（道路与铁道工程专业论文）半刚性基层沥青路面反射裂缝控制指标研究.pdf

摘要 近十多年来，我国高速公路事业发展迅速，截至2 0 0 5 年底全国高速公路通车里程已达4 1 万公里 居世界第二位，其中9 0 以上采用半刚性基层沥青路面。由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下 容易产生收缩开裂，车辆荷载和温湿条件反复循环的作用使得裂缝向上反射到沥青面层，产生严重 的反射裂缝问题，从而导致路面损坏，工程实践表明反射裂缝已成为该路面结构的主要缺陷，所以 有必要对反射裂缝进行深入研究，掌握其形成和扩展机理，并在此基础上提出有针对性的路面结构 控制指标。 本文在查阅大量国内外相关文献及研究成果的基础上，利用有限元方法和相应的数学理论，对 半刚性基层沥青路面反射裂缝的形成和扩展过程进行了系统分析。 首先，分析评价了我国现行沥青路面设计指标的不足之处，以半刚性基层沥青路面力学特性和 产生的主要病害为分析依据，建立了基于实际使用性能的半刚性基层沥青路面多指标设计体系框架。 然后，根据半刚性基层收缩机理，建立有限元计算模型，对基层内收缩应力和开裂间距进行了 分析，得到了失水率、温差、路面长度、基层模量、是否加铺面层等主要因素对其的影响规律，并 回归得到半刚性基层收缩开裂间距的预估模型；采用基于断裂力学的有限元方法，分别分析了在行 车荷载以及温度荷载作用下基层收缩裂缝和面层反射裂缝的扩展规律，研究了不同结构参数对其的 影响，对由层间滑动引起的不对应反射裂缝的形成和扩展进行了分析；根据改进的p a r i s 模型计算裂 缝扩展寿命，并通过正交设计和多元线性回归得到不同基层开裂条件下半刚性基层沥青路面抗裂疲 劳寿命的预估模型。 最后，提出了针对反射裂缝破坏模式的半刚性基层沥青路面结构抗裂设计方法，为我国进一步 完善半刚性基层沥青路面结构设计提供了依据。 关键词：半刚性基层沥青路面；设计指标；反射裂缝；有限元分析：开裂间距；抗裂疲劳寿命 a b s i 】认c t a b s t r a c t i nt h er e c e n tt e ny e a r s ，t h e 自w a yc o n s t r u c t i o no f o mc o u n i r yh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l y t h et o t a l l e n g t hh a sc o m et o4 1t h o u s a n dk i l o m e t e r sb yt h ee n do f2 0 0 5 ，t a k i n gt h e2 ”p l a c ei nt h ew o r l d t h e s e m i - f i g j db a s ea s p h a l tp a v e m e n t sa c c o u n tf o rm o r et h a n9 0 b e c a m et 1 1 e yw e r ep r o n et ob es h r u n ka n d c r a c k e dw h e nt h et e m p e r a t u r eg r a d sa n dm o i s t u r ec o n d i t i o nw e r ec h a n g e d t h ec r a c k sr e f l e c t e du p w a r d st o t h ea s p h a l tm i x t u r el a y e ru n d e rt h ee f f e c to f t r a f f i cl o a d i n gi nc o m b i n a t i o nw i t hc i r c l eo f t e m p e r a t u r ea n d m o i s t u r e t h er e f l e c t i v ec r a c k i n ga p p e a r e d i tb r o u g h to nt h ed a n l a g ei nt h ep a v e m e n t s i nt h ef a c t ，t h e r e f l e c t i v ec r a c k i n gh a sb e e nt h em a j o rd a m a g ei nt h es e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t s i t sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ho nt h er e f l e c t i v ec r a c k i n gd e e p l y g r i pt h ef o r m i n ga n de x t e n d i n gm e c h a n i s mo f c r a c k t h ed e s i g n i n d e x e so f p a v e m e n ts t r u c t u r ew i l lb eb r o u g h tf o r w a r dp e r t i n e n t l yo nt h eb a s i so f m a c h a n i c a la n a l y s i s b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fc o r r e l a t i v er e f e l n c e s , c o r r e s p o n d i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dm a t h t h e o r yw e r eu s e dt oa n a l y z ef o r m i n ga n de x t e n d i n gp i d 锄so fr e f l e c t i v ec r a c k i n gs y s t e m a t i c a l l yi nt h i s p a p e r f i r s t l y , t h es h o r t c o m i n g so fd e s i g ni n d e x e su s e di n o u rc o u n t r yw e r ee v a l u a t e d b a s e do nt h e m e c h a n i c sc h a r a c t e ra n dt h em a j o rd a m a g eo fs e m i - r i g i dp a v e m e n t s , t h em u l t i i n d e x e sd e s i g ns y s t e mi n c o r r e l a t i o nw i t hp a v e m e n tp e r f o r m a n c eh a sb e e nf o u n d e d s e c o n d l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sf o u n d e db a s e do nt h es h r i n k a g em e c h a n i s mo ft h es e m i - r i g i d b a s ea s p h a l tp a v e m e n t s t h es h r i n k i n gs t r e s sa n dc r a c ks p a c ew e r ea n a l y z e d t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sw a s d o n et 0g e tt h ei n f l u e n c er u l e so ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h ew a t e rl o s sr a t e , t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e ，t h el e n g t ho f p a v e m e n t , t h em o d u l u so f b a s e ，w h e t h e rc o n s t r u c t i n gt h es u r f a c el a y e ra n ds oo i l t h ep r e d i c t i o nm o d e l so f t h ec r a c ks p a c ei ns e m i - r i g i db a s eh a v e b e e nf o u n d e db yr e g r e s s i o n c o m b i n i n g t h ef r a c t u r em e c h a n i c sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s , t h eg r o w t hr o l e so f s h r i n k a g ec r a c k i n ga n dm f l e c n v e c r a c k i n gu n d e rt h ee 腩c to f t r a f f i ca n dt h e r m a ll o a d i n gw e r ea n a l y z e d t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so fs t r u c t u r e p a r a m e t e r sw a sd o n et og e tt h ei n f l u e n c er o l e s ；t h ed i s s y m m e t r yr e f l e c t i v ec r a c k i n gw h i c hw a sb r o u g h to n b yt h es l i d eb e t w e o nt h es u r f a c ea n dt h eb a s ew a sa l s oc o n s i d e r e d t h ef a t i g u el i f eo fc r a c k i n gu n d e rt h e e f f e c to ft r a f f i cl o a d i n gh a sb e e nc a l c u l a t e du s i n gt h ea d v a n c e dp a r i sm o d e l t h ep r e d i c t i o nm o d e l so f a n t i - c r a c kf a t i g u el i f ew i t hd i f f e r e n tc r a t i n gc o n d i t i o n si ns e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t sh a v eb e e n f 0 l d c db yo r t h o g o n a lt e s ta n dm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n s a tl a s t , c r e e k - r e s i s t e n td e s i g nm e t h o do ft h es e m i - r i n db a s ea s p h a l tp a v e m e n t sb a s e do l lr e f l e c t i v e c r a c k i n gw a sf o u n d e d i tw i l le s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o nt oc o n s u m m a t eu l t e r i o d yt h ed e s i g nm e t h o do f s e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：t h es e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t ；d e s i g ni n d e x e s ；r e f l e c t i v ec r a c k i n g ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；c r a c ks p a c e ；a n t i - c r a c kf a t i g u el i f e 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： 耋i 趁 日期： 垃 ：丝 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 论文的内容楣一致。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。 研究生躲丝导师签名：j 墅曼坠期：塑! 望 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 截至2 0 0 5 年底，我国公路总里程已经达到1 9 3 0 5 万公里。高速公路通车里程达到4 1 0 万公里，居世界第二位【ij 。其中，大部分高速公路采用沥青混凝土面层，约占总里程的9 0 ， 我国沥青路面随着经济和交通量的发展依次经历了由低级到高级的过程。早期多为碎石路 面；而后是在其上或在石灰稳定粒料上铺渣油表处形成的中低级沥青路面；进入2 0 世纪8 0 年代后，随着交通量的增加，我国沥青路面形式开始采用较优质量、较厚沥青面层和较高强 度的水泥、石灰和耪煤灰稳定粒料( 土) 基层的半刚性基层沥青路面。为了推广这种路面结 构，交通部分别于“七五”和“八五”期间列项重点研究，并取得了很多成果。在此期间，我国 修建的高速公路绝大多数采用了半刚性基层沥青路面，这些路面大多采用较优质的重交通沥 青混合料面层和半刚性基层，沥青面层厚度为9 2 3 e m ，半刚性基层、底基层总厚度介于 4 5 8 0 c m 之间口l 。 由于半刚性基层具有较高的抗压强度和抗压回弹模量，并具有一定的抗弯拉强度，因此 半刚性基层沥青路面的弯沉较小，荷载分布能力较强。另外，由于半刚性基层刚度大，使得 其上的沥青面层弯拉应力相对减少，从而提高了沥青面层抵抗行车的弯拉疲劳破坏能力。半 刚性基层具有很好的力学性能、较好的板体性及整体性，设计优良的半刚性基层能满足高等 级公路“足够的强度、适宜的刚度和耐久性、较小的变形”的技术要求。在当前和今后一段时 间内。半刚性基层沥青路面结构仍是我国高等级路面的主要结构形式。 我国在半刚性基层沥青路面施工、使用等方面积累了大量经验。但工程实践表明，半刚 性基层沥青路面存在着严重的反射裂缝问题，而且这个问题已成为该路面结构的主要缺陷。 反射裂缝i j j ( r e f l e c t i v ec r a c k i n g ) 是指己开裂的旧沥青路面或水泥路面内的裂缝在行车 荷载和温度荷载的反复作用下反射到新加铺面层上形成的裂缝。而对于半刚性基层沥青路 面，反射裂缝特指由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下先产生收缩开裂，而后沿开裂基 层向上方反射到沥青面层而形成的裂缝。 反射裂缝是半刚性基层沥青路面裂缝的主要形式，它破坏了路面结构整体性和连续性， 并在定程度上导致结构强度的削弱( 如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等) 。尤其是随着 雨水或雪水的浸入，导致基层松散，在行车荷载反复作用下，产生冲刷和唧泥现象，引起裂 缝两侧的沥青路面破碎，导致沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。我国每年都 要投入大量资金进行公路养护，其中很大一部分与反射裂缝导致的病害相关。所以有必要对 反射裂缝进行深入研究，从而掌握其形成和扩展机理，并在此基础上提出有效的设计控制指 标。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 现有沥青路面设计方法概述 路面设计总是以保证设计期份析期内路面不发生过量损坏为目标的为了达到这一目 标，各国的道路工作者进行了不懈的努力和艰苦的探索，在不同时期提出了不同设计方法和 设计思路。国内外的沥青路面设计方法，一般可分为经验法和力学一经验法( 理论设计法) 两大类1 4 j 。表1 1 对各种沥青路面设计方法的主要特点和设计指标进行了归纳。 经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构( 结构层组合、厚度和 材料性质) 、荷载( 轴载大小和作用次数) 和路面性能三者间的经验关系。最为著名的经验 设计方法有美国加州承载比( c b r ) 法和美国各州公路和运输工作者协会( 从s h t o ) 法 东南大学硕士论文 表i - 1 沥青路面设计方法 设计方法路面模型损坏模型 设计指标设计程序 疲劳路基表面垂直压应变 ( 沥青层、结合科稳定层) 沥青面层层底水平拉应变s p d m 啪 s h e l l 法多层弹性 车辙 结合料稳定基层水平拉应力 b i s a r ( 路基、路面)路面表面总变形 疲劳( 沥青层) 沥青层底面拉应变 d a m a a i 法多层弹性 车辙( 路基)土基表面压应变c h e v 路面耐用性 a a s h t o 法试验路( 不平整度、裂缝、修扑面路面耐用性指数设计图表 积、车辙) 澳大利亚 疲劳土基顶面压应变 设计指南 多层线弹性( 沥青层、结合料稳定层) 稳定材料层底水平拉应变 c m ( ：i 车辙( 路基)沥青层底水平拉应变 疲劳( 沥青层)沥青层底面拉应变 日本理论法多层弹性车辙( 路基) 土基表面压应变理论计算公式 承载力( 路基)加固处理段土基压应力 法国 疲劳( 沥青、水泥稳定层) 路基表面垂直压应变 a l i z e 典型结构法 多层弹性车辙( 土基) 沥青面层层内水平拉应变 e c o w i n 承泥稳定基层弯拉应力 冻融( 路面)g e l l d 路面冰冻指数 路基表面垂直压应变 南非多层弹性或 疲劳( 沥青层、水泥稳定层)沥青面层层内水平拉应变 路面结构表 力学设计法粘弹性车辙( 路基应变、粒料层) 水泥稳定基层弯拉应力 路面表面总塑性变形 疲劳( 板体层) 俄罗斯 多层弹性 承载力( 路面) 各板体结构层弯拉应力 道路设计法车辙 整个路面结构弯沉值设计诺谟图 ( 路基、中问层、沥青层) 各结构层剪应力 2 0 0 2 疲劳( 沥青层、水泥稳定层)疲劳裂缝数量肌队 力学一经验 多层弹性或车辙( 面层、基层、土基)车辙深度( 多层弹性) 非线性温度裂缝温度裂缝数量d s c 2 d 设计指南 平整度i r i 指数 ( 有限元) 而力学一经验法则是目前国际上沥青路面设计的主流方法。在弹性层状体系理论提出后 的2 0 多年中，该理论并没用得到广泛的应用。直到1 9 6 2 年第一届沥青路面结构设计国际会 议上，壳牌公司提出了力学一经验法设计沥青路面的框架，以弹性层状体系( 三层) 代表路 面结构，计算分析圆形均布轮载作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值，以沥青面层 的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久变形作为沥青路面的主要损坏模式，选用面层底 面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标。这一设计框架 成为随后进行并完成的s h e l l 设计方法的基础，并且大大推动了弹性层状体系理论在沥青路 面设计理论研究中的发展。随后2 0 余年内，各国研究人员对力学一经验法进行了大量、深 入的研究工作，在路面结构的多层弹性体系和粘弹性体系解、损坏模式、设计方法、材料特 性、损坏( 疲劳、车辙、低温断裂) 特性、轴载作用、环境( 温度和湿度) 影响等方面取得 了丰硕的成果，陆续推出了一系列的力学一经验设计法，如美国沥青协会的a i 法、南非的 2 第一章绪论 n i t r r 法、法国的l p c 法、英国的诺丁汉大学设计法以及美国的联邦公路局设计法，并且 研制出了一些著名的设计程序，如b 1 s a r 、c h e v 、e l s y m 等。 随着有限元方法开始应用到路面的荷载响应分析，设计方法中开始考虑粒料材科的非线 性响应问题，从而能够更加合理的给出弹性层状体系或粘弹性体系的非线性响应。其中最著 名的有限元软件是8 0 年代美国国家公路合作研究计划( n c h i 潆) 提出的i l l l - - p a v e 非线 性路面分析程序9 1 。 最近，n c h r p l 3 7 a 研究项目推出了令人瞩目的2 0 0 2 力学一经验设计指南研。此设计 指南的目的是为新建和修复的公路工程提供基于力学一经验原理的与实际情况一致的设计 工具。2 0 0 2m - e 设计指南通过力学经验法计算路面的响应，运用l 1 1 p p 数据进行回归验证， 建立了路面的几种关键破坏形式和平整度的预测模型，得到使用期末的路面性能是否满足性 能标准要求，从而确定路面结构的设计方案。 1 2 2 半刚性基层沥青路面反射裂缝研究 ， 半刚性基层沥青路面反射裂缝首先由基层收缩引起，并在行车荷载或温度荷载作用下传 播到面层顶部。 国内外大量针对半刚性基层本身收缩开裂的研究工作都集中在基层材料收缩性能、微观 机理分析以及防裂措施方面上。而关于半刚性基层结构内收缩应力以及收缩开裂间距发展规 律的理论研究则较少，主要有：孙同波1 7 1 等人通过试验研究了2 种主要半刚性基层材料的失 水收缩特性和间接拉伸强度，并运用基层板体的收缩摩擦模型定量地分析了施工养护期间半 刚性基层的干缩裂缝发展过程及空间分布情况；施为民p 等人从研究裂缝的分布入手，运用 弹性理论及混凝土强度理论推导了水稳碎石温度应力裂缝间距的计算公式。 针对半刚性基层沥青路面中的反射裂缝问题，国内外在对沥青路面结构进行大规模试验 的同时，理论分析研究也在同步进行。近十几年来，随着研究的不断深入和计算手段的逐步 提高，先后出现了一些用于分析沥青面层内的应力、应变分布及反射裂缝扩展过程的方法。 其中应用断裂力学分析反射裂缝问题，概念简单明确，具有较好地应用前景。这些方法大致 可分为四类：静力学分析方法、有限元分析方法、断裂力学+ 有限元分析方法和钝滞断裂带 + 有限元分析方法9 1 。 应用断裂力学的概念能很好地解释反射裂缝的扩展问题。自从上世纪七十年代中期 m a j d z a d e h 0 0 l 首先将断裂力学原理与方法引入路面研究领域以来，应用断裂力学原理研究路 面结构的开裂问题，在国内外都开展了一定的研究工作。国外的研究工作概括起来有如下四 个方面1 9 1 ：( 1 ) 应用断裂力学原理分析夹层类措施的防反机理。1 9 8 0 年m o n i s m i t h 应用断裂 力学原理定性地分析了夹层类措施( s a m i 、土工织物等) 防治反射裂缝的机理。( 2 ) 通过 试验测定沥青混合料本身的断裂参数( 断裂韧性、a 、n 等) 。s a l a m 通过带缺口的梁式试件 弯曲试验，研究了沥青混合料的断裂韧性；m o l e n a a r 及其课题组成员通过大量的室内试验 研究了沥青混合料的粘弹性断裂参数。( 3 ) 分析沥青面层内的应力强度因子。1 9 7 6 年l y t t o n 等人应用线粘弹性断裂力学研究了沥青路面温度型反射裂缝；荷兰d e l f t 大学的s c a r e p s 等 人开发了专门用于分析带裂缝的沥青罩面层应力强度因子的程序c a p a 。( 4 ) 预估裂缝在沥 青面层中的扩展寿命。1 9 8 7 年j a y a w i c k r a m a 运用断裂力学与弹性地基梁理论，并结合裂缝 扩展的p a r i s 定律，预估了沥青罩面的寿命；1 9 9 3 年l y t t o n 等人在s h r p 计划沥青路面性能 预估模型的研究中，在分析沥青路面的开裂( 低温开裂，疲劳开裂) 问题时，都应用了断裂 力学原理。j 国内在这方面的研究起步较晚，也相对较少，主要集中在长沙交通学院的张起森及其课 题组【j j ，其主要研究工作包括：( 1 ) 应用线弹性以及界面断裂力学和平面有限元模型研究了 沥青罩面层内的应力强度因子，并据此讨论了夹层类措施的防反效果；( 2 ) 通过带裂缝梁的 纯弯曲试验，研究了沥青混合料的热粘弹性断裂参数；( 3 ) 通过三维光弹试验研究了带裂缝 3 东南大学颤士论文 的半刚性基层沥青面层内的应力场分布情况及裂缝尖端的应力强度。 1 3 研究内容、目的和意义 目前高等级公路沥青路面的反射裂缝破坏较为严重，直接影响到路面的使用寿命。所以 深入研究半刚性基层沥青路面的开裂机理，重新审视其设计理念，针对路面病害情况，确定 路面结构的反射裂缝控制指标，优化路面结构设计方法，使其更能反映实际路用性能，对于 促进我国公路交通基础设施的长期健康发展具有十分重要的实际意义。 本文在调查国内外大量研究成果和参考文献的基础上，对半刚性基层沥青路面反射裂缝 控制指标进行了系统的研究，研究内容主要包括： ( 1 ) 初步建立基于路面使用性能的半剐性基层沥青路面多指标设计体系框架： ( 2 ) 建立半刚性基层收缩( 包括干、温缩综合作用) 开裂间距的预估模型； ( 3 ) 分析基层收缩裂缝和面层反射裂缝的扩展规律，并建立不同基层开裂条件下半剐性基层 沥青路面抗裂疲劳寿命的预估模型； n ( 4 ) 提出半刚性基层沥青路面结构抗裂设计方法。 1 4 研究技术路线 本文研究的技术路线如下： ( 1 ) 国内外相关研究状况的调研 查阅国内外沥青路面结构设计的文献资料和相关技术规范，调查半刚性基层沥青路面实 际路用状况，广泛了解各种理论分析方法以及有限元方法在路面工程中的应用。 ( 2 ) 半刚性基层沥青路面结构控制指标研究 分析我国沥青路面设计体系的不足之处，根据路面实体工程使用性能的调研结果，建立 以反射裂缝、车辙、温度裂缝、基层收缩开裂为控制指标的半刚性基层沥青路面的设计体系 框架。 ( 3 ) 半刚性基层收缩开裂分析 根据半刚性基层收缩机理，建立有限元计算模型，分别分析失水率、温差、路面长度、 基层模量、是否加铺面层等主要因素对结构内收缩应力和开裂间距的影响规律，并回归得到 半刚性基层收缩开裂间距的预估模型 ( 4 ) 裂缝扩展分析 采用基于断裂力学的有限元方法，分析在行车荷载以及温度荷载作用下基层收缩裂缝和 面层反射裂缝( 包括层间滑动时产生的不对应裂缝) 的扩展规律，并研究不同结构参数对其 的影响规律，根据改进的p a r i s 模型计算裂缝扩展寿命，最终通过正交设计和多元线性回归 得到不同基层开裂条件下半刚性基层沥青路面抗裂疲劳寿命的预估模型。 ( 5 ) 半刚性基层沥青路面抗裂设计 依照多指标设计体系，提出半刚性基层沥青路面结构抗裂设计方法，并以一设计实例具 体说明路面结构的抗裂设计过程。 4 第二章半刚性基层沥青路面结构设计的控制指标 第二章半刚性基层沥青路面结构设计的控制指标 半刚性基层具有整体强度高、稳定性好、板体性强以及经济等特点，被广泛用于修建高 等级公路沥青路面的基层或底基层，在今后很长一段时间内半刚性基层沥青路面仍将是我国 道路的主要路面结构形式。目前高等级公路沥青路面早期破坏严重，按现行沥青路面设计规 范( j t j0 1 4 9 7 ) 无法对此做出准确可靠的评价因此路面结构设计控制指标和方法有待 深入研究，以适应交通发展的需要。本章对我国现行沥青路面设计规范进行了评价，指出其 不足之处；针对半刚性基层沥青路面的受力特征，结合路面的实际病害情况，提出了基于路 面使用性能的半刚性基层沥青路面多指标设计体系框架。 2 1 半刚性基层路面结构的应力特征 在行车荷载的作用下，半刚性基层沥青路面的应力分布状况与柔性路面以及刚性路面不 同，有着其自身的特点。为了研究半刚性基层沥青路面的结构设计指标，首先要对半刚性基 层沥青路面结构的荷载应力进行分析，了解面层、基层以及底基层各自的应力状况，以便于 根据不同层位的受力特征进行有针对性的路面结构和材科设计。 以弹性层状体系为基础，分析在标准轴载( b z z - 1 0 0 ) 作用下，不同基层沥青路面结构 的力学响应。为了方便比较，参照江苏省交通科学研究项目一“长久性路面的研究”课题的试 验路对比研究，应力计算时选取了如表2 - i 所示的四种典型的路面结构组合i l ”，分别代表柔 性基层沥青路面、半刚性基层路匾、组合式基层沥青路面以及刚性基层沥青路匾，路面结构 总厚度均为7 6 c m 。 i 表2 - 1 不同基层沥青路面的结构组合 柔性路面 半刚性基层沥青路面组合式路面刚性摹层路面 沥青混凝土 沥青混凝土沥青混凝土沥青混凝土 1 8 c r a ，1 8 0 0 a1 8 c m ，1 8 0 0 m 咿a1 8 ，1 8 0 0 m p a l o c m ，1 8 0 0 a 沥青碎石水泥稳定碎石沥青碎石水泥棍凝土 2 7 c m 。1 0 0 0 m a3 8 c m ，4 0 0 帅a7 c m 。1 0 0 0 a2 6 c m ，3 3 0 0 0 m p a 级配碎石二灰土级配碎石水泥稳定碎石 1 6 c m 5 0 0 h i p a2 0 c m 。t 0 0 0 m p a| s c r n ，5 0 0 m 2 0 c r a 4 0 0 0 m 咿a 二灰土 水泥稳定碎石二灰土 1 5 c m 。1 0 0 0 h 口a1 6 c m ，4 0 0 0 加p a2 0 c m 。i 0 0 0 m 田a 二灰土 2 0 c m ，1 0 0 0 ! 氇 2 1 1 土基内压应力 铺筑路面结构层的作用之一就是扩散车轮荷载，减少路基内的应力值，防止路基产生过 量塑性变形，从而导致路面结构破坏。图2 1 为不同基层结构沥青路面土基内的压应力分布。 从图中可以看出。随着土基深度的增加，土基内受到的压应力迅速减小；且随着基层剐度的 增大，压应力逐渐减小。由于土基的塑性变形一般与其竖向压应力成正比，所以半刚性基层 沥青路面内土基的永久变形比柔性路面要小得多，这也是半刚性基层沥青路面的一大优势。 2 1 2 路表弯沉 路表弯沉是路基和路面结构层不同深度处竖肉变形的总和。图2 - 2 为不同基层结构沥青 路面路表弯沉的分布。可以看出，随着基层刚度的增加，路表的弯沉值不断减小即路面的 承载能力不断增强。在荷载中心处，半刚性基层与柔性基层沥青路面的路表弯沉值之比为 5 东南大学硕士论文 0 7 7 ；随着计算点向外偏移，两者差值逐渐减小；到了远离荷载中心3 m 处，柔性路面的弯 沉甚至大于半剐性基层沥青路面。说明半剐性基层的荷载扩散能力较强，荷载影响半径较大。 2 1 3 水平向应力 沥青路面结构内的水平向应力性质以及分布状态直接与路面疲劳性能相关。图2 3 为不 同基层结构沥青路面水平向应力随深度的分布规律。从图中可以发现，随着基层刚度由小到 大，基层内承担的荷载应力比重逐渐增加，表现为沥青面层内压应力越来越小，基层内的拉 应力不断增大。通过分析与疲劳性能密切相关的层底拉应力指标，可以看出半刚性基层沥青 路面面层整体都受压，所以路面结构只需考虑基层的疲劳寿命。 2 1 4 面层内剪应力 车轮荷载引起的路表面最大剪应力超过面层材葶斗的抗剪强度时，路面将产生各种剪切变 形，形成波浪、车辙、拥包等病害，从而降低路面的使用性能。图2 - 4 为不同基层结构沥青 路面面层内剪应力分布情况。面层内剪应力沿深度方向呈现先增加后减小的趋势，在路表下 3 6 c m 深度处出现最大值，这也从力学角度解释了沥青层内车辙病害主要发生在中面层的 现象。随着基层刚度的增大，沥青层内的剪应力逐渐降低，产生车辙的可能性不断减小。在 几种不同基层的路面结构中，半刚性基层沥青路面的抗车辙能力较强，尤其在中下面层表现 更为明显。 图2 - i 土基顶面压应力分布 水平向应力( 坤a ) - o8- 0 6 0 4- 0 2 o oo 2 0 4 一飞 亏 l 3 锥 摄 糖 瞽 蝴 卅 蛀 距葡袭中心位置( i ) - i - 3- 2- iol234 一蚕l o o 垂|；|一yj。- o l 一柔性基层) 歹) 3o 嘶+ 半刚性基层 7 二 稚嚣 ：；滋层 密0 1 2 一 畦o m ￥ 0 1 0 1 6 8 篚 图2 - 3 水平向应力分布图2 - 4 面层内剪应力分布 2 2 我国现行沥青路面设计规范评述 我国对沥青路面设计方法研究的历史并不长。从1 9 5 8 年交通部制定了路面设计规范 6 一啊)蕾盟群齿硪 呻_心” 第二章半刚性基层沥青路面结构设计的控制指标 ( 草案) 之后，随着我国高速公路建设的发展和公路建设水平的提高，经过几十年的广泛 研究，我国的沥青路面设计方法得到逐步的完善。现行的沥青路面设计规范为公路沥青路 面设计规范( j t j0 1 4 - - 9 7 ) t 2 墚用的主要路面结构控制指标为路表弯沉值和各结构层层底 拉应力。 2 2 1 设计指标分析 1 路表弯沉 现行规范以路表弯沉为主要设计指标，路面厚度计算是根据多层弹性理论、层问接触条 件为完全连续体系时，在双圆均布荷载作用下，轮隙中心处实测路面弯沉值等于设计弯沉值 为原则，力学模型如图2 - 5 所示 k bcde e 2 h l 卜1 e n - i e o = e o 图2 5 计算图式 而经国内学者大量研究发现，以弯沉为设计指标存在以下的问题 1 3 - 1 5 ： 许多高速公路在竣工验收时路表弯沉经常不大于1 0 ( 0 0 1 r a m ) ，平均值一般为5 6 ( o 0 1 m m ) ，远远小于路面的设计弯沉2 0 3 0 ( o 0 1 m m ) ，但是短短几年内就发生严重 的早期损坏，此时弯沉却并不大，往往小于设计弯沉，说明弯沉与路面破坏并不是非常 对应，以弯沉为设计标准的方法对半刚性基层沥青路面已失去控制意义。 对于同一种路面结构，路表弯沉值的大小可以反映出路面结构的抗变形能力，路表弯沉 值小的路面结构具有较大的承载能力和较长的使用寿命。因而，可依据相同的破坏标准 判断其承载能力。但对于不同种类的路面结构，路表弯沉值大的路面结构，其承载能力 或使用寿命并不一定会比路表弯沉值小的路面结构差；反之亦然。因而，不能仅依据这 一指标值来判断路面结构的承载能力，或者比较出不同路面结构承载能力的高低。 采用路表弯沉值作为设计指标的基本观点认为，路面破坏是由于变形所引起的，即路面 结构的总变形量达到一定程度后路面即出现破坏。然而，路面是一种多层结构，各层结 构具有不同的几何和力学属性。路面结构的损坏，既可能是由于某一组成部分或整个结 构的过量塑性变形引起，也可能起因于结构层内某处的应力或应变量超出了该处材料的 疲劳强度或疲劳应变值。重复荷载和环境因素的继续作用，使该破坏点不断延伸、扩展， 路面结构便随之出现不同形态的破坏，反映到路表，表现出较大的变形。而路表弯沉是 一项综合性、表观性的指标。无法与具有多种破坏类型和破坏标准的不同路面结构建立 起统一，协调和稳定的关联。 8 0 年代末，交通部重庆公路科研所通过半刚性基层材料环道试验研究认为，若基层厚 度大于2 0 c m ，路表弯沉在经受i 护次荷载作用后基本趋于稳定。1 9 9 8 年4 月、1 9 9 9 年 5 月交通部公路科研所进行的试验路加载试验也表明，对于不同厚度不同材料的半刚性 基层，在不同级别的轴载作用下产生的路表弯沉在经历1 0 次作用后基本不再变化。即 使在l o 次作用以内，弯沉的变化规律也不明显。另外，沥青混凝土的变形量不仅受外 7 东南大学硕士论文 力荷载作用，还与所处的环境温度以及荷载作用时间有关。因此半刚性基层条件下沥青 路面的路表弯沉值无法反映荷载疲劳作用效果。 1路表弯沉指标无法控制沥青面层底部或半刚性基层底面的疲劳开裂破坏。那么，使用路 表弯沉指标的主要目的，只剩下控制路基或路基和粒料层的变形量了。然而，由于路表 弯沉量中包含了面层和基层的变形量，随着结构组合和材料类型的不同，路基或路基和 粒料层的变形量在路表弯沉量中所占的比重有所不同，很难定出一个合适的路表弯沉指 标值来控制路基或路基和粒料层的变形量。 )路面结构设计以弯沉作为最主要的指标，甚至是唯一的指标。使基层强度越来越强，造 成对基层材料设计的误导。一些破坏的路面原来弯沉并不大，本来似乎不应该破坏，但 过高的基层强度更容易因为干缩、温缩产生裂缝，水渗入基层、路基，弯沉又会变得很 大。 2 层底拉应力 现行规范规定，对高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、底 基层应进行拉应力验算。 我国高等级沥青路面半刚性基层多采用二灰碎石或水泥稳定碎石等材料，整体性和刚 度、强度都超过面层是主要的承重层，面层只起到传递和扩散荷载的作用。通常情况下我 们认为面层和基层间的接触条件为完全连续，可将这两层结构近似看作一层组合结构来分 析。由于垫层和土基的模量较低，在竖向荷载作用下，组合结构层内部存在一个中性面，中 性面以上各点受压，以下各点受拉( 如图2 - 6 ) 。面层厚度通常较薄，一般不超过1 8e m ， 基层厚度则一般不低于2 0c m ，且基层模量多数情况下更大，因此两者组合的中性面位置应 处于基层范围内，整个面层处于中性面以上，各点应当受压，整个面层结构在任意级别荷载 作用下，底面极少出现拉应力状况，沥青面层拉应力验算指标实际上在设计时不起作用。 沥青面层e lh l 半刚性基层e 2h 2 e l e 2 ，h i ：p ( 3 1 2 ) 形成整体刚度矩阵 置q = p ( 3 1 3 ) ( 4 ) 处理边界条件并且求解结点位移： ( 5 ) 求解单元内的应变、应力 3 2 2 温度应力求解方法 在有限元计算中，由温度场变化而产生的温度应力属于热一结构耦合问题，处理的方法 一般有直接耦合和间接耦合两种。本文使用的是间接耦合法，一般步骤为： ( 1 ) 先进行热分析，确定路面结构内的温度场分布； ( 2 ) 再进行结构分析，将上一步计算得到的路面温度场施加到结构模型上来，同时设置进行 结构计算所需施加的荷载和约束条件，求解即可。 3 2 3 基本假定 有限元模型中采用了以下的假定： ( 1 ) 各结构层均由均质、各向同性的线弹性材料组成，不考虑材料应力松弛的影响； ( 2 ) 收缩应变在水平方向均匀分布，可简化为平面应变问题； ( 3 ) 不计路面结构自重的影响。 为了方便计算，干缩应变的产生可以通过降低温度来模拟，见式3 1 4 。 占= - a w = t ：t t a t ( 3 1 4 ) 式中，p 应变；千缩系数，l o ；d r 温缩系数，1 0 ；弘一降温幅度， a m 一失水率，。 3 2 4 层间接触摩擦 - 固3 - 2 摩擦模式 由于半刚性基层收缩变形受到下层摩阻约束才会产生收缩应力，所以基层与底基层的 粘结状态对收缩应力影响很大。有限元模型中层间接触采用基本的库仑摩擦模型1 2 “，即两 个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生。这种状态 称为粘合状态( s t i c k ) 。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力“在这里表面滑动是接触压力 ，的函数： 1 6 第三章半刚性基层收缩开裂分析 f = 妒+ 艇( 3 1 5 ) 式中：一材料属性中定义的摩擦系数；c o h e - - 粘聚滑动阻力。 旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动，这种状态，即为滑动状态 ( s l i d i n g ) 。粘合和滑动的判断决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态，或从滑动状态 变到粘合状态，如图3 - 2 所示 3 2 5 温度场模型 半刚性基层在养生期间，主要受昼夜温差的影响，由于日温差变化周期较短，在路面厚 度范围内呈不均匀变化，从而在结构体内形成温度梯度，产生翘曲应力，其最大值出现在基 层表面。路面结构中的温度变化幅值随着深度逐渐减小，本文采用指数函数来模拟路面降温 后结构内的温度场分布【2 ”，如式3 1 6 3 1 7 所示。 f 只p 一0 y s h r “】，) = b p b o “ 矗，h + g ( 3 1 6 ) 1 只e b o 。扣1 ) 矗+ g s y 9 0 ，r m s e o 1 ) ，且通过了，检验 ( p r 。0 0 1 ) 和c h i - s q u a r e ( f w 2 。0 0 5 ) 检验。从图3 - 2 2 中也可以看出回归公式与有限元 计算结果有较高的匹配性，满足预估的精度要求。 1 0 0 0 露8 0 0 鼍6 0 0 套4 0 0 毪 杠2 0 0簪荨= = = = = = = ： 翟繁 0 2 0 04 0 06 0 01 1 0 0 回归公式计算值( 次) ( a ) 不考虑可靠度 图3 - 2 2 1 0 0 0 露8 0 0 嚣6 0 0 套4 0 0 噬 杠2 0 0 o l o o o 0 2 0 04 0 06 0 0 8 0 01 0 0 0 回归公式计算值( 次) ( b ) 考虑粥可靠度 回归公式计算值验证 ：至堡查竺堡主丝苎 3 6 本章小结 根据半刚性基层收缩机理，建立有限元计算模型，对半刚性基层的收缩应力和开裂间距 进行了分析，得到如下结论： ( 1 ) 在水平方向上，干缩应力和温缩应力最大值均出现在结构中轴处，由中轴向自由端逐渐 减小，且l 临近端部处下降迅速。在厚度方向上，干缩应力最大值出现在基层底部，但是 应力沿厚度方向变化较小；温度应力最大值出现在基层表面，且随深度线性减小。 ( 2 ) 失水率和温差均与收缩应力呈线性正比关系；增大失水率或温差，收缩开裂间距急剧减 小，但趋势逐渐变缓。 ( 3 ) 干缩