首先,路面结构承载能力的表征是路面设计中的一个重要指标,无论是经验法还是力学经验法。从历史上看,沥青路面力学经验法设计是从弯沉指标逐渐发展而来的。按照弹性层状体系理论,路表理论弯沉与结构层内部的应力、应变在概念上都是等效的,都是基于同一个力学模型、同一组计算参数得到的中国沥青网sinoasphalt.com。只是从不同角度反映了路面整体结构的力学响应状态。作为一个路面结构的设计指标各有千秋,即有其合理性,也各有其不足。
其次,由于路面材料自身的非线性和各向异性,以及层间结合状态的不确定性,理论力学模型与路面结构的实际状态存在一定的差异,理论计算得到的弯沉、应力或应变当作为设计指标时都应该进行必要的标定、修正。相比之下,通过现有的检测手段可以得到比较可靠的路面结构的实际弯沉,因此,弯沉指标的修正比较容易。实际工程表明,弯沉指标的修正不仅与路基强度(以模量表征),而且与路面结构形式有关。
再者,弯沉是反映路面结构在荷载作用下整体结构承载能力大小的指标,与路面结构的各种病害形式和使用功能评价,有一定的关系,但没有必然的联系。因此,单独一个弯沉指标并不能完全反映路面结构的使用状态,还需要通过材料组成设计、结构优化设计以及必要的应力或应变的控制指标等共同完善沥青路面结构和材料设计。一味地追求弯沉指标和忽视弯沉指标对于路面结构设计都是不完善的。
在我国,经过30多年实践工程经验的总结,对于薄面层半刚性基层沥青路面弯沉指标的服役规律有了比较全面的认识。当半刚性基层(含底基层)结构比较强时,整体路面结构的承载能力是稳定的———尽管沥青面层出现了不同程度的破损,包括此时半刚性基层或底基层将会出现一些裂缝,但是路面结构的整体承载能力并没有明显的衰减。换句话说,只要半刚性基层和底基层足够强大,路面结构在使用年限内是能够满足我国交通荷载对承载能力的需求的。
由此产生一个问题,就是半刚性基层沥青路面结构的疲劳模式问题或者耐久性问题———这种路面结构的整体承载能力的大小是否能够表征结构的整体疲劳寿命,结构的疲劳寿命与组成结构的各层材料的疲劳寿命的关系是什么———这涉及到路面结构设计的核心。
我国现行的设计方法中,建立了弯沉与累计标准轴载作用次数(即疲劳寿命)的关系模型,实质上是通过弯沉指标的大小表征路面承载能力的耐久性或疲劳寿命。对于这个问题,本文已有论述:从宏观角度看,路面结构整体承载能力的大小反映了结构安全寿命的大小,弯沉指标作为反映结构整体承载能力大小的主要指标,其衰减变化规律,反映了结构承载能力的衰减程度。
但是,弯沉指标大小并不能准确反映出各个结构层承载能力衰减的大小,对于半刚性基层结构也是如此,正如上文介绍的正定试验路观测结果。路面在运行几年后,出现了不少裂缝,导致弯沉数值增加,直接反映出结构整体承载能力的下降,直观感到作为路面主要承重层的半刚性基层结构产生严重损伤,但是,仅仅经过沥青面层的简单修补(并未维修半刚性基层),路面弯沉又明显减小,基本恢复到建成初期的水平,说明半刚性基层并没有产生严重的损伤,或者说半刚性基层尽管已产生一些裂缝,但仍具有较强的承载能力。
这也许就是为什么欧美国家的力学经验法设计中,尤为强调通过应力或应变指标构建各结构层材料疲劳方程的原因,如美国2002年版的MEPDG设计方法中分别建立了沥青面层和半刚性基层的疲劳方程,然而遗憾的是,美国同时指出半刚性基层疲劳方程尚未经过验证,不推荐使用。其实我国设计规范中也有半刚性材料的疲劳方程,由于相关的应力或应变指标验证困难(与美国类似),该方程在使用中也存在一些问题。由此也反映出:应力、应变指标在设计使用中的局限。
另外,近10多年来,我国受到南非沥青路面设计方法的影响,对半刚性基层沥青路面的损伤和设计理念有了新的看法。上世纪70年代,南非在世界上首次采用加速加载设备(HVS)进行了大规模的半刚性基层沥青路面的足尺试验研究,取得了一些重要结论,并逐渐被世界所认可。提出了所谓半刚性基层沥青路面三阶段损伤,在设计中采用两阶段模量的概念,强调对于半刚性基层沥青路面,其使用寿命是半刚性基层与沥青面层疲劳寿命的叠加,即半刚性基层首先产生疲劳损伤,然后沥青面层再产生疲劳破坏。然而,从我国实际工程情况看,这个模型未必合理。
从本文介绍的3条试验路弯沉指标的变化情况看,半刚性基层整体承载能力并没有明显的衰减,但是沥青面层已出现了不同程度的疲劳损伤(多种形式的裂缝,不仅仅是反射裂缝),由此说明:第一,尽管半刚性基层结构产生一些裂缝(如干缩裂缝、温度收缩裂缝甚至疲劳断裂),但对路面结构整体承载能力没有显著影响,半刚性材料二阶段模量衰减近50%的论点无从谈起;第二,沥青面层有可能先于半刚性基层产生疲劳破坏,或者两者同时。对于这种疲劳损伤,通过一般的连续的弹性层状体系理论是无法分析的。这就是理论与实际的差异,其关键在于沥青面层与半刚性基层之间是不可能形成完全连续状态的,特别是对于薄沥青面层,这种不连续状态对于沥青面层的力学损伤更为严重。关于这些问题还值得进一步的研究分析,以期更全面地揭示半刚性基层沥青路面的疲劳损伤和承载能力衰减的问题。
总之,关于沥青路面弯沉指标及其在使用过程中的衰变规律问题,还需要不断地深入研究。坚持以沥青路面弯沉为设计指标的核心,是完善沥青路面力学经验法设计的有效途径。