對(duì)我國(guó)瀝青路面現(xiàn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)的評(píng)述

1、對(duì)我國(guó)瀝青路面現(xiàn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)的評(píng)述姚祖康同濟(jì)大學(xué)上海市200092摘要：本文在回顧我國(guó)歷版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中設(shè)計(jì)指標(biāo)的演變后，分析了現(xiàn)行規(guī)范中路表彎沉和拉應(yīng)力設(shè)計(jì)指標(biāo)存在的問題。關(guān)鍵詞：路面；瀝青路面；設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)指標(biāo)1歷史回顧建國(guó)以來，交通部分別于1958、1966、1978、1986和1997年制定和發(fā)布了不同版本的公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)對(duì)這些設(shè)計(jì)規(guī)范中所采用的設(shè)計(jì)指標(biāo)作一簡(jiǎn)單的回顧。1.11958年版1958年版的公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范，基本上沿用了前蘇聯(lián)1954年柔性路面設(shè)計(jì)須知的設(shè)計(jì)方法，以極限相對(duì)彎沉(垂直位移)k(=lk/D)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。其中，D為荷載作用面積當(dāng)量圓的直徑，lk為路

2、面處于極限狀況時(shí)在荷載作用圓中心處的路表極限彎沉值。按伊萬諾夫等的論述，路面出現(xiàn)破壞的極限狀況在下列3種情況下發(fā)生1：(1)路面彎沉使其底面出現(xiàn)張拉斷裂(出現(xiàn)在路面厚度相對(duì)值h/D很小時(shí))；(2)路面在荷載作用下出現(xiàn)錐形貫穿(出現(xiàn)在h/D較大時(shí))；(3)路面表面出現(xiàn)行車所不允許的不平整度(出現(xiàn)在h/D很小時(shí))。依據(jù)試驗(yàn)路的荷載試驗(yàn)結(jié)果，伊萬諾夫等提出了確定極限相對(duì)彎沉的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其使用范圍為：路面形變模量與路基形變模量的比值E1/E0=315；h/D=0.52.0。同時(shí)，為高級(jí)、次高級(jí)、過渡式和改善土等4種路面規(guī)定了相應(yīng)的極限相對(duì)彎沉指標(biāo)值(適用于E1/E0=10，h/D=0.75)1。我國(guó)

3、1958年版規(guī)范基本上采用了這一指標(biāo)值。伊萬諾夫等認(rèn)為，不論是靜載一次作用，還是重復(fù)荷載多次作用，達(dá)到破壞狀況時(shí)的極限相對(duì)彎沉值是相同的。因而，可以按相對(duì)變形的累積規(guī)律，由極限相對(duì)彎沉值推算一次作用的容許相對(duì)彎沉值。前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法采用均質(zhì)體彈性理論，單圓荷載，近似彎沉計(jì)算公式，以包含塑性變形在內(nèi)的形變模量(采用承載板法測(cè)定)表征路基土和路面材料的力學(xué)性質(zhì)。1.21966年版1966年版的公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范主要修正了1958年版規(guī)范的彎沉計(jì)算公式，并提出了中國(guó)氣候分區(qū)及路基和路面材料計(jì)算參數(shù)值表，但對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)指標(biāo)值未做變動(dòng)，仍沿用1958年版規(guī)范的規(guī)定。1.31978年版由于貝克曼梁式

4、彎沉儀的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，1978年版規(guī)范改為以容許彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)2。容許彎沉是路面達(dá)到破壞狀況時(shí)雙輪輪隙中點(diǎn)的路表回彈彎沉值。20世紀(jì)70年代，在18個(gè)省市開展了大規(guī)模的瀝青路面調(diào)查和彎沉測(cè)定工作。調(diào)查測(cè)定時(shí)，按路表外觀特征將瀝青路面劃分為5個(gè)等級(jí)(劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1)，并把第四級(jí)視為路面已達(dá)到損壞狀況，以第四級(jí)路面的彎沉值的低限(第三級(jí)和第四級(jí)路面彎沉的交界面)作為路面處于破壞臨界狀態(tài)的劃界標(biāo)準(zhǔn)4，這時(shí)的彎沉值即為容許彎沉值。整理彎沉測(cè)定和軸載調(diào)查資料，得到了容許彎沉值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：式中：N?為路面達(dá)到破壞臨界狀態(tài)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)；A1為與路面類型有關(guān)的系數(shù)，見表2。彎沉調(diào)查和測(cè)定主要

5、在瀝青貫入、瀝青碎石和瀝青表面處治類路面上進(jìn)行。瀝青混凝土路面的調(diào)查測(cè)定數(shù)據(jù)不多，主要依據(jù)上海、哈爾濱和武漢的城市道路路面調(diào)查測(cè)定數(shù)據(jù)匯總得到。中級(jí)粒料路面沒有進(jìn)行調(diào)查測(cè)定，是依據(jù)前兩類面層的系數(shù)值推延得出的。1.41986年版1986年版的公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范增加了瀝青混凝土面層或整體性材料基層的彎拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)面層或基層底面的彎拉應(yīng)力不應(yīng)大于面層或基層材料的容許彎拉應(yīng)力(即重復(fù)荷載作用下的疲勞強(qiáng)度)。瀝青混凝土的抗彎拉強(qiáng)度采用15時(shí)的梁試件測(cè)定結(jié)果，初期強(qiáng)度低的半剛性材料的抗彎拉強(qiáng)度采用6個(gè)月齡期，其它半剛性材料采用3個(gè)月齡期的梁試件測(cè)定結(jié)果3。該規(guī)范仍以路表容許彎沉值作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，但

6、對(duì)容許彎沉公式中的系數(shù)作了修改，并增加了公路等級(jí)系數(shù)A2：規(guī)范認(rèn)為20世紀(jì)70年代的彎沉測(cè)定主要是在三級(jí)公路和少量城市道路路面上進(jìn)行，不適應(yīng)高等級(jí)公路和交通量增大的情況。規(guī)范參照了城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范中主干道瀝青混凝土路面的容許彎沉值(以北京市的彎沉調(diào)查測(cè)定數(shù)據(jù)為主)，以此作為一級(jí)公路瀝青混凝土路面的容許彎沉值，在此基礎(chǔ)上考慮到不同公路等級(jí)的使用要求差異，增加了公路等級(jí)系數(shù)A24，見表3。與1978年規(guī)范相比，各級(jí)公路路面的容許彎沉值均有所減?。焊咚俟窚p小32%，一級(jí)公路減小20%，二級(jí)公路減小12%，三、四級(jí)公路減小3%4%4。也即，各級(jí)公路路面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均不同程度地有所提高。1.51997年

7、版1997年版的公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范仍采用1986年版的瀝青混凝土面層或整體性材料基層的彎拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)，但將材料的抗彎拉強(qiáng)度改為劈裂強(qiáng)度。而路表彎沉仍是主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，但以設(shè)計(jì)彎沉替代容許彎沉，并對(duì)彎沉公式中的系數(shù)作了修改，增加了基層類型系數(shù)5。容許彎沉是路面處于臨界破壞狀態(tài)時(shí)的彎沉值，而設(shè)計(jì)彎沉則是該路面在使用初期時(shí)的彎沉值。依據(jù)使用期間彎沉值變化規(guī)律的觀測(cè)數(shù)據(jù)(觀測(cè)期最長(zhǎng)為8年)，規(guī)范采用竣工后第一年不利季節(jié)的彎沉值作為設(shè)計(jì)彎沉值，以開放交通46年的路面彎沉值作為容許彎沉值，兩者相比后近似地取設(shè)計(jì)彎沉值比容許彎沉值小20%5。規(guī)范整理了20世紀(jì)90年代在八省一市進(jìn)行的彎沉測(cè)定資料，得到了新

8、的彎沉公式，其中增加了基層類型系數(shù)，以考慮基層的差別5。式中：A3為基層類型系數(shù)，見表4與1986年版規(guī)范的路表彎沉指標(biāo)相比，除了設(shè)計(jì)彎沉值比容許彎沉值降低20%以外，1997年版規(guī)范的路表彎沉指標(biāo)值，對(duì)于半剛性基層瀝青路面而言還要降低34%，即設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更加提高了，而對(duì)于柔性基層瀝青路面來說則相差很小(提高了4.7%)。2路表彎沉指標(biāo)縱觀建國(guó)以來的各版設(shè)計(jì)規(guī)范，在設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)方面的思想是一脈相承的，都以路表彎沉作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。路表彎沉是路面整體結(jié)構(gòu)(包括路基)在荷載作用下的豎向位移量，它反映了路面整體結(jié)構(gòu)的抗變形能力，即路面整體結(jié)構(gòu)的總剛度。因而，它一方面是一項(xiàng)總體性的和綜合性的指標(biāo)，另一

9、方面是一項(xiàng)反映變形屬性的指標(biāo)。在荷載輕、交通量小，即路面等級(jí)低、結(jié)構(gòu)單一的情況下，采用路表彎沉作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指標(biāo)，不失為一種簡(jiǎn)便的對(duì)策，不會(huì)給設(shè)計(jì)帶來矛盾或不協(xié)調(diào)的結(jié)果。然而，對(duì)于承受重載的高等級(jí)路面來說，路面結(jié)構(gòu)層組合和材料類型都可選用不同的方案，呈現(xiàn)出多樣化。這時(shí)，再采用路表彎沉作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，便暴露出它的不足，并會(huì)得到矛盾或不協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)結(jié)果。下面，對(duì)此作一簡(jiǎn)單的分析。2.1彎沉指標(biāo)的非唯一性對(duì)于同一種路面結(jié)構(gòu)(相同的結(jié)構(gòu)層組合和材料類型)，路表彎沉值的大小可以反映出路面結(jié)構(gòu)的抗變形能力，路表彎沉值小的路面結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力和較長(zhǎng)的使用壽命。因而，可依據(jù)相同的破壞標(biāo)準(zhǔn)判斷其承載能

10、力(標(biāo)準(zhǔn)軸載重復(fù)作用次數(shù))。但對(duì)于不同種類的路面結(jié)構(gòu)(不同的結(jié)構(gòu)層組合和材料類型)，路表彎沉值大的路面結(jié)構(gòu)，其承載能力或使用壽命并不一定會(huì)比路表彎沉值小的路面結(jié)構(gòu)差；反之，亦然。因而，不能僅依據(jù)這一指標(biāo)值判斷出路面結(jié)構(gòu)的承載能力，或者比較出不同路面結(jié)構(gòu)的承載能力的高低。對(duì)于這一特性，規(guī)范的修訂者也意識(shí)到了，因此，才出現(xiàn)了各版規(guī)范中路表彎沉公式的不斷修正：一方面修正公式中的常數(shù)項(xiàng)，另一方面增加公式中的系數(shù)項(xiàng)。前者隨著軸載變重、路面等級(jí)提高和路面結(jié)構(gòu)變厚而不斷減小，即設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。后者則隨著路面結(jié)構(gòu)組合和材料類型的變化而通過增加系數(shù)項(xiàng)不斷進(jìn)行調(diào)整：由面層類型系數(shù)到公路等級(jí)系數(shù)再到基層類型系數(shù)，

11、試圖通過細(xì)化路面結(jié)構(gòu)和材料類型的辦法來克服彎沉指標(biāo)非唯一性的缺點(diǎn)。然而，新的路面結(jié)構(gòu)組合和材料類型總是會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷涌現(xiàn)，而設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂總是滯后于發(fā)展的，因此，規(guī)范須不斷地修正公式中的常數(shù)項(xiàng)甚至增加系數(shù)項(xiàng)，以適應(yīng)新的發(fā)展變化，有時(shí)會(huì)由于修正不及時(shí)而出現(xiàn)影響新結(jié)構(gòu)或新技術(shù)發(fā)展的情況。2.2路表彎沉與路面破壞類型采用路表彎沉值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的基本觀點(diǎn)認(rèn)為，路面破壞是由于變形所引起的路面結(jié)構(gòu)的總變形量達(dá)到一定程度后路面即出現(xiàn)破壞。然而，路面是一種多層結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)可具有不同的幾何和力學(xué)屬性。路面結(jié)構(gòu)的損壞，既可能是由于某一組成結(jié)構(gòu)(如路基土、粒料層或?yàn)r青面層)或整個(gè)結(jié)構(gòu)的過量塑性變形，也可能

12、起因于結(jié)構(gòu)層內(nèi)某處的應(yīng)力或應(yīng)變量超出了該處材料的疲勞強(qiáng)度或疲勞應(yīng)變值。重復(fù)荷載和環(huán)境因素的繼續(xù)作用，使該破壞點(diǎn)不斷延伸、擴(kuò)展，路面結(jié)構(gòu)便隨之出現(xiàn)不同形態(tài)的破壞，反映到路表，表現(xiàn)出較大的變形。而路表彎沉值(總變形量)是路面結(jié)構(gòu)對(duì)作用荷載的一個(gè)綜合的或表觀的響應(yīng)量。由不同結(jié)構(gòu)層組合和材料類型組成的路面結(jié)構(gòu)，在荷載和環(huán)境因素的作用下，具有不同的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)。破壞點(diǎn)可能出現(xiàn)在不同的位置，其延伸和擴(kuò)展可能采用不同的方式，路面結(jié)構(gòu)的破壞可能表現(xiàn)出不同的形態(tài)，破壞時(shí)的路表彎沉可能具有不同的量值。例如半剛性基層上的瀝青路面：破壞點(diǎn)可能首先出現(xiàn)在基層底面(該處的彎拉應(yīng)力超過了材料的疲勞強(qiáng)度)，這時(shí)路表的變形量很

13、小；而后，裂縫一方面在基層內(nèi)部擴(kuò)展，另一方面向?yàn)r青面層擴(kuò)展；隨后，路表出現(xiàn)裂縫或網(wǎng)裂，變形量增大。我們可以定義基層底面出現(xiàn)裂縫時(shí)為路面結(jié)構(gòu)破壞的臨界狀態(tài)，也可以定義路表出現(xiàn)裂縫或網(wǎng)裂、變形較大時(shí)為路面結(jié)構(gòu)破壞的臨界狀態(tài)。采用兩種結(jié)構(gòu)破壞定義的路面，具有差別很大的路表彎沉值。又如柔性基層上的瀝青路面：破壞點(diǎn)可能出現(xiàn)在瀝青面層的底面(該處的彎拉應(yīng)變超出了材料的疲勞應(yīng)變)，而后，裂縫不斷擴(kuò)展并反映到路表；破壞點(diǎn)也可能出現(xiàn)在瀝青面層內(nèi)部，由于剪切變形的發(fā)展和積累，路表出現(xiàn)影響行車安全的車轍變形。這兩種不同的損壞形態(tài)，都可定義為路面結(jié)構(gòu)破壞的臨界狀態(tài)，但它們具有不同的路表彎沉量值。彎沉設(shè)計(jì)指標(biāo)的非唯一性

14、，實(shí)質(zhì)上源于不同結(jié)構(gòu)層組合和材料類型組成的路面結(jié)構(gòu)具有不同的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，相應(yīng)有不同的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)，可以采用不同的破壞標(biāo)準(zhǔn)。而路表彎沉是一項(xiàng)綜合性的、表觀性的指標(biāo)，無法與具有多種破壞類型和破壞標(biāo)準(zhǔn)的不同路面結(jié)構(gòu)建立起統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)的和穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)。2.3綜合指標(biāo)與單項(xiàng)指標(biāo)路面結(jié)構(gòu)是一種多層次的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以選用不同的結(jié)構(gòu)層組合和材料類型。路面結(jié)構(gòu)的性能不僅依賴于復(fù)合結(jié)構(gòu)整體所提供的性能，更取決于某一組成結(jié)構(gòu)層次的性能，特別在各結(jié)構(gòu)層次的組合或材料性質(zhì)不協(xié)調(diào)時(shí)。路表彎沉反映了路面結(jié)構(gòu)整體的抗變形能力，它既不反映也不限定某結(jié)構(gòu)層次的抗變形能力。因而，具有相同路表彎沉值的兩個(gè)路面結(jié)構(gòu)，可能由于結(jié)構(gòu)層組合

15、或所選材料類型的不同而具有不同的承載能力或使用壽命，或者由于某個(gè)路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層組合或材料選擇不合理而過早地出現(xiàn)破壞。為了避免結(jié)構(gòu)層的不合理組合或材料的不合理選用，引起相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)處出現(xiàn)某種類型的破壞，規(guī)范針對(duì)特定的破壞類型設(shè)置了相應(yīng)的單項(xiàng)控制指標(biāo)。1986年版設(shè)計(jì)規(guī)范增加瀝青面層和半剛性基層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)就是出于這個(gè)考慮。這樣，就形成了綜合設(shè)計(jì)指標(biāo)和單項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)并存的局面。既有綜合指標(biāo)又有單項(xiàng)指標(biāo)，用以實(shí)施結(jié)構(gòu)層組合和材料選用的合理設(shè)計(jì)，兩者之間會(huì)出現(xiàn)能否兼容和怎么協(xié)調(diào)的問題。一方面，如果用不同的單項(xiàng)指標(biāo)來控制住相關(guān)結(jié)構(gòu)層次的特定損壞類型，那么綜合指標(biāo)用來控制路面整體結(jié)構(gòu)或者某結(jié)構(gòu)層次的

16、什么損壞呢?另一方面，綜合指標(biāo)與單項(xiàng)指標(biāo)的要求之間還存在著設(shè)計(jì)結(jié)果協(xié)調(diào)一致問題。這兩方面問題，是采用綜合指標(biāo)與單項(xiàng)指標(biāo)共存的設(shè)計(jì)指標(biāo)體系時(shí)必須作出回答的，然而設(shè)計(jì)規(guī)范似乎對(duì)此并未作出明確的或者明晰的分析和說明。3瀝青面層底面拉應(yīng)力指標(biāo)現(xiàn)行規(guī)范采用限制瀝青面層底面拉應(yīng)力作為驗(yàn)算指標(biāo)，以控制瀝青面層的疲勞開裂破壞。重復(fù)荷載作用下瀝青面層底面的拉應(yīng)力取決于瀝青面層的彎曲變形量，而后者則同面層與下臥層(基層)的剛度比以及層間的接觸條件(連續(xù)、滑動(dòng)或二者之間)有關(guān)。3.1半剛性基層(1)層間連續(xù)接觸?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)瀝青面層底面拉應(yīng)力的分析計(jì)算采用層間連續(xù)接觸條件。在連續(xù)接觸條件下，面層底面的應(yīng)力狀況隨基層的

17、模量值(剛度)而變。圖1繪示了層間連續(xù)接觸時(shí)在荷載作用下面層應(yīng)力隨深度的分布，反映了其變化規(guī)律6。圖中：瀝青面層的厚度分別為9cm和15cm，模量為1800MPa；基層的厚度為40cm，模量為35020000MPa；拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。從圖中可以看出，當(dāng)基層模量很大時(shí)(貧混凝土基層，模量20000MPa)，面層底面出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，并與頂面的壓應(yīng)力值相近；當(dāng)基層模量較小時(shí)(粒料基層，模量350MPa)，面層底面轉(zhuǎn)而出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。隨著基層模量由大變小，面層底面的應(yīng)力狀況也由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力：對(duì)于9cm厚的瀝青面層，壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在基層模量達(dá)1000MPa時(shí)；對(duì)于15cm厚的

18、面層，壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在基層模量達(dá)1300MPa時(shí)。隨著面層厚度的增加，壓、拉應(yīng)力轉(zhuǎn)折點(diǎn)的基層模量值略有提高(隨面層剛度的增加而提高)。目前我國(guó)大多選用水泥穩(wěn)定碎石或石灰-粉煤灰穩(wěn)定碎石做半剛性基層，這類半剛性基層的模量值，按規(guī)范所列參考數(shù)值為13001700MPa，而按室內(nèi)試驗(yàn)所得的數(shù)值大多在2000MPa以上。因此，采用半剛性基層時(shí)，面層底面極少出現(xiàn)拉應(yīng)力狀況，即瀝青面層幾乎完全處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)實(shí)際上在設(shè)計(jì)時(shí)不起什么作用。(2)層間滑動(dòng)接觸。瀝青面層和基層之間的接觸狀況，由于施工不當(dāng)或使用的原因，有可能出現(xiàn)不連續(xù)的狀況(實(shí)際情況往往介于連續(xù)和滑動(dòng)二者之間)。當(dāng)接觸條

19、件由連續(xù)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)時(shí)，半剛性基層上的瀝青面層底面便會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力或拉應(yīng)力增長(zhǎng)。對(duì)于瀝青面層，出現(xiàn)拉應(yīng)力或拉應(yīng)力增長(zhǎng)會(huì)對(duì)使用壽命產(chǎn)生不利影響，但路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命不單純?nèi)Q于瀝青面層的應(yīng)力大小，還取決于瀝青面層的疲勞特性和疲勞損耗率，以及半剛性基層的底面應(yīng)力大小、疲勞特性和疲勞損耗率。按規(guī)范所列的疲勞分析方法和強(qiáng)度參考值，瀝青面層的劈裂強(qiáng)度介于0.61.6MPa之間，水泥穩(wěn)定粒料的劈裂強(qiáng)度介于0.40.6MPa之間，石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料的劈裂強(qiáng)度介于0.50.8MPa之間5。瀝青面層的劈裂強(qiáng)度略大于半剛性基層材料，盡管底面出現(xiàn)了拉應(yīng)力，由于其應(yīng)力與強(qiáng)度比有可能低于半剛性基層，其疲勞壽命可能仍大于半剛性

20、基層，使半剛性基層早于瀝青面層先達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而出現(xiàn)疲勞開裂破壞。為了表述以上現(xiàn)象，選用下述計(jì)算參數(shù)：瀝青面層分別厚10、15、20cm，劈裂強(qiáng)度分別為0.75和0.5MPa，模量1500MPa；半剛性基層分別厚30和40cm，劈裂強(qiáng)度0.5MPa，模量3000MPa；路基模量分別為30、60和90MPa。以這些參數(shù)的不同組合，分別按規(guī)范中的瀝青面層和半剛性基層疲勞方程5，計(jì)算不同組合情況下面層和基層的疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果按不同的面層劈裂強(qiáng)度值分別繪于圖26，圖中橫坐標(biāo)表示不同的結(jié)構(gòu)組合情況(上下曲線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)代表一種結(jié)構(gòu)組合情況)。由圖2可以看出，面層疲勞壽命的曲線都位于基層疲勞壽命曲線的上方，即

21、基層的疲勞壽命都低于面層的疲勞壽命(在瀝青面層和半剛性基層材料的劈裂強(qiáng)度都為0.5MPa時(shí)，也是如此)。因此，即便在層間滑動(dòng)接觸、面層底面出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，基層在絕大多數(shù)情況下也早于瀝青面層發(fā)生疲勞開裂破壞。如果半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受控于半剛性基層的拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)(基層底面疲勞開裂破壞)，則瀝青面層底面的拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)就對(duì)結(jié)構(gòu)厚度不起控制作用。3.2柔性基層采用柔性基層時(shí)，瀝青面層的模量值一般都高于基層，因而，瀝青面層底面出現(xiàn)拉應(yīng)力，須進(jìn)行拉應(yīng)力指標(biāo)的驗(yàn)算，以控制面層的疲勞開裂破壞。瀝青混合料的疲勞壽命(重復(fù)作用拉應(yīng)力在材料疲勞破壞時(shí)的累計(jì)作用次數(shù))與很多因素有關(guān)，包括：混合料組成、孔隙率

22、、環(huán)境溫度、加荷速率和間隙時(shí)間、裂縫傳遞速率等。Pell所做的疲勞試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果的整理分析表明7，不同溫度和加荷速率條件下得到的試驗(yàn)結(jié)果，在重復(fù)作用的拉應(yīng)力除以混合料的勁度模量而變成拉應(yīng)變后，可以在拉應(yīng)變和疲勞壽命的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上回歸整理成一條直線，而溫度和加荷速率的影響可以反映在勁度模量?jī)?nèi)。為此，他認(rèn)為疲勞壽命主要受拉應(yīng)變大小的控制，而非拉應(yīng)力大小，瀝青混合料的疲勞方程可用下式表述：式中：a和b為同材料組成有關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)。這一形式的疲勞方程為歐洲國(guó)家所采納，而美國(guó)的疲勞試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果的整理分析認(rèn)為，疲勞壽命還與混合料的勁度模量有關(guān)(不同勁度模量的混合料有相應(yīng)的N?t疲勞曲線)，因而，美國(guó)所采

23、用的疲勞方程式為8：式中：S為混合料的勁度模量；c、d、e為試驗(yàn)參數(shù)。我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中采用式(4)形式的疲勞方程，但以拉應(yīng)力t替代拉應(yīng)變t：規(guī)范認(rèn)為N?=1時(shí)的拉應(yīng)力(一次荷載作用造成破壞的應(yīng)力)即為極限抗拉強(qiáng)度，將極限抗拉強(qiáng)度?t引入疲勞方程中，推演出反映混合料疲勞特性的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)ks公式：式中：?t為極限抗拉強(qiáng)度；r為容許拉應(yīng)力(即式(6)中的t)； ?為試驗(yàn)參數(shù)。規(guī)范的這個(gè)容許拉應(yīng)力計(jì)算公式的推演存在著下述問題。(1)疲勞方程是疲勞試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過回歸分析后得出的，它有一定的試驗(yàn)條件和適用范圍。例如，Pell指出他的雙對(duì)數(shù)直線關(guān)系式的適用范圍為N?=1041087。超出這一范圍，便不一定

24、存在此關(guān)系，而是否可以外延，需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通常，范圍外與范圍內(nèi)的關(guān)系曲線呈折線狀。規(guī)范將疲勞方程后延到N?=1，并認(rèn)為此時(shí)的拉應(yīng)力就是極限抗拉強(qiáng)度，缺乏足夠的論據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。按照規(guī)范所提出的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)ks公式，在N?<56682次時(shí)(高速公路、細(xì)或中粒式瀝青混凝土)，ks將出現(xiàn)小于1的情況，即容許拉應(yīng)力大于極限抗拉強(qiáng)度。這說明，即便按規(guī)范中的方法推演出的公式也存在著適用范圍的限定。(2)規(guī)范通過上述方法將極限抗拉強(qiáng)度引入疲勞方程，并維持后者的斜率不變(-0.22)。這表明，在疲勞試驗(yàn)過程中，混合料的極限抗拉強(qiáng)度是個(gè)常數(shù)，不隨環(huán)境溫度和加荷速率變化。然而，這種情況只有采用水硬

25、性結(jié)合料的混合料(水泥混凝土或水泥穩(wěn)定粒料等)被試驗(yàn)所證實(shí)，而瀝青混合料的極限抗拉強(qiáng)度會(huì)隨環(huán)境溫度和加荷速率發(fā)生顯著的變化。4半剛性基層底面拉應(yīng)力指標(biāo)如果半剛性基層的疲勞開裂破壞定義為基層出現(xiàn)初始裂縫時(shí)，由3.1分析表明，即便層間接觸狀況為滑動(dòng)時(shí)，半剛性基層也往往會(huì)早于瀝青面層先出現(xiàn)疲勞開裂。這時(shí)，基層裂縫尚未向上擴(kuò)展到瀝青面層，因而，路表很少出現(xiàn)裂縫，豎向位移變形量很小，路表彎沉值也不會(huì)有較大的增長(zhǎng)。因此，對(duì)于半剛性基層的瀝青路面，半剛性基層的疲勞開裂應(yīng)作為設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn)，由此確定路面結(jié)構(gòu)所需厚度，而瀝青面層的厚度決定于減緩反射裂縫的要求。如果破壞標(biāo)準(zhǔn)為允許基層發(fā)生的疲勞開裂擴(kuò)展到瀝青面層，

26、并以瀝青面層出現(xiàn)疲勞開裂破壞作為控制指標(biāo)，則路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為兩階段。第一階段用半剛性基層的拉應(yīng)力指標(biāo)估計(jì)其疲勞壽命，并估計(jì)瀝青面層相應(yīng)的疲勞損耗；第二階段按開裂后的半剛性基層模量值(相當(dāng)于粒料基層的模量值)，計(jì)算分析瀝青面層達(dá)到疲勞開裂破壞時(shí)還能承受的疲勞壽命(剩余壽命)9。這時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的總疲勞壽命為：式中：Nb1為按半剛性基層底面拉應(yīng)力計(jì)算得到的疲勞開裂時(shí)的壽命；Na1為按瀝青面層底面拉應(yīng)變計(jì)算得到的疲勞開裂時(shí)的壽命；Na2為按半剛性基層開裂后的模量計(jì)算瀝青面層底面的拉應(yīng)變，并進(jìn)而計(jì)算得到的瀝青面層在基層開裂后的疲勞壽命。5路基和粒料基層變形控制指標(biāo)2.2分析表明，路表彎沉指標(biāo)無法控制瀝

27、青面層底面或半剛性基層底面的疲勞開裂破壞。那么，用于控制路面變形量的路表彎沉指標(biāo)的主要目的，只剩下控制路基或路基和粒料層的變形量了。然而，由于路表彎沉量中包含了面層和基層的變形量，隨著結(jié)構(gòu)組合和材料類型的不同，路基或路基和粒料層的變形量在路表彎沉量中所占的比重有所不同，很難定出一個(gè)合適的路表彎沉指標(biāo)值來控制路基或路基和粒料層的變形量，表5舉例說明之6。表中：土基模量為30MPa，土基頂面壓應(yīng)變?yōu)?00×10-6。列舉的5種不同結(jié)構(gòu)組合，雖然土基條件和指標(biāo)相同，但每種結(jié)構(gòu)組合具有不同的路表彎沉值。如果此土基頂面壓應(yīng)變?yōu)槿菰S值，則很難選定合適的控制土基變形量的路表彎沉指標(biāo)值。反之，如果選

28、定了某個(gè)路表彎沉值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)值，則由于土基頂面壓應(yīng)變值的不同，某些路面結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)過量的路基變形。因此，與其采用路表彎沉來控制變形，不如直接采用單項(xiàng)指標(biāo)來控制路基或路基和粒料層的變形量。6結(jié)語(1)路面是多層次復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以有不同的結(jié)構(gòu)層組合，選擇不同類型的材料組成，具有不同的應(yīng)力和應(yīng)變狀況和相應(yīng)的損壞形態(tài)。因而，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用多個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)，分別針對(duì)和控制相應(yīng)的特定損壞類型。(2)路表彎沉是一項(xiàng)整體性、綜合性和表觀性的指標(biāo)。對(duì)于結(jié)構(gòu)層組合和材料類型多樣化的路面結(jié)構(gòu)，采用路表彎沉作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，無法反映和包容路面結(jié)構(gòu)的多樣性及各種損壞類型，也難以協(xié)調(diào)平衡各單項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。(3)瀝青面層底面或半剛性基層底面的應(yīng)力狀況和大小，主要隨上下層的剛度比和層間接觸條件而變，它們受路表彎沉大小的影響很小。因而，路表彎沉指標(biāo)無法控制面層底面或基層底面的應(yīng)力狀況和大小。路表彎沉指標(biāo)由于無法與路基或路基和粒料層的變形量相對(duì)應(yīng)，也并不能起到完全控制后者的作用。(4)半剛性基層上的瀝青路面，在層間接觸為連續(xù)的情況下，瀝青面層底面的應(yīng)力處于受壓狀態(tài)；在層間接觸為滑動(dòng)的情況下，瀝青面層底面的應(yīng)力雖有可能處于受拉狀態(tài)，但瀝青面層的疲勞