（道路与铁道工程专业论文）基于层位功能考虑的耐久型沥青路面结构研究.pdf

摘要 工程实践表明，我国高速公路沥青路面存在着耐久性不足的问题，造成沥青路面耐 久性不足原因比较复杂，其中路面结构是关键性因素。鉴于此，本文从沥青路面早期损 坏及其机理分析入手，在研究不同结构沥青路面荷载作用下的受力特性及其各结构层层 位功能的基础，开展基于层位功能考虑的耐久型沥青路面结构研究。 首先，分析了沥青路面早期损坏机理，并建立了沥青路面力学分析模型，确定了 应力最大位置。然后，分别研究了半刚性基层、组合式基层和柔性基层的不同结构沥青 路面，分析了最大剪应力和整体性材料层底拉应力的变化规律。在此基础上，分析了沥 青路面各结构层层位功能，并结合沥青混合料组成结构对其路用性能的影响规律，提出 了基于层位功能考虑的耐久型沥青路面结构，并对其使用性能和经济性进行了比较。结 果表明，本文推荐的基于层位功能考虑的面层倒装式沥青路面结构具有良好的长期使用 性能，和显著的经济效益。研究成果对沥青路面结构设计具有一定的参考价值。 关键词：耐久型，沥青路面结构，早期损坏，力学分析，层位功能 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o np r a c t i c ei n d i c a t e dt h a tt h ec u r r e n t l ya s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ei nc h i n a h a st h ei s s u e so fi n s u f f i c i e n td u r a b i l i t y , a n dt h e r ea ree x t e r n a la n di n t e r n a lf a c t o r sw h i c h a f f e c t e dt h ed u r a b i l i t y t h er o a dp a v e m e n ts t r u c t u r ei st h em a j o rf a c t o r i nv i e wo ft h ea b o v e ， t h i sp a p e rf o r mt h ee a r l yd a m a g ea n di t sm e c h a n i s mo ft h ea s p h a l tp a v e m e n tt os t a r tv v i t l l ， a f t e rs t u d yv a r i e t i e so fp a v e m e n ts t r u c t u r eu n d e rl o a dm e c h a n i c a ll a w sa n ds t r a t i g r a p h i c f e a t u r e s ，t h ed u r a b l ea s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r er e s e a r c hl a u n c h e d t h i sp a p e r , s t a r t i n gw i t ht h ec u r r e n td o m e s t i ce x i s t i n ga s p h a l tp a v e m e n tt y p e sa n d p h e n o m e n o no fe a r l yd a m a g ea n a l y s i s ，f o c u s i n go ns i n g l ea s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r e ，e a r l y d a m a g ea n ds h o r ts e r v i c et i m eo fh i g h w a yi no u rc o u n t r y , a n a l y s e se x i s t i n gt y p e s a n d m e c h a n i s m so fa s p h a l tp a v e m e n te a r l yd a m a g ep h e n o m e n o n , d e t e r m i n e si t sc o r r e s p o n d i n g m e c h a n i c a li n d e xa n di t sm o s tn e g a t i v ep o 硫p o s i t i o n s ，a n d 、树t 1 1w h i c hf u r t h e rd e t e r m i n e s a p p l i c a b l ef u n t i o no fe a c hl a y e r t h i sp a p e rf u r t h e ra d o p ts o f t w a r eb i s a r3 0t od om e c h a n i c a l a n a l y s i st od i f f e r e n ta s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r em o d u l u sa n dt h i c k n e s st y p e so nt h ei m p a c to f m a j o rd e s i g np a v e m e n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s i nf u r t h e r , b a s e d o nd i v i s i o no fl a b o r p a v e m e n tl a y e r sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fa s p h a l tm i x t u r ep e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rd e c i d e s a s p h a l tm i x t u r e sf o re a c hl a y e r , a n dr e c o m m e n d ss e v e r a lr e a s o n a b l ef o r m so fp a v e m e n t s t r u c t u r e sw i t hc o m p a r i s o no fs e r v i n gl i v e st ot h a to fc u r r e n tu s i n ga s p h a l tp a v e m e n t ，谢t l l c o n c l u s i o nt h a tt h e s ep a v e m e n ts t r u c t u r e sc o u l da v o i de a r l yd a m a g e ，i n c r e a s ed u r i b i l i t ya n d k e yw o r d s ：d u r a b i l i t y , a s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r e ，e a r l yd a m a g e ，m e c h a n i c a la n a l y s i s ，l a y e rf u n c t i o n 长安大学硕士学位论文 1 1 研究目的意义 第一章绪论 近2 0 年来，我国公路建设特别是高速公路建设发展迅猛，而沥青路面以其优良性 在高等级公路建设中得到了广泛应用。随着工程实践的深入，发现沥青路面在使用过程 中也存在一些问题如早期车辙、开裂及水损坏等，带来较大的经济损失和不良的社会影 响。造成沥青路面发生早期损坏的原因十分复杂，涉及路面结构、材料、建设管理、施 工质量、养护、交通荷载以及自然环境的作用等方面，其中路面结构是影响路面使用性 能和使用寿命关键因素。 沥青路面结构有着高温抗车辙、抗低温开裂性能、抗水损坏性能、抗滑性能以及耐 久性等多功能的要求【l 】。而对于沥青混合料来说，这些性能往往是互相矛盾或是相互制 约，如高温稳定性和疲劳性能、低温抗裂性能的矛盾，路面表面特性和耐久性的矛盾。 沥青路面的各结构层对于实现路面使用性能要求和保证预定使用寿命，分别扮演不同的 角色，承担不同的任务，发挥不同的作用。上面层是直接承受行车荷载反复作用，并还 受到降水的浸蚀气温变化的影响，因此，同其它层次相比，上面层不仅应具有良好的高 温稳定性以及低温抗裂性，而且应当耐磨、不透水，其表面还应有良好的抗滑性和平整 度。中面层一般位于路面深度4 0 , 一1 0 0 m m 的范围内，研究表明在该范围内荷载引起路面 竖向剪应力最大，在高温作用下易产生车辙，因此中面层主要承担着抗车辙的功能。下 面层在荷载作用下产生拉应力易使该层产生疲劳裂缝，而随着轴载的增大最大剪应力出 现位置也随之下移而进入下面层，因此，下面层主要承担着抗车辙以及部分抗疲劳开裂 的功能。因而，沥青路面结构及各结构层材料设计应考虑上述层位功能。 目前国内高速公路常用的沥青路面结构形式为：表面层为4 e m 的a c 1 3 型沥青混 合料，中面层为6 8 c m 的a c 2 0 或a c 2 5 型沥青混合料，下面层为8 - - - 1 0 c m 的a c 2 5 或a c 3 0 型沥青混合料，基层为水泥稳定碎石或二灰稳定碎石，其特征是上、中、下面 层所用沥青混合料公称最大粒径从上至下依次增大，基层采用强度高的半刚性材料【2 】。 这种路面结构及结构层材料在满足层位功能方面显得不足，沥青路面的使用性能难以达 到最佳效果。因此，为了最大程度地缓解路面多功能要求所引起的矛盾，且充分发挥材 料的潜力，降低成本，有必要针对路面各结构层层位功能要求优化沥青路面结构及材料 组成。 第一章绪论 论文以此为背景，首先分析半刚性基层沥青路面早期损坏机理，并建立沥青路面 结构力学模型，确定出最不利荷位。其次研究了不同结构沥青路面荷载作用下各结构层 的受力特性，并分析了沥青混合料路用性能的影响因素。以此展开耐久型沥青路面结构 研究。目的在于提出基于层位功能考虑的耐久型沥青路面结构，以供工程实践参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国内研究现状 国内相继开展了大量有关沥青路面合理结构的研究，也取得了很多丰硕的成果。我 国先后在江苏、山东、河南、广东和陕西等地修筑了试验段 3 1 ，见表1 1 。 表1 1 各试验路沥青路面结构 地区结构面层基层底基层 s m a 1 34 c ma t b 2 51 8 c m 结构一a c - 2 06 c ma c - 1 39 c m二灰土1 5 c m a c 2 58 c m级配碎石1 6 c m s m a 1 34 c m汀b 2 57 c m 结构二a c 2 0 6 c m 级配碎石1 5 e r a二灰土2 0 c m a c 2 58 c m 水泥稳定碎石1 6 c m 江苏 s 【a 1 34 c m a t b - 2 57 c m 二灰土 2 0 c m 结构三 a c - 2 06 c m 水泥稳定碎石3 1 e m a c 2 58 c m s m a 1 34 c m 结构四 a c 2 06 c m 水泥稳定碎石3 8 c m 二灰土1 5 c m a c 2 58 c m s m 擒1 3 4 c m 结构五a c 2 06 c m a t b - 2 51 2 c m 二灰稳定碎石3 8 c m a c 2 5 8 c m s m a 1 34 c m a c 2 0 6 c m 山东滨州结构六 水泥稳定碎石2 0 c m二灰稳定碎石2 0 c m a c 2 51 2 c m a c 52 c m s m a 一1 34 c m 结构七 a c 一2 06 c m水泥稳定碎石3 2 e m二灰稳定碎石2 0 c m a c 2 58 c m s m a 1 34 c m 结构八 a c 1 61 3 c m水泥稳定碎石3 2 c m二灰土2 0 c m a c 2 5 8 c m 广州 s m a 1 3 4 c m 结构九 a c 1 6 1 3 c m级配碎石4 0 c m二灰土2 0 c m a c 2 5 1 5 c m 2 长安大学硕士学位论文 由表1 1 可知，国内的沥青路面合理结构研究大多采用了半刚性稳定粒料类做为结 构基层或底基层。江苏试验路的路面结构最为丰富，包含了国外典型的柔性基层沥青路 面结构、组合式基层路面结构以及普通半刚性基层路面结构。山东滨州试验路主要研究 半刚性基层路面结构和组合式基层路面结构之间的耐久性，广梧试验路主要对比了加厚 沥青层的半刚性基层结构与柔性基层长寿命结构的耐久性。但是，由于这些试验段新建 不久，使用的时间尚短，各种结构特性还没能完全的表现出来，到底哪种结构更为合理、 更具有耐久性，还有待时间检验。 从表1 1 中还可以看出，各试验路路面结构中沥青面层各结构层厚度及所用材料相 对固定，而针对路面结构中基层的结构组合和材料选择组成的变化比较多。由此可以看 出，目前国内对于沥青路面合理结构的研究主要集中在对沥青路面的基层结构与材料的 合理组合上，而对沥青路面面层结构合理组合及材料选择方面的研究则相对偏少。 1 2 2 国外研究现状 1 半刚性基层路面结构 目前世界上还在采用半刚性基层沥青路面结构形式的国家主要有法国、南非、俄罗 斯以及我国等，澳大利亚、日本也有少量应用。比较国外半刚性基层沥青路面结构的应 用经验，法国和南非两个国家具有比较明显的特点，而我国现在采用的半刚性基层沥青 路面结构形式在很大程度上是借鉴了法国的经验，特别是在半刚性基层沥青路面典型结 构的研究方面。法国和南非的部分典型路面结构见表1 2 1 4 1 。 表1 2 法国和南非典型路面结构 地区结构面层基层 底基层 各注 结构一沥青混凝土8 c m水泥稳定碎石2 0 c m水泥稳定碎石1 8 c m 法国 结构二沥青混凝土l o c m水泥稳定碎石1 9 c m水泥稳定碎石1 5 c m 结构三沥青混凝土l o c m水泥稳定碎石3 2 c m 适用于 结构一沥青混凝土5 c m级配碎石1 5 c m 水泥稳定碎石2 5 c m 干区 南非 适用于 结构二沥青混凝土5 c m级配碎石 1 5 c m 水泥稳定碎石4 0 c m 湿区 结构三沥青混凝士4 c m沥青稳定碎石1 2 c m水泥稳定碎石4 0 c m 由表1 2 可以看出，法国在采用半刚性基层沥青路面结构方面与我国一样，直接在 半刚性基层上铺筑沥青混凝土，厚度一般在8 1 0 c m 之间，但法国对半刚性基层沥青路 3 第一章绪论 面结构的反射裂缝进行严格处理的养护措施，然后按照一定的使用年限，在半刚性基层 沥青路面结构上不断罩面，以保证沥青路面结构保持良好的使用性能。 南非大量采用了倒装结构，在这种结构上，一般都采用级配碎石做基层，而用水泥 稳定碎石做底基层【5 】。不论道路等级和交通量大小，一般仅在级配碎石基层上铺筑3 - 5 e r a 厚的沥青混凝土作为面层，这种路面结构形式在南非使用中表现出了良好的使用性能。 2 柔性基层路面结构 除了法国、南非等少部分国家外，世界上更多国家的沥青路面结构采用粒料柔性基 层或沥青稳定基层结构的。尤其在美国、澳大利亚、日本和欧洲，柔性基层路面结构是 应用最为普遍的一种路面结构形式，而我国使用的路面结构相对单一，多是半刚性基层 路面结构，甚至于结构层的厚度都差不多，而国外即使采用半刚性基层结构也基本上是 和柔性基层结合使用。 美国是世界上最早采用沥青路面的国家。目前的高等级公路主要修建于上个世纪 5 0 年代到7 0 年代，近3 0 年来，很少修建高等级公路，而主要进行路面的维修和养护工 作。在美国并没有全国统一的路面设计方法和统一的路面结构形式，各个州有不同的路 路面结构。半刚性基层沥青路面在美国的应用并不广泛，日前只有较少的州如印地安那 州应用，而反射裂缝是其面临的主要问题。在美国一些州采用了沥青稳定排水基层的路 面结构，但其使用性能还有待评估。美国大多数州的常用路面结构见表1 3 6 1 。 表1 3 美国加州沥青路面典型结构 结构层面层基层底基层 结构类型沥青混凝土粒料基层稳定土 或沥青稳定碎石 厚度( c m ) 1 5 3 01 5 3 01 5 2 0 英国的沥青路面结构较多采用沥青混凝土作为路面的基层，其路面设计规范中对基 层沥青混凝土的级配和沥青用量等都有相应的规定，并且为了保证沥青混凝土基层的抗 疲劳性能，英国建议采用尽可能高的沥青用量。进入9 0 年代以来，原先2 0 年的设计寿 命己经无法满足快速增长的交通量的需要，英国道路研究所又展开了耐久性路面结构的 研刭7 1 ，工程应用表明，这种路面能够应付未来更大的交通量，在表面开裂后只需要更 新磨耗层，不会因为基层的疲劳开裂影响路面的使用寿命。其推荐的耐久性沥青路面典 型结构见表1 4 。 4 长安大学硕士学位论文 表1 4 英国耐久性路面典型结构 结构层面层基层底基层 结构类型沥青磨耗层高模量沥青混凝土稳定土 厚度( c m ) 2 32 0 4 0 一定厚度 日本的高等级公路主要采用两层式沥青面层，以较厚的沥青稳定碎石作为基层，多 采用级配碎石和水泥稳定材料作为底基层。其沥青层的总厚度达到了2 5 3 0 c m ，是典型 的沥青稳定碎石基层路面结构。通过对日本道路的使用现状调查【引，发现这些高等级公 路很少产生疲劳裂缝，而主要的问题是车辙。其常用的沥青路面典型结构见表i 5 表1 5 日本常用沥青路面典型结构 结构层 上面层 下面层基层底基层 水泥稳定材料 材料类型沥青混凝土沥青混凝土沥青稳定碎石 或级配碎石 厚度( c m ) 4 61 5 2 0 c m2 m 艺5 c m 从国外沥青路面结构的应用情况看，采用沥青稳定碎石是国外多数国家使用最广泛 的基层材料类型，沥青层的总厚度比较大，一般超过2 0 c m ；而底基层则多采用强度较 低的稳定细粒土( 如水泥土、石灰土等) 及结合料稳定的粒料材料( 包括各种细粒土和 中粒土) ，国外的沥青路面结构有进一步加厚沥青层的厚度并提高沥青稳定基层的强度 特性的方向发展。国外沥青路面结构的总厚度和我国家的结构总厚度较接近，但沥青层 的厚度要比我国目前的沥青层厚。 由于国内外交通、环境、经济等方面存在较大差异，国外沥青路面合理结构不能直 接照搬过来应用，而应该结合本国国情进行耐久型沥青路面结构研究。 1 3 主要研究内容 本文首先分析半刚性基层沥青路面早期损坏机理，并建立沥青路面结构力学模型， 确定出应力最大位置。其次研究了不同结构沥青路面荷载作用下各结构层的受力特性， 并分析了沥青混合料路用性能的影响因素。在此基础上，开展了基于层位功能考虑的耐 久型沥青路面结构研究。 主要研究内容如下： ( 1 ) 沥青路面早期损坏机理与力学分析模型 5 第一章绪论 分析沥青路面早期损坏机理，为后续研究奠定基础。为了研究沥青路面荷载作用 下的受力特性，建立沥青路面结构力学分析模型，并确定应力最大位置。 ( 2 ) 半刚性基层沥青路面结构力学分析 研究荷载作用下各结构层参数变化对半刚性基层沥青路面最大剪应力及最大拉应 力影响规律，揭示半刚性基层沥青路面各结构层受力特性。 ( 3 ) 组合式基层沥青路面结构力学分析 分别对设级配碎石的半刚性基层沥青路面和设沥青稳定碎石半刚性基层沥青路面 结构进行最大剪应力及最大拉应力影响规律进行研究，揭示组合式基层沥青路面各结构 层受力特性。 ( 4 ) 柔性基层沥青路面结构力学分析 分别对级配碎石柔性基层、沥青稳定碎石柔性基层和复合式柔性基层( 级配碎石+ 沥青稳定碎石) 沥青路面结构进行最大剪应力及最大拉应力影响规律进行研究，揭示柔 性基层沥青路面各结构层受力特性。 ( 5 ) 沥青路面合理结构研究 根据不同结构沥青路面各结构层受力特性，以及公称最大粒径、沥青用量和级配类 型对沥青混合料路用性能的影响，初步拟定基于层位功能考虑的耐久型沥青路面结构。 在此基础上，通过技术经济性分析，推荐出耐久性沥青路面结构。 6 长安大学硕上学位论文 第二章沥青路面早期损坏机理与力学分析模型 本章分析了沥青路面早期损坏机理，为后续研究奠定基础。为了研究沥青路面荷 载作用下的受力特性，建立沥青路面结构力学分析模型，并确定应力最大位置。 2 1 沥青路面早期损坏类型及力学机理 沥青路面的早期损坏是指沥青路面在设计使用年限内，过早发生的各种形式的沥青 路面损坏。通过对目前国内沥青路面的调查研究【9 】，总结出沥青路面常规的早期损坏主 要分为永久变形、开裂、水损害三类，每类损坏又有很多不同的表现形式。正确认识各 种早期损坏产生的原因和损坏机理，有助于对路面结构使用性能的合理评价，并避免早 期损坏现象的重新出现和加剧。目前我国沥青路面早期损坏产生的原因是多方面的，是 环境、荷载、施工工艺、材料和路面结构等共同作用下，随着时间的推移慢慢产生的。 本文主要从路面结构的力学响应角度对路面早期损坏机理进行分析。 ( 1 ) 永久变形 表现形式 永久变形是沥青路面一种主要的损坏现象【1 0 1 。沉陷、车辙、拥包、搓板等变形极大 地降低了路面平整度和道路服务水平，严重时甚至直接影响交通安全。从沥青路面病害 调查结果来看，各类变形损坏中属车辙问题尤为突出。车辙是指轮迹带上出现的辙槽。 从外观看，车辙表现为在行车荷载的反复作用下，车轮行迹处比旁边明显凹陷或沥青面 层压缩变形的现象。半刚性基层沥青路面车辙主要有三种类型：失稳性车辙、结构性车 辙和磨耗性车辙。在这几种车辙破坏类型中，失稳型车辙是最常见也最严重的，对于半 刚性基层沥青路面基本上都属于沥青混合料的失稳性车辙( 或称流动性车辙) 。 车辙直接影响行车安全，雨天时会使路表排水不畅而降低路面的抗滑能力，甚至会 由于辙槽内积水而致使车辆行使时发生飘滑，冬季更会由于积水而导致路面结冰。此外， 车辙还会影响路面的平整度，并且在辙槽处由于沥青层减薄，削弱了面层及路面结构的 整体强度，从而引发其他病害。因此，车辙严重影响了沥青路面的服务质量和使用寿命。 力学机理 车辙是随着渠化交通程度的提高和车辆荷载作用次数的增加，行车道轮迹带上由于 沥青层的再压密或剪切变形而逐渐形成不同程度的车辙变形( 如图2 1 所示) 。 7 第二章路面早期损坏机理与力学模型分析 基层皴不足 路啾不足 图2 1 车辙 失稳性车辙( 或称流动性车辙) ，是指由于沥青路面结构面层在车轮荷载作用下， 沥青面层内部的剪应力大于沥青混凝土的抗剪强度时，轮迹带范围内的沥青混凝土产生 侧向剪切流动变形，轮迹处产生下凹，同时两侧沥青混凝土鼓起形成的车辙。表现为一 方面车轮作用部位下凹，另一方面车轮作用甚少的车道两侧反而向上隆起，在弯道处明 显向外推挤，远看标线可能发生变形。横断面呈w 形1 1 1 j 。 结构性车辙是指由于路面结构自身变形，作用于路面的车辆荷载经面层传递扩散， 使面层以下包括基层在的各结构层发生永久性变形，故又称为压密型车辙【1 2 】。结构性车 辙与施工质量，特别是路基处理情况有很大关系，所以只要严格控制路基施工质量，结 构型车辙基本上可以根治。这类车辙发生的情况已经越来越少见了，并不是目前我国沥 青路面车辙形成的主要原因。 磨耗性车辙是指在一些寒冷地区，由于路面结冰，汽车司机会在车轮上会加挂防滑 链或采用埋钉式防滑轮胎，以至在路面上产生磨损，在轮迹带上形成的变形。磨耗性车 辙主要与沥青混合料的耐磨性有关，因此要尽量用强度高、耐磨性好的石料。磨耗型车 辙的深度较浅，而且发生情况较为少见也不是我国沥青路面车辙形成的主要原因。 对于我国普遍使用的半刚性基层沥青路面结构而言，由于半刚性基层本身不易产生 塑性形变，因此，沥青路面的车辙主要产生于沥青面层。关于车辙的产生目前存在着两 种观点，一种观点认为，车辙的实质是沥青混合料的粘塑性变形累积，另一种观点则认 为是荷载作用下剪切变形的结果。实际上这两种观点只是考虑问题的角度不同，其实质 是一致的，即车辙是由于沥青路面结构面层在车轮荷载作用下，沥青面层内部的剪应力 大于沥青混凝土的抗剪强度时，轮迹带范围内的沥青混凝土产生侧向剪切流动变形，轮 迹处产生下凹，同时两侧沥青混凝土鼓起而形成。所以车辙可以看做是路面结构在剪应 力作用下沥青混合料塑性流动的结果。由此可见，剪应力是用来表征车辙损坏的主要力 8 长安大学硕士学位论文 学指标。 ( 2 ) 开裂 表现形式 沥青路面开裂是各国沥青路面最普遍的早期损坏现象之一，只不过是裂缝的类型、 程度及产生时间有所不刚1 3 1 ( 如图2 2 所示) 。路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入 水分使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧浆、网裂、加速路面破坏。按 照裂缝的方向和成因，可分为纵向裂缝，横向裂缝和网状裂缝。 图2 2 某高速公路半刚性沥青路面的开裂损坏 纵向裂缝的方向基本上平行于道路中心线，一般发生在距路边缘3 5 c m 的车道内。 分为自上而下的表面裂缝和自下而上的疲劳裂缝【14 1 。在我国，半刚性基层沥青路面的疲 劳裂缝是一种常见的路面病害。当半刚性基层沥青路面出现疲劳裂缝后，降水会通过裂 缝渗入并滞留在路面内部，在车辆荷载的作用下，滞留在路面内部的水会冲刷路面材料， 导致路面出现进一步的损害。这样下去，半刚性基层沥青路面会出现龟裂、网裂等更为 严重的病害。疲劳裂缝的出现，严重影响了半刚性基层沥青路面的使用寿命和使用性能。 沥青路面出现疲劳裂缝的原因，主要是因为在常温条件下，路面在车轮重复荷载作用下， 沥青面层或半刚性基层或半刚性底基层内部的拉应力大于容许拉应力时，相应结构层产 生开裂1 1 4 j 。 横向裂缝的方向垂直与道路中心线，裂缝间隔不等，裂缝数量逐年增加。横向裂缝 主要包括沥青面层的温缩裂缝和半刚性基层的反射裂缝。 网裂是在路面局部区域内，裂缝纵横交错形成网状裂缝。网裂常伴有沉陷和唧浆现 象。网裂主要原因在于局部结构的承载力不足或是由于唧浆引起的过量局部沉陷。 9 第二章路面早期损坏机理与力学模型分析 力学机理 疲劳开裂一方面是由沥青材料层内的拉应力或拉应变的重复作用所致；另一方面当 整体性材料基层由于拉应力的重复作用而产生疲劳开裂后，基层内的疲劳裂缝反射到沥 青材料层而引起面层的开裂。对于较薄沥青面层的半刚性基层沥青路面结构来说，在荷 载作用下，随着沥青路面结构层间粘结状态的改变，沥青层与半刚性基层的层间结合状 况由逐渐由连续变为滑动，沥青面层发生疲劳剪切开裂；再随着荷载的继续作用，半刚 性基层的裂缝得到快速扩展，并逐渐向上反射，造成沥青面层的进一步加剧开裂，这个 阶段可以认为是半刚性基层沥青路面结构疲劳开裂的第一阶段。而后随着荷载的继续作 用，沥青层和半刚性基层的开裂进一步加速，路面结构强度急剧衰减，直到沥青层和半 刚性基层发生完全损坏。由此可见，拉应力是用来表征疲劳开裂损坏的主要力学指标。 而沥青路面出现温缩开裂，主要是由于气温骤降造成沥青面层温度收缩，在有约束 的沥青面层内产生的温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时，造成沥青面层开裂。对于 沥青路面的温缩开裂，是与外界温度和沥青混合料的低温抗裂性能直接相关的，因时间 及精力有限，未对其进行深入研究。 ( 3 ) 水损害 表现形式 在早期损坏的各种现象中，水损害也有非常具有危害的一种【1 5 】。通过调查研究，可 以将水损害分为自上而下的表面层水损害和自下而上的水损害两类。自上而下的水损害 是一个水使沥青膜从集料表面脱落，失去附着力的过程。其主要表现为表面型坑槽，它 的形成条件是水能够渗入表面层，但继续往下渗比较困难，同时表面有大的孔隙。自上 而下的水损害是由于水通过各种途径进入路面并到达基层后不能从基层迅速排走，只能 沿沥青层和基层的界面扩散，积聚。当半刚性基层沥青路面的沥青层较薄时，沥青路面 的水损害经常是自下而上发展的，其主要表现为唧浆然后松散成坑槽。 力学机理 所谓水损害，是指沥青路面在存在水分的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复 作用，一方面水分逐步浸入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的作用，沥青膜渐 渐地从集料表面剥落，并导致集料之间的粘结力丧失而使混合料整体力学强度降低的过 程。而单独将水损坏作为一种损坏形式，实际上掩盖了产生水损坏的根本原因。在路面 结构设计与材料设计阶段，均已考虑了结构层与路面材料的抗水损坏性能，因此单纯的 水损害从理论上看，在路面使用的早期阶段并不会产生。通过调查发现水损坏通常都在 1 0 长安大学硕士学位论文 其他早期损坏同时发生，且大部分水损坏均是在其他形式的早期损坏产生后而发生的， 如路面产生辙槽或开裂后，路面在辙槽、裂缝与水渗透的循环作用下，一方面加速了裂 缝扩展，另一方面则形成了水损坏。可见对于水损坏的防治是以其他早期损坏的防治为 前提的，解决了辙槽和裂缝等损坏就能从根本上杜绝水损坏的产生。 2 2 沥青路面结构力学分析模型 沥青路面力学性质属于非线性的弹粘塑性体。为了简化计算，本文将其视作线弹 性层状体系，并采用b i s a r 程序对路面结构应力进行分析。b i s a r 程序基于多层弹性 层状体系理论专为道路设计而编制的程序，理论依据为英、荷联资的s h e l l 公司的 s h e l l 设计法，由位于荷兰阿姆斯特丹( a m s t e r d a m ) 的壳牌研究工作组( s h e l l ) 于 1 9 6 7 年开发，至今己发展到b i s a r 3 0 t 1 6 1 。b i s a r 3 0 程序功能齐全，可以计算任何一点 的应力、应变和位移( 包括主应力、主应变及其作用方向) ，对于层间接触条件，既有 连续，又有滑动，且能计算部分摩擦阻力的各种情况。 2 2 1 沥青路面结构力学模型 ( 1 ) 路面结构选取 选用国内典型半刚性基层沥青路面结构形式。具体结构及参数见图2 3 。 面层h i = 1 8 c m e 1 2 1 3 0 0 m p a ( 2 5 0 0 m p a ) 基层h 2 = 3 4 c m e 2 = 15 0 0 m p a ( 4 0 0 0 m p a ) 底基层h 3 - - - 2 0 c m e 3 = 1 2 0 0 m p a 土基 e o - - 5 0 m p a 图2 3计算所用路面结构及参数 注：括号内为计算拉应力时选取的材料的弯拉模量。因为从设计指标和设计参数统一出发，应 采用弯拉模量来计算路面结构内拉应力更符合实际。 ( 2 ) 层间接触状态 新建高速公路的沥青上、中、下面层材料均为沥青混合料，且层间洒布了粘层油， 层间结合很好，通常钻芯取样后会发现沥青上、中、下面层是紧密地结合在一起的，可 以认为沥青上中下面层层间是完全连续的。基层、底基层和土基基本上属于同一类材料， 且层问通常会洒布水泥净浆等粘结材料。可以认为基层、底基层和土基各层之间是完全 第二章路面早期损坏机理与力学模型分析 连续的。而沥青面层和半刚性基层之间虽然铺筑了透层和下封层，但由于沥青面层和基 层所采用的材料类型不同，透层油和下封层的粘结作用又十分有限，通常钻芯取样后会 发现沥青面层和基层之间根本没有紧密粘结在一起 1 7 1 。因此面层和基层间的接触条件可 以分为完全连续、部分连续两种情况考虑。 ( 3 ) 计算参数 本文重点研究不同沥青路面结构内剪应力和拉应力随路面各结构层参数变化的规 律。特别指出，对于拉应力的计算沥青路面设计规范中提出简化材料参数的试验对半刚 性材料和沥青稳定碎石而言，其抗压模量都低于其弯拉模量，从设计指标和设计参数统 一出发，使用抗压模量计算拉应力是不合理的，应采用弯拉模量更符合实际。计算层底 拉应力时应考虑模量的最不利组合，计算层取弯拉模量，其他各层取抗压模量。当半刚 性材料和沥青稳定碎石的模量取值大于2 0 0 0 m p a 时，可认为其为弯拉模量，考虑到取 值范围较大，以1 0 0 0 m p a 为单位进行变化来计算拉应力。而抗压模量以2 0 0 m p a 为单位 进行变化，结构层厚度由不同取值范围选择不同单位进行变化。 ( 4 ) 力学指标的选取 剪应力。路面结构最主要的破坏形式之一是车辙破坏，车辙形成的主要原因是路 面结构的剪应力过大，材料内发生剪切滑移，导致路面极易产生失稳性车辙。所以选取 剪应力作为表征车辙的主要力学指标。 拉应力。路面结构另一种主要的破坏形式是结构层的疲劳开裂，是由结构层内的 拉应力的重复作用所致，所以选取拉应力作为表征疲劳开裂的主要力学指标。 ( 5 ) 荷载及计算点位的选取 公路沥青路面设计规范( j t g d 5 0 2 0 0 6 ) 规定：路面结构设计采用双圆均布竖向 荷载作为作用荷载进行计算，荷载圆半径为1 0 6 5 c m ，轮胎压力为0 7 m p a 。 应力计算点位的分布如图2 4 所示。在图2 4 的x o y 水平面内，o l 点坐标为( 一 1 5 9 7 5 ，o ) ，o 点坐标为( o ，o ) ，a 点坐标为( 5 3 2 5 ，o ) ，b 点坐标为( 1 0 6 5 ，0 ) ，0 2 点 坐标为( 1 5 9 7 5 ，0 ) ，c 点坐标为( 2 1 3 ，0 ) ，d 点坐标为( 2 6 6 2 5 ，o ) 。对o 点、a 点、b 点、0 2 点、c 点和d 点位置处的应力进行力学分析。 1 2 长安大学硕士学位论文 双 - yx t u l u ， 虱均布竖向菏载 厂叭厂叭 一 o i o瓜b 龟e d 2 2 2 应力最大位置的确定 ( 1 ) 剪应力最大位置的确定 剪应力分布规律分析 x o y 水平面 图2 4 计算点位分布 路面结构内所受剪应力最大值处最容易因为大于材料容许拉应力而产生剪切破坏， 进而产生车辙病害【l8 】。基于此，应先找出路面结构中同一水平面内剪应力最大值处，再 对其进行力学分析讨论。计算点位通过对双圆均布竖向荷载不同作用点位即o 点、a 点、 b 点、0 2 点、c 点和d 点( 如图2 4 所示) 的应力计算，选取各力学指标相对最大的点 位作为各应力的计算点位，选取图2 3 所示的路面结构及参数来进行计算。计算得剪应 力在不同基面层间接触状态下不同点位沿路面深度分布规律如图2 5 所示。 巳 。 毯8 醚 僻1 0 瀣 l c 工l 西1 2 1 4 1 6 1 8 剪应力( m p a ) 吕 u 瑙8 殛 篓1 0 皤1 2 1 4 1 6 1 8 剪应力( m p a ) 00 0 50 10 1 50 20 2 5 十o 点 + a 点 + b 点 - 0 2 点 协c 点 + d 点 a 基面层层间完全连续 b 基面层层间半连续 1 3 第二章路面早期损坏机理与力学模型分析 昌 c ) 憾8 酝 篓1 0 斟1 2 1 4 1 6 1 8 剪应力( m p a ) 00 0 50 10 1 50 20 2 5 + 0 点 + a 点 + b 点 一0 2 点 牛c 点 + d 点 c 基面层层问完全光滑 图2 5 在不同接触状态下剪应力沿路面深度分布规律 由图2 5 可知，最大剪应力出现在0 2 点处，即轮载中心点处。所以本文以荷载中心 点0 2 点作为剪应力的计算点位。在不同接触状态下，各作用点位沿路面深度的剪应力 分布规律基本上呈现出越靠近面层中间，数值越大的趋势。而层间接触状态由连续向光 滑转变时，相应的点位所受剪应力在逐渐增大，但最大剪应力点位置变化不太大，基本 位于距路表深度为6 c m 左右。显然当出现失稳性车辙时，在0 2 点距路表6 c m 深度区域 首先发生剪切破坏。 由图2 5 又可知，面层内0 2 点处纵向的剪应力变化总体的规律是先逐渐增大，且增 大幅度较大，在6 - - - 7 c m 深度处，剪应力达到最大值，随后，剪应力开始逐渐减小，但是 减小的幅度没刚开始那么大。在整个面层厚度中在大约4 - - , 1 0 c m 范围内，剪应力是比较 大的部分。因此对于整个路面结构来说，中面层承受的剪应力比较大，会对路面的高温 稳定性产生不利的影响，较易产生剪切破坏，易使路面产生车辙、拥抱、推挤等破坏。 车辆荷载的影响分析 近1 0 年来，重载车辆特别是大幅度超载运输车辆日益显著增加，其荷载从1 0 0 k n 增加到2 0 0 k n 以上，轮胎充气压力从额定的0 7 m p a 增加到0 9 m p a 以上【1 9 1 。交通状况 的这些显著变化给沥青路面带来了严重考验。为了研究车辆荷载对面层最大剪应力作用 位置的影响关系，本文对车辆荷载轴载变化从10 0 k n 到2 0 0 k n 来分析其对剪应力的影 1 4 长安大学硕上学位论文 响，计算得最大剪应力随荷载变化规律如图2 6 所示。其中车辆荷载具体参数如表2 1 所示。计算所取路面结构见表图2 3 所示。 表2 1 不同车辆荷载参数 轴载( k n ) 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 超载比例标准荷载超载2 0 超载4 0 超载6 0 超载8 0 超载1 0 0 接地面积( c m 2 ) 3 5 4 3 9 24 3 24 7 25 1 25 5 2 半径( c m ) 1 0 6 51 1 1 71 1 7 31 2 2 61 2 7 71 3 2 6 轮压( m p a ) 0 7 0 70 7 6 5o 8 1 00 8 4 70 8 7 90 9 0 6 由图2 6 中荷载1 0 0 k n ( 即标准荷载) 作用下剪应力沿路面竖向变化曲线可以看出， 面层内剪应力变化规律是先逐渐增大，在6 - - - 8 c m 深度处剪应力达到最大值，随后剪应力 开始逐渐减小。而对比标准荷载，超载2 0 ，4 0 ，6 0 ，8 0 ，1 0 0 的各剪应力变化 曲线可以看出剪应力沿路面竖向变化都是先逐渐增大，在面层深度6 1 0 c m 范围内达到 了峰值，随后又逐渐减小。因此对于路面面层结构来说，中面层承受的剪应力比较大， 会对路面的高温稳定性产生不利的影响，较易产生剪切破坏，易使路面产生车辙、拥抱、 推挤等破坏。 t 3 赵 媾 求 瀣 型 剪应力( i d p a ) oo 0 50 1o 1 50 2o 2 50 3 图2 6 剪应力随荷载变化规律 在距路表深度4 c m 范围内，荷载的增大对剪应力值的影响较小；距路表深度4 c m o 2 4 6 8 0 2 4 6 8 i 1 1 第二章路面早期损坏机理与力学模型分析 以下，荷载的增大对剪应力产生了一定的影响，剪应力峰值点深度有一定下移，不过基 本都是在距路表深度6 - - - 8 c m 范围之内。因此车辆荷载变化对路面结构最大剪应力位置无 明显影响。 面层模量的影响分析 现通过改变面层的模量来分析不同面层模量对最大剪应力的影响。为便于力学分 析，将沥青面层作为一个整体来考虑，拟定面层厚度h 1 为1 8 c m ，变化面层模量e l 从 1 0 0 0 m p a 到4 0 0 0 m p a 。其他计算所用路面结构及参数见图2 3 ，荷载采用标准荷载。计 算得最大剪应力随面层模量e l 变化规律如图2 7 所示。 舍 3 蜊 殛 懈 瘦 掣 剪应力( m p a ) 00 0 50 10 1 50 20 2 5o 3 和e = 1 0 0 0 b i p a _ e = 1 5 0 0 m p a a e 1 = 2 0 0 0 m p a * 一e = 2 5 0 0 m p a - - - 4 b - e ，= 3 0 0 0 m p a - - - 4 - - e1 = 3 5 0 0 m p a _ 卜一e = 4 0 0 0 m p a 图2 7 剪应力随e l 变化规律 由图2 7 可知，当面层模量e l 从1 0 0 0 m p a 增加到4 0 0 0 m p a 时，轮胎中心点处对应 的剪应力沿路面深度先增大后减小，且依然在距路表6 c m 深度处达到峰值。由此可知面 层模量对最大剪应力位置无明显影响。 面层厚度的影响分析 现通过改变面层的厚度来分析不同面层厚度对最大剪应力的影响。为便于力学分 析，将沥青面层作为一个整体来考虑，拟定面层模量取值为1 3 0 0 m p a ，面层厚度h l 在 1 4 - - - 3 0 c m 内以2 c m 为单位进行变化。其他计算所用路面结构及参数见图2 3 ，荷载采用 标准荷载。计算得最大剪应力随面层厚度h l 变化规律如图2 8 所示： 1 6 o 2 4 6 8 m 挖 m m 坞 加 长安大学硕士学位论文 兮 3 毯 聪 擀 瀣 斟 剪应力( m p a ) o0 0 50 10 1 50 20 2 5 - “一 l ，；、 n 卜h ，= 1 4 c m i 鱼 一h ，= 1 6 c m 丑 。h ，= 1 8 c m 譬 ”静一h ，= 2 0 c m _ h 1 = 2 2 c m - 卜一h ，= 2 4 c m ，么 一h 1 = 2 6 c m m h ，= 2 8 c m 盯 h 1 = 3 0 c m 一 l 图2 8 剪应力随h l 变化规律 由图2 8 可知，当面层厚度h 1 从1 4 c m 增加到3 0 c m 时，轮胎中心点处对应的剪应 力沿路面深度先增大后减小，且依然在距路表5 c m 深度处达到峰值。由此可知面层厚度 对路面结构最大剪应力位置无明显影响。 由以上分析可知，在荷载、面层模量和面层厚度变化情况下，面层最大剪应力位置 无明显变化，始终在距路表深度6 c m 附近。所以本文选取距路表深度6 c m 处作为最大 剪应力位置进行后续力学分析。 综上所述，沥青路面结构在不同的接触状态下或其他条件变化情况下，结构内部剪 应力的峰值分布区域，都为以路面深度5 c m 位置为中心的面层中部区域。夏季高温时， 受沥青混合料热传递的影响，此处的温度也最高。因此在温度场与力场耦合作用的状态 下，中面层易产生高温流变性、车辙损坏，对这部分结构层的性能要求应以高温抗车辙、 抗剪切为主。 此外，通过比较不同接触状态下剪应力分布规律可知，基面层接触状态由完全连续向