（道路与铁道工程专业论文）沥青路面表面裂缝形成机理的研究.pdf

沥青路面表面裂缝形成机理的研究 摘要 近年来越来越多的研究表明许多与荷载有关的裂缝发生在路面的表面且向下扩展贯穿沥青混凝 土面层。即通常所认为的t o p d o w nc r a c k i n g ，简称t d c ，主要表现为轮迹带边缘的纵向裂缝。目前 已成为沥青路面破坏的主要形式之一。尽管有些表面裂缝初期对路面结构的承载能力没有影响，但 他们对磨耗层的耐久性和功能寿命有强烈的影响而且导致水和其他外来杂物渗入到路面结构中，且 在车载和环境的影响下会增加裂缝尖端的应力集中。使裂缝以加速的速率扩展穿透a c 面层。而采 用传统的方法不能解释路面的这种损坏，传统的荷载是均匀分布的垂直表面荷载，在一定的轮胎压 力下施加在一个点位，而忽略了轮胎的类型和车轮的摆动带来的影响。勾了探讨沥青表面实际的受 荷情况及进一步寻求表面裂缝的形成机理，本文选用非均布车轮荷载模型建立了半刚性路面结构的 三维有限元模型，采用大型有限元软件a b a q u s 进行了数值分析。 本文首先考虑了轮胎花纹的特性，引入了非均布荷载作用图式，借助有限元软件分析了沥青路 面面层厚度、各结构层模量变化以及超载对路面结构受力的影响。考虑了不同的裂缝深度、裂缝位 置和荷载位置在结构内的响应，分析了荷载型裂缝产生的机理。 接着本文引入了移动载荷的作用，采用三维动态有限元方法，通过时间和空间坐标来控制移动 加载，裂缝尖端使用奇异单元，通过位移法求得应力强度因子，对移动荷载作用下无裂缝路面结构 体及含裂缝路面结构的结构力学响应进行了分析。研究了移动荷载对路面裂缝的影响。 然后本文通过编制子程序建立了中原地区沥青路面日周期性变化的温度场，分别计算了周期性 变温温度场和非周期变温温度场下产生温度应力。分析了路面的温度场对结构层的影响以及温度裂 缝产生和扩展的原因。 最后把非均布车载和温度荷载耦合，计算最不利条件下无裂缝和有裂缝路面结构内的应力响应， 探求在综合作用下裂缝开展的原因和规律。并为今后进一步的预防和维护提出了相应的建议。 关键词：沥青路面；表面裂缝；荷载型裂缝；非荷载型裂缝；移动荷载：温度场 a b s t r a c t t h er e s e a r c h0 nm e c h a n i s mo fs u r f a c e c r a c k i n gi na s p h a i jp a v e m e n t a b s t r a c t m o r ea n dm o r er e s e a r c h e si n d i c a t em a n yl o a d - r e l a t e dc r a c k si n i t i a t ea tt h es u r f a c ea n d p r o p a g a t ed o w n w a r dt h r o u g ht h es u r f a c el a y e r , n a m e l yt h et o p d o w nc r a c k i n g ( t d c ) t d c o f t e no c c u r si nt h ee d g eo fw h e e lp a t h s o m es u r f a c e i n i t i a t e dc r a c k i n gh a v en oe f f e c ti nt h e c a p a b i l i t yo fp a v e m e n ts t r u c t u r ea tb e g i n ，b u th a v eg r e a te f f e c ti nt h ee n d u r a n c ea n dp a v e m e n t l i f e t h ep e n e t r a t i o no fw a t e ra n do t h e rf o r e i g nd e b r i si n t ot h i sc r a c kc a nf u r t h e ra c c e l e r a t et h e p r o p a g a t i o no ft h ec r a c kt h r o u g ht h es u r f a c el a y e r t h et r a d i t i o n a lm e t h o dc a n te x p l a i nt h e m e c h a n i s mo ft h i sc r a c k i n g b e c a u s et h et r a d i t i o n a ll o a di st h ev e r t i c a ls u r f a c el o a dw i t h a v e r a g et i r ep r e s s u r e ，a n dt h i sl o a d i n gi sa p p l i e da to n ep o s i t i o n n oe f f o r ti s m a d et o d i s t i n g u i s hb e t w e e nt i r e t y p e ，a n dt oc a p t u r et h ep o s s i b l ee f f e c t so fc h a n g i n gl o a dp o s i t i o n d u et ot h ew a n d e ri nw h e e lp a t h s s u r f a c e - i n i t i a t e dc r a c k i n gh a sa l r e a d yb e c o m et h eo n eo f p a v e m e n tm a i n f a i l u r et y p e s i no r d e rt od i s c u s st h em e c h a n i s mo ft d c ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e sa3 df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs e m i r i g i dp a v e m e n ts t r u c t u r ea n du s e st h el a r g e f i n i t ee l e m e n ta b a q u ss o f t w a r e f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i r ef l o w e r - p a t t e r na r ec o n s i d e r e da n dn o n - a v e r a g et i r e p r e s s u r ei sa d o p t e d t h ei n f l u e n c eo ns u r f a c el a y e rt h i c k n e s s ，m o d u l u sa n do v e r l o a da r e a n a l y z e db ya p p l y i n ga b a q u ss o f t w a r e ，a n dt h em e c h a n i s mo fl o a d i n gc r a c ki se x p l a i n e d b yc o n s i d e r i n gt h er e s p o n s eo fd i f f e r e n tc r a c k i n gd e p t h ，c r a c k i n gp o s i t i o n a n dl o a d i n g p o s i t i o n s e c o n d l y ，t h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ( s l f ) i sc a l c u l a t e db yd i s p l a c e m e n tm e t h o d ，t h e m o v i n gl o a di sa p p l i e do nc r a c kt i pw i t h i nt i m ea n ds p a c er e f e r e n c ef l a m eb yt h r e ed i m e n s i o n f i n i t es o f t w a r e t h em e c h a n i s mr e s p o n s eo nn o n - c r a c k i n ga n dc r a c k i n gp a v e m e n ti sa n a l y z e d ， a n dt h ec r a c k i n gi n f l u e n c eu n d e rm o v i n gl o a di sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h i r d l y ，t h ep a p e rs e t su pt h ea s p h a l tp a v e m e n td a i l yt e m p e r a t u r ef i e l do fc e n t r a lp l a i n a r e ab yc o m p i l i n gs u b r o u t i n ep r o g r a mt oc a l c u l a t et e m p e r a t u r es t r e s su n d e rp e r i o d i ca n d n o n p e r i o d i ct e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h em e c h a n i s m o ft e m p e r a t ec r a c k i n go r i g i n a la n dp r o p a g a t i o na r ea n a l y z e d l a s t l y ，t h es t r e s sr e s p o n s eo fc r a c k i n ga n dn o n c r a c k i n gp a v e m e n ti sc a l c u l a t e du n d e rt h e w o r s tc o n d i t i o nt of i n do u tt h er e a s o no fc r a c k i n gp r o p a g a t i o n ，a n dt h ef u r t h e rs u g g e s t i o n sa r e p r o v i d e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；t o p d o w nc r a c k i n g ；l o a d i n gc r a c k ；n o n l o a d i n gc r a c k ；m o v i n gl o a d ； t e m p e r a t u r ef i e l d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 乏应酶 e l 期：互够扣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 趁应鹋 导师签名： 第1 章概述 第1 章概述 1 1 沥青路面裂缝的研究意义 近年来，公路建设随着国家综合实力的提高和“十五”计划的实现而得到了空前的发展。据我 国( ( 2 0 0 7 年公路水路交通行业发展统计公报显利u ：截止到2 0 0 7 年底，全国公路总里程达到3 5 8 3 7 万公里，其中高速公路达到5 3 9 万公里。“十五”期间高速公路建设实现历史性突破。建成高速公 路2 4 7 万公里，是“七五”、“八五”和“九五”建成高速公路总和的1 5 倍。截止2 0 0 7 年底全国等 级公路里程2 5 3 5 4 万公里，占总里程的7 0 7 ，其中沥青混凝土路面4 0 1 6 万公里，由此可见沥青 路面是我国公路路面的主要形式之一。同时，在我国机场建设和城市道路建设中也广泛的采用沥青 路面。沥青路面因其有造价相对较低、行车舒适、修复方便，能够利用石化企业副产品等优点，业 已成为道路铺面的主要类型。因此，不断的提高沥青路面的设计，施工和维修管理水平并防止和控 制路面的早期破坏，对于我国公路交通基础设施的健康发展，创建节约型社会具有特别重要的意义。 高等级公路沥青路面的设计使用寿命为1 5 2 0 年，如果通车后3 5 年之内就发生严重病害和 较大面积损坏，则属于过早破坏或早期破坏。目前，沥青路面产生早期破坏的现象比较普遍，不少沥青 路面在使用不到一年的时间内就产生严重的早期破坏现象。沥青路面早期破坏的现象有泛油、雍包、 滑溜、波浪、裂缝、坑槽、局部沉陷、松散、车辙等。这些病害极具普遍性和严重性，为公路工程 质量通病1 2j i 川。每年国家为此花费了大量的人力物力财力，造成了巨大的经济损失。而产生这些个现 象的根本原因是在于裂缝的出现，裂缝本身对路面破坏并没有很大的影响，只会影响路面的美观和 行车的舒适性，但是如果不对裂缝进行有效的处置，雨雪水就会顺着裂缝下渗，经载重车辆车轮冲 击及动水压力的反复作用，路面基层呈饱水状态形成唧浆，使基层的强度及稳定性迅速下降，甚至 完全失去强度同时沥青路面中的沥青会与矿料剥离导致路面松散形成坑槽。因此积极开展路面力学 行为的研究，全面理解早期路面破损机理、优化路面设计、合理选择路面维修方式并有针对性的预 防和控制路面的早期破坏是关系到国家经济建设的一件大事。 路面产生早期破坏的主要原因归根结底有以下几个方面：第一是路面设计方面的原因。( 1 ) 对 远景交通最和交通组成的估计不足，设计控制指标偏低；( 2 ) 受原材料取样及试验方法的限制，结构 层强度参数不准确：( 3 ) 结构层组合设计时，对排水防渗考虑不足，以致过早出现水损坏；( 4 ) 基层、 底基层厚度偏薄、模量偏低。第二是荷载的原因。( 1 ) 交通量大、重车多、超载现象严重。交通部试 验结果表明，车辆在超载1 0 0 时通过沥青路面1 次，相当于标准车辆通过2 5 6 次，载蕈1 0 t 的货牟超 载1 倍，对公路的破坏力相当于正常载重时的1 6 倍；超载2 倍，对公路的破坏力增加8 0 倍。1 条设 计使用1 5 年的公路，如果行驶车辆超载1 倍，其使用年限将缩短9 0 ，只能使用1 年；交通量大、重 车多、超载严重是路面产生结构性破坏的直接原因。路面的破坏是一个累积的过程，与作用荷载的强 度有直接的关系，超载现象严重缩短了路面的使用年限。第三是气候条件。极端最低温度、降温速率、 低温持续时间、升降温循环次数是气候条件影响沥青路面温缩裂缝的四大要素。另外还有施工凼素， 比如半刚性基层材料的碾压含水量，半刚性基层完成后暴晒时间等因素1 。 参考上面的文献可见，路面的破坏主要是由于荷载引起的裂缝破坏，如果能够研究出荷载和裂 缝之间的关系，那么这个问题可以迎刃而解，国内外针对这方面做了很多研究。长安大学张登良指 出荷载型裂缝是由于路面设计不当或施工质量低劣，或者由于车辆严重超载，致使半刚性基层路面 在反复的交通荷载作用下，沥青面层或半刚性基层内产生的拉应力超过其疲劳强度而断裂。荷载型 裂缝首先在路面的底面发生，在车辆荷载的反复作用下，裂缝逐渐向上扩展至表面1 5 1 。过去已经对 反射裂缝、低温裂缝以及疲劳裂缝作了较多的研究和评价，我国现行公路水泥混凝土路面设计规 范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) 和公路沥青路面设计规范( j t j0 1 4 9 7 ) 均假设材料均质、连续、各向同性 且无缺陷，用路面容许弯沉值控制沥青路面的整体强度，而用荷载和温度疲劳应力控制混凝土路面 的疲劳断裂。实际上，路面在使用不久就出现裂缝。且裂缝随着时间的增长而不断增大。一旦出现 裂缝，路面的强度就要下降，使用性能也会降低。路面弯沉是无法直接反映裂缝状态，尽管裂缝率 增大路面的变形也变大。疲劳应力也无法反映裂缝的扩展规律。要完善路面设计方法，就应该弄清 楚裂缝产生的原因，产生后裂缝的扩展规律及路面表面裂缝向下扩展的深度及扩展方向，对于采取 合适的维修养护措施具有重大的实际意义。因此，发展一种方法来模拟荷载作用下路面结构中裂缝 的发展情况，对路面材料、结构设计和养护都有积极主动的意义。 由于裂缝尖端的特殊性，传统强度理论回答不了这些问题，而断裂力学为这些问题的解决提供 了新的思路。因此，从断裂力学的角度来解释沥青路面裂缝的产生机理，并应用断裂力学理论结合 有限元数值方法对沥青路面裂缝扩展行为进行研究，对裂缝扩展路径进行模拟，从更深的层次来认 l 东南大学博士学位论文 识和理解沥青路面裂缝的产生及早期破损的机理。这对于优化沥青混合料及路面结构设计，开发出 更好的抗裂混合料及路面结构具有较大的理论与工程价值。对沥青路面的日常维护、路面破损检测 以及沥青路面破损的及时修复，保证路面具有良好的路用性能及服务性能同样具有实际工程价值。 由于我国地域辽阔，各地区自然条件、交通条件互不相同，路面使用材料复杂多变，已建高速 公路沥青面层的类型和厚度以及路面的总厚度都有明显差别。沥青面层的厚度，薄的仅9 1 2 c m ， 最厚的3 2 c m ( 广深高速公路) ，多数沥青面层厚1 5 1 8 c m 路面总厚度薄者仅4 9 c m ，最厚者1 1 0 c m ， 多数高速公路的路面总厚度在7 0 c m 左右。仅就沥青面层的投资而言，每增加l c m 厚度，4 车道高速 公路每公里至少要多投资1 5 万元，有的地方超过2 0 万元。对沥青路面传统认为加厚沥青面层可以 减少甚至消灭沥青面层的裂缝。尽管有些高速公路采用了较厚的路面，但由于多种原因，裂缝、形 变等早期损坏现象十分严重，造成了较大的经济损失。沥青路面的裂缝，近年来已成为人们十分关 注的问题，裂缝也成了高等级道路沥青路面的主要缺陷之一。如何高效地使用有限的资金，确保沥 青路面良好的使用性能和应有的使用寿命，以提供公路交通事业可持续发展的动力，充分调查研究 路面裂缝的形成原因，采取有效的措施给与避免已显得非常迫切和必需，同时也为公路研究人员提 出了新的课题。 对沥青路面的裂缝，传统研究和现存的设计方法强调较多的是由下往上扩展的疲劳裂缝，即沥 青面层底部先出现裂缝，在温度和荷载的影响下进一步扩展到表面，而目前从上到下裂缝在全世界 范围内受到越来越多的关注，即裂缝起始于沥青路面表面并向下扩展，由于从上到下裂缝影响路面 的使用性能，充分了解其影响因素是改善路面使用寿命的第一步。研究沥青表面裂缝的开裂的形式 及方向以及形成的机理，做到提早预防，为路面设计提出指导性的文件，这对我国当前大力发展交 通基础设施的战略部署，为国民经济建设的“血脉”疏通都具有非常积极的、重要的意义。 1 2 沥青路面表面裂缝的国内外研究现状 沥青路面表面向下扩展裂缝( t o p d o w nc r a c k i n g ，简称t d c ) 1 6 1 17 1 可定义为起始裂缝发牛在路 面表面并且向沥青面层内扩展传播。早期也称为表面裂缝( s u r f a c ec r a c k i n g ) 1 8 1 ，表面起始裂缝 ( s u r f a c ei n i t i a t e dc r a c k i n g ) 1 9 1 ，表面起始纵向轮迹裂缝( s u r f a c e i n i t i a t e dl o n g i t u d i n a lw h e e lp a t h c r a c k i n g ) f 0 1 d ，纵向表面裂缝( l o n g i t u d i n a ls u r f a c ec r a c k i n g ) 1 1 2 l 。t d c 不是一个新的路面破坏现 象，目前也越来越受到道路研究人员的重视。 1 2 1 国外研究情况 在许多国家都已经观察到了从上到下裂缝并且展开了调查，并把t d c 列为柔性路面的主要病害。 包括日本、肯尼亚、南非、法国、荷兰( m a t s u n oa n dn i s h i z a w a ，1 9 9 2 ，w a m b u r ae ta l ，1 9 9 9 ，h u g o a n dk e n n e d y ，1 9 8 5 ，d u z a u t sa n dr a m p a l ，1 9 8 7 ，g e r r i s t s e ne ta l ，1 9 8 7 ) 在美国，t d c 也越来越多 地作为柔性路面的主要病害被提出并调查，在密歇根、华盛顿、弗罗里达几个州已经作了调查。 ( m e y e r s ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ，s v a s d i s a n te ta l ，2 0 0 1 ，n i e d e r q u e l l ，2 0 0 0 ，u h l m e y e r ，2 0 0 0 ) 。 在科罗拉多州对2 5 个路段的调查结果发现，其中1 8 个路段出现从e 到下的裂缝，占7 2 ，其 余2 8 出现的足反射裂缝，在7 2 的上到下的裂缝中发现，有4 8 出现在离析区，2 4 出现在非离析 区。调查裂缝主要在裂缝一l - _ 钻孔取芯看是从上到下裂缝还是从下往上反射裂缝。在密歇根州也取了 6 0 多段路段进行调查，其中有1 3 段出现从上到下裂缝。密歇根州对这1 3 段有从上到下裂缝的路段 进行了详细的调查，包括现场钻孔取芯、f w d 测试及核子密度测试及实验室系列实验。 从上到下裂缝多数表现为纵向裂缝，发生在轮迹带区域的内部和外侧，随着时间的推移，纵向 裂缝逐渐扩展，并与一些短的横向裂缝相联接，最终缩短路面的使用寿命。有的裂缝并没有延伸到 下面的沥青基层。在一些情况下路面铺好不久便产生了t d c 。因此，g e r r i t s e ne ta 1 明1 认为影响表 面裂缝产生的原因很可能是多方面的，轮迹带外的表面裂缝在低温时有较低的强度特征，而且他们 注意到低胶结物针入度值与高的温度应力密切相关。m y e r se ta 1 。报道在佛罗里达州表面起始裂 缝占了路面修复计划观察到的裂缝的9 0 ，因此这种裂缝在佛罗里达卅l 占了主要地位，裂缝在路面 铺筑完后5 - i 0 年内可以观察到。他们研究的沥青混凝土厚度从5 0 - 2 0 0 m m 。最常见的裂缝是纵向的 且裂缝表面宽度为3 - 4 r a m ，随着深度而减小，总的裂缝深度从2 5 m m 到整个a c 层的厚度。基于计算 机模拟，m y e r se ta 1 推断在轮胎下的拉应力而不是轮边的拉应力，是产生表面裂缝的主要原因， 宽基轮胎引起最大的拉应力，且拉应力随着深度迅速消散，暗示了这可能是裂缝本质上停止增长的 原因，不过他们觉得这个还需要作进一步地研究。他们总结出表面裂缝不是一个结构设计问题，而 是更多的是与混合料组成有关。s v a s d i s a n te ta 1 ( 2 0 0 2 ) 怕3 在p r c e 和m d o t 的帮助下从现场搜集的 数据和试验数据分析了路面结构层的工程特性及t d c 的产生机理，并用c h e v r o n x 、m i c h p a v e 和a b a q u s 2 第1 章概述 计算机程序分析了不同的沥青碎石柔性路面结构的力学响应及影响表面拉应力大小的因素。研究认 为，t d c 是由荷载作用下产生高的表面拉应力引起的，在温度、沥青胶结物的老化和施工变化如材 料离析与温度离析及压实不均匀等的作用下加剧。 国内外研究认为从上到下裂缝t d c 形成的原因包括： ( 1 ) 荷载产生的应交和应力 m o l e n a a r ( 1 9 8 4 ) 使用c l r c l y 多层计算机程序分析了轮胎路面垂直和横向( 向内的剪应力) 接触 应力对t d c 的影响。他的结论是在轮胎的边缘产生的高表面拉应变是从上到下裂缝形成的原因。另 外，他的结果还表明在刚性基层上部沥青混凝土层越厚越轻就会增加从上到下裂缝产生的可能性。 相似地，在荷兰g e r r i t s e ne ta l ( 1 9 8 7 ) 使用c i r c l y 计算机程序分析了由于垂直和横向应力在路 表面产生的拉应力。他们还发现在刚性基层路面轮胎边缘由荷载引起的拉应变很高足以形成从上到 下的裂缝。同时温度应力和沥青胶结料的使用寿命也能促使从上到下裂缝的产生。 m y e r se ta l ( 1 9 9 8 ) 认为t d c 是由拉应力而不是剪应力引起。由于大多数纵向t d c 出现在轮迹 附近，因此，轮胎路面相互作用面积附近荷载产生的拉应力和拉应变通常是主要研究t d c 形成的原 因。 g r o e n e n d i j k ( 1 9 9 8 ) 使用三维有限元程序c a p a 分析了在路表面由荷载产生的表面拉应力。他把 轮胎路面接触应力分解成三部分：垂直、横向和纵向接触应力来模拟不同的荷载和不同的轮胎 压力。他的结论是路表面不均匀的接触拉应力和沥青混凝土的寿命的共同影响导致极限拉应力出现 在路表面而不是沥青混凝土层的底部。g r o e n e n d i j k 分析计算的接触应力值在南非使用车辆道 路表面压力传感仪( v r s p t a ) 已经测得。 在轮胎路面接触区域放射状轮胎和斜纹轮胎在垂直和横向接触应力下产生的拉应力， m e y e r se ta l ( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 曾做过这方面的研究。主要结论是： 横向接触应力( 向内的剪应力) 在斜纹轮胎边缘产生高的路表面拉应力，能引起从上到下裂 缝。m e y e r se ta l ( 1 9 9 8 ) 。 横向接触应力( 向外的剪应力) 在放射性轮胎外边缘产生高的路表面拉应力，能引起从上到 下裂缝。m e y e r se ta l ( 1 9 9 8 ) 。且数据表明最大表面拉应力发生在放射性轮胎外边缘( o u t e rr i b ) 的中部。 轮箍下的拉应力集中在沥青混凝土表面层，迅速地扩散到整个沥青混凝土层。然而，路面的 结构特性如沥青混凝土层和基层的模量对表面层拉应力的大小有重要的影响。这点同样被m a t s u n o 和n i s h i z a w a ( 1 9 9 2 ) 的结论所支持。 放射性和宽基放射性卡车轮胎比斜纹轮胎产生较高的表面拉应力。因此，它们比斜纹轮胎对 路面更不利。m e y e r se ta l ( 1 9 9 9 ) 。 远离轮胎边缘荷载产生的拉应力是促使从上到下裂缝扩展的机理。就从上到下裂缝，路面层 的刚度和轮胎的位置对轮胎外荷载产生的拉应力的大小有重要的影响。m e y e r se ta l ( 2 0 0 1 ) 。 在日本，m a t s u n o 和n i s h i z a w a1 9 9 2 报道过纵向从上到下裂缝被发现大部分沿着轮迹，很少出 现在阴影区域( 如桥下) 他们对高温下柔性路面进行了有限元分析，得出以下两个结论： 轮胎边缘荷载产生的拉应变引起从上到下裂缝的形成。这个结论得到了m o l e n a a r ( 1 9 8 4 ) 和 g e r r i t s e ne ta l ( 1 9 8 7 ) 的支持。 路面横断面对表面拉应变的影响较小，这个结论与m e y e r se ta l1 9 9 8 和1 9 9 9 中的一致。与 u h l m e y e re ta l2 0 0 0 中的相反。 u h l m e y e re t a l2 0 0 0 与华盛顿交通部联合研究从上到下裂缝形成的原因。他们观测到从上到 下裂缝发生在路面使用3 到8 年后的轮迹处，一般沥青混凝土层厚大于1 6 c m ( 6 3 英寸) 。因此，它 们得出结论路面厚度对从上到下裂缝的形成有一定的影响。这与m e y e r se ta l1 9 9 8 、1 9 9 9 及m a t s u n o 和n i s h i z a w a1 9 9 2 结论相反。 在2 0 0 0 年b e n s a l e me ta l 也提出了从上到下裂缝的不同形成机理，他使用有限元模型分析路 面荷载产生的应力应变。他们指出： 路表面同一位置在轮迹边缘垂直平面荷载产生的剪应变比荷载产生的横向拉应变大，因此，垂 直平面剪应变对从上到下裂缝的形成和扩展起着重要的作用。 在轮迹边缘垂直平面上剪应变的大小随着深度迅速减小，这一点正好解释了一些现场观测情况， 从上到下裂缝的扩展贯穿沥青混凝土上面层。 沥青混凝土层厚度的减薄会导致荷载产生剪应变的增加。因此，沥青混凝土层越薄，从上到下 的裂缝越易形成。这一点与u h l m e y e re ta l2 0 0 0 得出的结论相反。 由于温度梯度和温度拉应力，不同的沥青混凝土层刚度对从上到下裂缝的形成有重要的影响。 值得注意的是，前三个结论代表了从上到下裂缝形成的新观点。普遍认为，从上到下裂缝形成 3 东南大学博士学位论文 的原因和深度与路面表面轮迹边缘荷载产生的拉应力或拉应变以及温度应力和沥青胶结料的寿命有 关。( m e y e r se ta l1 9 9 8 、m o l e n a a r1 9 8 4 、d eb e e re ta l1 9 9 7 ) 从上到下裂缝更可能发生在相 对较厚的沥青混凝土层。( u h l m e y e r2 0 0 0 、m o l e n a a r1 9 8 4 ) 另外，在这个报告以及其他的研究中 ( m e y e r se ta l1 9 9 8 ) ，现场调查所采集的现场数据并不支持b e n s a l e me ta l ( 2 0 0 0 ) 的前两个结 论。沿着垂直平面，由于剪应力的不足引起的裂缝应该与垂直平面倾斜一角度，然而，在这个研究 中，采自1 8 个不同的测试现场的许多钻孔芯样上看，裂缝都是直线垂直裂缝。 ( 2 ) 温度应力 作为引起从上到下裂缝产生的可能原因，温度应力和应变也被调查。d a u z a t s 和r a m p a l1 9 8 7 年报道过在法国南部他们的测试路段发现的大部分从上到下裂缝位于慢车道的中心线边，他们使用 s h a h i n1 9 7 7 年提出的公式计算了温度应力、应变和沥青混凝土的抗拉强度。研究结果表明，由于 低温，表面拉应变在多次的重复温度循环后能引起从上到f 的裂缝。相似地，r o q u e 和r u t h 于1 9 9 0 年使用肛a p s c r a c k 3 程序研究了由于温度和荷载产生的应力对柔性路面从上到下裂缝产生的影响。 他们的结论是：温度和荷载产生的应力的共同作用是造成从上到下裂缝形成的原因。特别是在最不 利状况，诸如快速冻融，温度应力比荷载产生的应力影响更大。 1 9 7 6 年，美国德克萨斯州理工大学h u n g - s u n ，c h a n g 和l y t t o n 等应用线弹性理论和断裂力学 的方法分析了沥青罩面层内温度裂缝的情况，他们先用粘弹性理论计算了罩面层和旧沥青路面的温 度应力，提出路面在温度应力作用下的裂缝形成和扩展模型，随后应用有限元法计算了裂缝尖端的 应力强度因子。 在南非，作为从上到下裂缝形成的可能原因，h u g o 和k e n n e d y 于1 9 8 5 年也调查了温度应力， 他们使用c r a c k 程序计算了沥青混凝士层的温度应力，他们还研究了沥青混凝土混合料几方面特性 对混合料寿命的影响，包括：粒料级配、空隙率和沥青水泥含量。他们的结论是从上到下裂缝的形 成可能是荷载的原因或非荷载的原因( 温度应力和或寿命) 或两者共同作用的结果。 ( 3 ) 沥青混凝土胶结料的寿命 在肯尼亚，w a m b u r ae ta l 于1 9 9 9 年从已出现从上到下裂缝的路面上钻孑l 取芯，测试结果是： 近年来在肯尼亚沥青混凝土混合料的设计方法允许在施工期间混合料有较高的空隙率，结果引起沥 青混凝土胶结料出现严重的老化，从而，引起沥青混凝土表面从上到下裂缝的形成。相似地，m a l a n e ta l 于1 9 8 8 年也研究了沥青混凝土胶结料的老化对从上到下裂缝形成的影响。他们研究了在南非 早期的表面裂缝，结论是开级配的沥青混凝土混合料比密级配更易引起老化和形成从上到下裂缝。 他们还指出沥青混凝土胶结料的粘度对从上到下裂缝的形成有重要的影响。他们强调在低交通荷载 下使用高粘度的胶结料和在高交通荷载下使用低粘度的胶结料都会降低从上到下裂缝的形成。 ( 4 ) 其他 还有人提出路面横断面对产生路表面拉应力有一定影响。由于向内和向外的剪应力产生的路表 面拉应力独立于路面的横断面。而在路表面，垂直荷载产生的拉应力是路面横断面的函数。因此， 只有当垂直相互应力的影响被分析，才能反映出路面横断面的重要影响作用。另一方面，分析向内 向外剪应力将导出相反的结果。 表1 1 国外对从上到下裂缝形成原因的各种研究情况 s v a s d i s a n te ta i ( 2 0 0 2 ) t d c 位于轮迹边缘，发展分为三个阶段 m o l e n a a r ( 19 8 4 ) g e r r i t s e n e ta l 轮胎路面垂直和横向接触应力引起t d c ( 19 8 7 ) 和m a t s u n o 和n i s h i z a w a ( 1 9 9 2 ) 在刚性基层上的软a c 面层引起t d c m a t s u n o 和n i s h i z a w a ( 19 9 2 ) 路面横断面对表面拉应变影响很小 t d c 发生在路面使用3 到8 年后的轮迹处及周围，一般沥青混凝土层 u h l m e y e r e ta l2 0 0 0 厚大于1 6 c m ( 6 3 英寸) 。 横向接触应力( 向内的剪应力) 在放射性轮胎外边缘第一个轮胎 棱纹产生的路表面拉应力较高，引起从上到下裂缝。 m e y e me ta l ( 1 9 9 8 ) 、( 1 9 9 9 ) 路面的结构特性如沥青混凝土层和基层的模量对表面层拉应力的 大小有重要的影响 ( 2 0 0 1 ) 放射性和宽基放射性卡车轮胎比斜纹轮胎产生较高的表面拉应 力。 远离轮胎边缘荷载产生的拉应力是促使从上到下裂缝扩展的机 4 第1 章概述 理。 路表面不均匀的接触拉应力和沥青混凝土的寿命的共同影响导致极限 g r o e n e n d i j k ( 19 9 8 ) 拉应力出现在路表面而不是沥青混凝土层的底部。 d a u z a t s 和r a m p a l ( 19 8 7 ) 表面拉应变由于低温，在多次的重复温度循环后能引起t d c 。 温度和荷载产生的应力的共同作用引起t d c 。特别是在最快速降温和 r o q u e 和r u t h ( 1 9 9 0 ) 春融季节。 h u g oa n dk e n n e d y ( 1 9 8 5 ) 由于荷载或非荷载的原因( 寿命) 或两者共同作用引起t d c 。 w a m b u r ae ta l ( 1 9 9 9 ) 和m a l a ne t 严重的老化引起a c 表面t d c 的形成。 a l ( 1 9 8 8 ) 间断级配的a c 混合料比密级配更易引起老化，出现t d c 。 m a l a ne ta l ( 1 9 8 8 ) a c 胶结料的粘度对t d c 的产生有重要的影响。 总之，对沥青路面从上到下裂缝的形成原因还没有一致的结论。综上所述，提到的从上到下裂 缝的形成原因可以概括为以下两类： 1 ) 由荷载、温度和其他因素如施工引起的高的拉应力和拉应变。 由于轮胎( 宽基轮胎和高的充气压力被认为是引起高的拉应力) 产生高的表面拉应力。 低温引起的a c 胶结物的硬化，导致a c 中高的温度应力( 观察到的横向裂缝最可能的一个原 因) 。 高的表面温度引起的面层刚度的降低。 2 ) 由于沥青混凝土混合料的特性、老化或沥青胶结料的硬化及较差的施工情况如压实，引起沥 青混凝土较低的抗拉强度或抗疲劳强度。 假设从上到下裂缝是沥青混凝土表面高的应力率( 高的拉应力和或低的抗拉强度) 引起的疲劳 裂缝。因此确定从上到下裂缝的形成原因，必须强调影响沥青混凝土表面的拉应力和抗拉强度的因 素。另外，要研究疲劳裂缝到底起始于沥青混凝土层的顶部还是底部，要同时考虑沥青混凝土层顶 部和底部的拉应力和抗拉强度。 查阅文献中影响沥青混凝土层拉应力和抗拉强度的因素有： ( 1 ) 影响沥青混凝土层产生的拉应力因素 1 ) 沥青混凝土层和路面层的厚度和模量以及沥青混凝土层间和路面层间不同的刚度。 国外的路面结构多是柔性路面，而我国多是半刚性路面结构，考察面层与基层间较高的刚度差 异是否会在面层产生较高的拉应力。 2 ) 轮载和配置( 单轮和双轮) 目前的研究认为，单轮荷载比双轮荷载在沥青混凝土层表面和底部产生较高的应力和应变。在 本论文中欲结合我国实际，讨论不同的轮胎路面接触形状和大小对路面响应的影响。 3 ) 温度 温度应力是由于路面低温引起的沥青混凝土层收缩和沥青混凝土层和基层间的摩擦引起的阻力 的结果。由此可以看出，最大温度应力是低温沥青混凝七层收缩力和沥青混凝土层和基层间的摩擦 力的函数。通过计算确定低温和快速的降温是否能够引起较高的温度应力，是否高温度应力和荷载 产生应力的共同作用能够引起柔性路面从上到下裂缝的形成。 可通过力学分析确定导致路表面高拉应力的因素。 ( 2 ) 影响沥青混凝土混合料的抗拉强度的因素 1 ) 沥青混凝土混合料的设计 沥青混合料的抗拉强度是沥青混合料胶结料的性质，集料的性质以及两种材料在沥青混合料中 如何组合的函数。研究最大粒料尺寸、沥青性质、级配对沥青混合料性能的影响。 2 ) 沥青混凝土层内的温度和温度梯度 沥青和沥青混合料都是温度敏感性材料，它们的性能包括粘度、弹性模量和抗拉强度都随着温 度的变化而变化。温度越低，密度越高，沥青混合料的间接抗拉强度越高，沥青混合料的温度和抗 拉强度之间的关系在某个特定温度有一个限值，当温度进步降低到这个点以下，沥青混合料抗拉 强度降低。 另外，有资料显示沥青混合料抗拉强度随着沥青混凝土刚度的增加而增加，( 在不同的温度和加 5 东南大学博士学位论文 荷时间给出的结果) 直到某一特定的值，然后，随着沥青混凝土刚度的增加而减少。因此，给出沥 青混凝土的刚度范围，为沥青混合料的设计提供依据。 把温度梯度对不同刚度的沥青混凝土层的影响融入对裂缝端部拉应力的分析中。验证沥青混凝 土层不同的刚度是否引起裂缝端部产生高的拉应力。温度梯度是否加速了从上到下裂缝扩展的速度。 3 ) 颗粒离析 离析指的是在沥青混合料中粗集料和细集料的分离。离析的机理是基于集料的运动，不管集料 什么时间移动，都有离析的趋势发生。在路面上沥青混凝土混合料的离析能够引起早期病害，如剥 离、松散、车辙、纵向和疲劳裂缝。这些病害通常由混合料的耐久性和抗拉强度的降低引起。离析 可能在堆料、热拌沥青混合料的生产、装卸、运输及铺设操作的过程中发生。离析也可能由于粒料 的类型和混合料的设计受一些因素的影响恶化引起。当离析变得相当严重，即级配成粗集料，抗拉 强度和疲劳寿命都受到不利的影响。最终会导致路面服务寿命的缩短。 一些资料显示出现中和重度离析的地方，由于松散和裂缝，预测会损失5 6 卜7 3 的设计寿命。 路面寿命的缩短主要是由于离析混合料低沥青含量和高空隙率。这些因素降低了混合料的抗拉强度 和疲劳寿命。沥青混合料的抗拉强度随着离析程度的增加而降低。离析最终导致从上到下裂缝的形 成和扩展。 4 ) 压实 沥青混合料压实的目的：获得最大密度；使粒料颗粒间充分的接触以提供足够的抗变形( 剪) 能力；使空隙率最小；提供无裂缝的路表面以降低沥青混凝土层的渗透性。如果目标能够达到，压 实通过使粒料颗粒间接触更紧密，与裹附在粒料上的沥青薄膜形成颗粒间的粘着力。颗粒间的粘着 力的增加导致a c 混合料抗拉强度提高。 可通过实验室的调查分析确定导致沥青混合料低抗拉强度的因素。 近年来，我国也开始了对沥青路面裂缝的研究。1 9 8 5 年同济大学计算了具有接缝的水泥混凝土 路面沥青加铺层在行车荷载和温度变化下的应力和位移，分析了反射裂缝的产生、发展以及沥青橡 胶夹层在防治反射裂缝中的作用。1 9 8 8 年西安公路学院王秉纲、戴经梁等人提出了基层( 下卧层) 具 有裂( 接) 缝的路面力学计算的迭加法，运用空间二十节点等参元结算了车辆荷载相对于裂缝不同位 置时的应力和位移。他们认为，半刚性基层裂缝尖端处面层内的弯拉应力及剪应力是产生反射裂缝 的主要原因。同年，交通部公路科研所沙庆林根据裂缝调查资料分析后指出，试验路段所观察的裂 缝，主要是由于低温应力产生的，尽管也有基层的反射开裂，但它们在表面开裂中不是占主要的， 裂缝的存在是导致其它病害的直接或间接原因，提出减小非荷载型裂缝的措施。 1 2 2 国内研究情况 国内对沥青路面破坏的研究主要集中在反射裂缝和温缩裂缝以及相关的沥青混合料力学特性。 认为半刚性路面体中的裂缝的存在是不可避免的，即运营中道路结构体是带着裂缝工作的。含裂缝 道路不再是连续的、均匀材料，应用原有的基于均质材料的弹性理论或粘弹性理论分析