可能发生在由于应力疲劳而破坏的基层，表现为基层开裂或松散；也有可能发生在由于压实度不够而破坏的土基，表现为沉陷。每种“局部破坏”都会严重影响路面的使用性能。因此利用应力应变进行半刚性沥青路面评价或设计，还需进一步研究各种破损模式以及它们与应力应变之间的关系。

小结

路表弯沉是路面结构层在标准轴载作用下产生的总位移，可以反映路面结构的整体刚度和强度。由于含义直观、检测方便，十几年来，我国沥青路面设计规范一直沿用弯沉作为设计指标。但是，从近年来我国沥青路面早期损坏现象可以