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摘要：通过湖北主要干线公路沥青路面设计参数的敏感性分析，寻求较敏感的参数和层位，为土基强度等级划分及结构优化设计提供依据。
关键词：弯沉 沥青路面 敏感性分析 结构参数
随着我国公路的迅速发展，沥青路面结构已经成为干线公路的主要结构类型。为保证各设计参数在最不利组合时路面使用的安全性，下面就湖北主要干线公路典型路面结构进行设计参数敏感性分析，以便路面结构更合理。
1 路面结构分析方法
计算采用shell法的BISAR3.0软件，典型结构及其材料设计参数如表1。
2 路面结构层厚度和模量对弯沉的影响
2.1 路面结构层厚度对弯沉的影响
2.1.1 上面层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变上面层厚度（2、4、6、8、10cm），计算上面层厚度对弯沉影响，随着上面层厚度的增大，路表弯沉、基层表面弯沉和路基表面弯沉均近线性减小。当上面层厚度从2cm增加至10cm时，路表弯沉从47.54（0.01mm）下降至43.14（0.01mm），减小8.41%；基层表面弯沉从45.87（0.01mm）减小至40.32（0.01mm），减小12.10%，路基表面弯沉从40.81（0.01mm）减小至36.30（0.01mm），减小11.05%。因此，在同样的上面层厚度增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大。
2.1.2 下面层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变下面层厚度（3、5、7、9、11ccm），当下面层厚度从3cm增加至11cm时，路表弯沉从47.17（0.01mm）下降至43.57（0.01mm），减小7.63%；基层表面弯沉从45.65（0.01mm）减小至40.55（0.01mm），减小11.17%；路基表面弯沉从40.60（0.01mm）减小至36.52（0.01mm），减小10.04%。由此，在同样的下面层厚度增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大，和上面层厚度变化时的结果相同。
因此，增大沥青层厚度对控制基层顶面变形有较大的作用，能够增强基层在荷载作用下的抗变形能力。对同一类型基层和底基层，增大沥青层厚度将有效提高结构层扩散荷载的能力。
2.1.3 基层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变基层厚度（15、20、25、30、35cm），当基层厚度从15cm增加至35cm时，路表弯沉从49.11（0.01mm）下降至38.30（0.01mm），减小10.81%；基层表面弯沉从47.04（0.01mm）减小至36.06（0.01mm），减小23.34%；路基表面弯沉从42.29（0.01mm）减小至31.55（0.01mm），减小25.40%。由此，在同样的基层厚度增幅时，路基表面弯沉减小幅度较大，即沥青基层厚度越大，土基顶面变形越小。
2.1.4 底基层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变底基层厚度（30、35、40、45、50cm），当底基层厚度从30cm增加至50cm时，路表弯沉从48.33（0.01mm）下降至39.83（0.01mm），减小17.59%；基层表面弯沉从47.25（0.01mm）减小至37.64（0.01mm），减小20.34%；路基表面弯沉从41.88（0.01mm）减小至32.32（0.01mm），减小22.83%。由此，在同样的底基层厚度增幅时，路基表面弯沉减小幅度较大，这点和基层厚度变化时的结果一样。
由以上各层厚度变化对三弯沉的影响中可以看出，当面层厚度（上面层或下面层）变化时，基层表面弯沉的变化更为敏感，变化幅度在12%左右；而在基层和底基层厚度变化时，路基表面弯沉的变化更为敏感，变化幅度在23%左右，变化幅度较大。
2.2 路面结构层模量对弯沉的影响
为分析路面结构层模量对路表弯沉、基层表面弯沉和路基表面弯沉的影响，下面分别计算上面层、下面层、基层和底基层厚度在一定范围内变化，并进行计算。
2.2.1 上面层模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变上面层模量（800、1000、1200、1400、1600MPa），计算上面层模量对三弯沉的影响，随着上面层模量的增大，路表弯沉、基层表面弯沉和路基表面弯沉近线性减小。当上面层模量从800MPa增加至1600MPa时，路表弯沉从47.18（0.01mm）减小至44.76（0.01mm），减小5.13%；基层表面弯沉从44.49（0.01mm）减小至42.91（0.01mm），减小3.55%，路基表面弯沉从（0.01mm）39.76减小至38.34（0.01mm），减小3.57%。因此，在同样的上面层模量增幅时，路表弯沉减小幅度较大。
由此可见，沥青层模量增加，使得路面结构的抗变形能力得到了加强，但同时也使路面更容易发生疲劳开裂。也就是说，沥青层模量越小对沥青层疲劳寿命的增加越有利，但沥青层模量越小则路面的整体承载性能越低，容易出现车辙。因此，要确定沥青层模量必须综合考虑各种因素，按照使得车辙或疲劳性能方面最优进行确定。
2.2.2 下面层模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变下面层模量（600、800、1000、1200、1400MPa），当下面层模量从800MPa增加至1600MPa时，路表弯沉从47.38（0.01mm）减小至44.45（0.01mm），减小6.18%；基层表面弯沉从44.33（0.01mm）减小至42.84（0.01mm），减小3.36%，路基表面弯沉从（0.01mm）39.62减小至38.25（0.01mm），减小3.46%。因此，在同样的下面层模量增幅时，路表弯沉弯沉减小幅度较大，这点与上面层模量增大时的变化规律相同。 2.2.3 基层模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变基层模量（1000、1200、1400、1600、1800MPa），当基层模量从1000MPa增加至1800MPa时，路表弯沉从47.74（0.01mm）减小至44.98（0.01mm），减小5.78%；基层表面弯沉从45.65（0.01mm）减小至42.84（0.01mm），减小6.16%；路基表面弯沉从（0.01mm）39.99减小至38.56（0.01
mm），减小3.58%。因此，在同样的基层模量增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大，这点与基层厚度增大时弯沉的变化规律相同。
2.2.4 底基层模量对三弯沉的影响
沥青路面底基层（包括垫层）的主要功能是承受由沥青层传来的车辆荷载的垂直力，然后将其扩散到下面的土基中去。同时底基层也可以增加路面结构的整体强度和承载能力，并增加沥青层的抗疲劳性能，防止或减轻裂缝的出现和疲劳扩展。并且，底基层还可以缓解土基不均匀冻胀或不均匀体积变形对沥青层的不利影响。
保持其他参数不变，仅改变底基层模量（400、600、800、1000、1200MPa），当底基层模量从400MPa增加至1200MPa时，路表弯沉从50.64（0.01mm）减小至41.70（0.01mm），减小17.65%；基层表面弯沉从48.62（0.01mm）减小至39.49（0.01mm），减小18.78%；路基表面弯沉从42.53（0.01mm）减小至35.83（0.01mm），减小15.75%。因此，在同样的底基层模量增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大，这点与基层模量增大时弯沉的变化规律相同。
2.2.5 土基模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变土基模量（30、40、50、60、70MPa），当土基模量从30MPa增加至70MPa时，路表弯沉从54.43（0.01mm）减小至33.25（0.01mm），减小38.91%；基层表面弯沉从52.17（0.01mm）减小至31.07（0.01mm），减小38.53%；路基表面弯沉从47.53（0.01mm）减小至26.41（0.01mm），减小44.44%。因此，在同样的土基模量增幅时，三弯沉的变化幅度均较大，其中路基顶面弯沉减小幅度最大。土基模量是影响路表弯沉的重要因素。
结果表明，无论是结构层厚度还是模量，路表弯沉、基层顶面弯沉和路基顶面弯沉均随各结构层厚度和模量的增加逐渐减小，只是幅度不同。厚度对减小弯沉的影响比模量更为明显。
3 路面结构层设计参数敏感性分析
3.1 考核指标的计算
采用Bisar程序计算路表弯沉及基层层底拉应力，计算采用的参数见表2。
3.2 计算结果正交分析
将计算结果按照正交分析的直观分析法进行直观分析，以比较各影响因素对考核指标的影响大小。
通过极差计算（见表2），因素A的极差为22.22，因素B的极差为16.18，因素C的极差为20.26，因素D的极差为9.48，因素E的极差为19.88，因素F的极差为20.72，因素G的极差为80.52。因此可以看出，影响弯沉的7个计算参数中，参数敏感性由大到小依次为：土基模量>面层厚度>底基层模量>基层厚度>底基层厚度>面层模量>基层模量。
4 结语
弯沉是表征路面总体刚度的指标。在荷载相同时，土基支承相同的条件下，弯沉越小表明总体刚度越大，而我国沥青路面设计方法较长时间都是以路表弯沉为设计控制指标。对于路表弯沉而言，土基模量的影响最为显著。另外可以看出，对于沥青路面的设计指标，尤其是路表弯沉，在合理范围内，面层厚度及模量、基层厚度及模量、底基层厚度及模量、土基模量越大，则路表弯沉越小。
参考文献：
[1]公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）.人民交通出版社 2006.
[2]姚祖康.（公路设计手册）路面（第2版）[M].人民交通出版社.1999.
关键词：弯沉 沥青路面 敏感性分析 结构参数
随着我国公路的迅速发展，沥青路面结构已经成为干线公路的主要结构类型。为保证各设计参数在最不利组合时路面使用的安全性，下面就湖北主要干线公路典型路面结构进行设计参数敏感性分析，以便路面结构更合理。
1 路面结构分析方法
计算采用shell法的BISAR3.0软件，典型结构及其材料设计参数如表1。
2 路面结构层厚度和模量对弯沉的影响
2.1 路面结构层厚度对弯沉的影响
2.1.1 上面层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变上面层厚度（2、4、6、8、10cm），计算上面层厚度对弯沉影响，随着上面层厚度的增大，路表弯沉、基层表面弯沉和路基表面弯沉均近线性减小。当上面层厚度从2cm增加至10cm时，路表弯沉从47.54（0.01mm）下降至43.14（0.01mm），减小8.41%；基层表面弯沉从45.87（0.01mm）减小至40.32（0.01mm），减小12.10%，路基表面弯沉从40.81（0.01mm）减小至36.30（0.01mm），减小11.05%。因此，在同样的上面层厚度增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大。
2.1.2 下面层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变下面层厚度（3、5、7、9、11ccm），当下面层厚度从3cm增加至11cm时，路表弯沉从47.17（0.01mm）下降至43.57（0.01mm），减小7.63%；基层表面弯沉从45.65（0.01mm）减小至40.55（0.01mm），减小11.17%；路基表面弯沉从40.60（0.01mm）减小至36.52（0.01mm），减小10.04%。由此，在同样的下面层厚度增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大，和上面层厚度变化时的结果相同。
因此，增大沥青层厚度对控制基层顶面变形有较大的作用，能够增强基层在荷载作用下的抗变形能力。对同一类型基层和底基层，增大沥青层厚度将有效提高结构层扩散荷载的能力。
2.1.3 基层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变基层厚度（15、20、25、30、35cm），当基层厚度从15cm增加至35cm时，路表弯沉从49.11（0.01mm）下降至38.30（0.01mm），减小10.81%；基层表面弯沉从47.04（0.01mm）减小至36.06（0.01mm），减小23.34%；路基表面弯沉从42.29（0.01mm）减小至31.55（0.01mm），减小25.40%。由此，在同样的基层厚度增幅时，路基表面弯沉减小幅度较大，即沥青基层厚度越大，土基顶面变形越小。
2.1.4 底基层厚度对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变底基层厚度（30、35、40、45、50cm），当底基层厚度从30cm增加至50cm时，路表弯沉从48.33（0.01mm）下降至39.83（0.01mm），减小17.59%；基层表面弯沉从47.25（0.01mm）减小至37.64（0.01mm），减小20.34%；路基表面弯沉从41.88（0.01mm）减小至32.32（0.01mm），减小22.83%。由此，在同样的底基层厚度增幅时，路基表面弯沉减小幅度较大，这点和基层厚度变化时的结果一样。
由以上各层厚度变化对三弯沉的影响中可以看出，当面层厚度（上面层或下面层）变化时，基层表面弯沉的变化更为敏感，变化幅度在12%左右；而在基层和底基层厚度变化时，路基表面弯沉的变化更为敏感，变化幅度在23%左右，变化幅度较大。
2.2 路面结构层模量对弯沉的影响
为分析路面结构层模量对路表弯沉、基层表面弯沉和路基表面弯沉的影响，下面分别计算上面层、下面层、基层和底基层厚度在一定范围内变化，并进行计算。
2.2.1 上面层模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变上面层模量（800、1000、1200、1400、1600MPa），计算上面层模量对三弯沉的影响，随着上面层模量的增大，路表弯沉、基层表面弯沉和路基表面弯沉近线性减小。当上面层模量从800MPa增加至1600MPa时，路表弯沉从47.18（0.01mm）减小至44.76（0.01mm），减小5.13%；基层表面弯沉从44.49（0.01mm）减小至42.91（0.01mm），减小3.55%，路基表面弯沉从（0.01mm）39.76减小至38.34（0.01mm），减小3.57%。因此，在同样的上面层模量增幅时，路表弯沉减小幅度较大。
由此可见，沥青层模量增加，使得路面结构的抗变形能力得到了加强，但同时也使路面更容易发生疲劳开裂。也就是说，沥青层模量越小对沥青层疲劳寿命的增加越有利，但沥青层模量越小则路面的整体承载性能越低，容易出现车辙。因此，要确定沥青层模量必须综合考虑各种因素，按照使得车辙或疲劳性能方面最优进行确定。
2.2.2 下面层模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变下面层模量（600、800、1000、1200、1400MPa），当下面层模量从800MPa增加至1600MPa时，路表弯沉从47.38（0.01mm）减小至44.45（0.01mm），减小6.18%；基层表面弯沉从44.33（0.01mm）减小至42.84（0.01mm），减小3.36%，路基表面弯沉从（0.01mm）39.62减小至38.25（0.01mm），减小3.46%。因此，在同样的下面层模量增幅时，路表弯沉弯沉减小幅度较大，这点与上面层模量增大时的变化规律相同。 2.2.3 基层模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变基层模量（1000、1200、1400、1600、1800MPa），当基层模量从1000MPa增加至1800MPa时，路表弯沉从47.74（0.01mm）减小至44.98（0.01mm），减小5.78%；基层表面弯沉从45.65（0.01mm）减小至42.84（0.01mm），减小6.16%；路基表面弯沉从（0.01mm）39.99减小至38.56（0.01
mm），减小3.58%。因此，在同样的基层模量增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大，这点与基层厚度增大时弯沉的变化规律相同。
2.2.4 底基层模量对三弯沉的影响
沥青路面底基层（包括垫层）的主要功能是承受由沥青层传来的车辆荷载的垂直力，然后将其扩散到下面的土基中去。同时底基层也可以增加路面结构的整体强度和承载能力，并增加沥青层的抗疲劳性能，防止或减轻裂缝的出现和疲劳扩展。并且，底基层还可以缓解土基不均匀冻胀或不均匀体积变形对沥青层的不利影响。
保持其他参数不变，仅改变底基层模量（400、600、800、1000、1200MPa），当底基层模量从400MPa增加至1200MPa时，路表弯沉从50.64（0.01mm）减小至41.70（0.01mm），减小17.65%；基层表面弯沉从48.62（0.01mm）减小至39.49（0.01mm），减小18.78%；路基表面弯沉从42.53（0.01mm）减小至35.83（0.01mm），减小15.75%。因此，在同样的底基层模量增幅时，基层表面弯沉减小幅度较大，这点与基层模量增大时弯沉的变化规律相同。
2.2.5 土基模量对三弯沉的影响
保持其他参数不变，仅改变土基模量（30、40、50、60、70MPa），当土基模量从30MPa增加至70MPa时，路表弯沉从54.43（0.01mm）减小至33.25（0.01mm），减小38.91%；基层表面弯沉从52.17（0.01mm）减小至31.07（0.01mm），减小38.53%；路基表面弯沉从47.53（0.01mm）减小至26.41（0.01mm），减小44.44%。因此，在同样的土基模量增幅时，三弯沉的变化幅度均较大，其中路基顶面弯沉减小幅度最大。土基模量是影响路表弯沉的重要因素。
结果表明，无论是结构层厚度还是模量，路表弯沉、基层顶面弯沉和路基顶面弯沉均随各结构层厚度和模量的增加逐渐减小，只是幅度不同。厚度对减小弯沉的影响比模量更为明显。
3 路面结构层设计参数敏感性分析
3.1 考核指标的计算
采用Bisar程序计算路表弯沉及基层层底拉应力，计算采用的参数见表2。
3.2 计算结果正交分析
将计算结果按照正交分析的直观分析法进行直观分析，以比较各影响因素对考核指标的影响大小。
通过极差计算（见表2），因素A的极差为22.22，因素B的极差为16.18，因素C的极差为20.26，因素D的极差为9.48，因素E的极差为19.88，因素F的极差为20.72，因素G的极差为80.52。因此可以看出，影响弯沉的7个计算参数中，参数敏感性由大到小依次为：土基模量>面层厚度>底基层模量>基层厚度>底基层厚度>面层模量>基层模量。
4 结语
弯沉是表征路面总体刚度的指标。在荷载相同时，土基支承相同的条件下，弯沉越小表明总体刚度越大，而我国沥青路面设计方法较长时间都是以路表弯沉为设计控制指标。对于路表弯沉而言，土基模量的影响最为显著。另外可以看出，对于沥青路面的设计指标，尤其是路表弯沉，在合理范围内，面层厚度及模量、基层厚度及模量、底基层厚度及模量、土基模量越大，则路表弯沉越小。
参考文献：
[1]公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）.人民交通出版社 2006.
[2]姚祖康.（公路设计手册）路面（第2版）[M].人民交通出版社.1999.