（道路与铁道工程专业论文）柔性基层沥青路面TopDown开裂机理研究.pdf

摘要 针对柔性基层沥青路面t o p d o w n 裂缝，结合我国柔性基层沥青路面的工程实践， 对轮胎路面交互作用下的柔性基层沥青路面结构进行力学分析，研究其受力状况和温 度状况，揭示沥青路面t o p d o w n 开裂机理，探讨减缓t 叩d o w n 开裂的措施与方法。 研究子午线轮胎的构造和传力机制，根据实际轮胎路面接触应力，将接触区域简 化为五个长度和宽度一定的矩形区域，结合子午线轮胎“泊松效应 ，将轮胎路面接触 应力简化为垂直、横向和纵向接触应力，采用有限元软件a b a q u s ，建立三维非线性 轮胎路面三向接触应力有限元模型，计算及分析表明：柔性基层沥青路面的受力机制 导致其容易产生t o p d o 、釉开裂；面层厚度大于1 5 锄，面层基层模量比大于4 的路面 结构，有助于减缓t 0 p d o w n 开裂；轮组数量多、负载小、胎压介于0 6 0 8 m p a 的行车 荷载，可以减缓t 0 p d o w n 开裂的发生和发展；层间接触状况良好的路面结构，整体受 力，有利于力的传递，可降低t 0 p d o w n 开裂的几率，并运用数理统计方法，分析不同 因素对t 0 p d o 、釉开裂影响的显著性。 以柔性基层沥青路面的横断面作为研究对象，采用a b a q u s 有限元程序，建立沥 青面层预含不同深度t o p d o w n 初始裂缝的二维有限元模型，研究不同降温幅度对沥青 面层的力学影响，结果表明：轮胎路面反复作用后存在微裂纹的沥青路面，在急剧的 降温及升温循环过程中可能导致面层产生t o p d 0 w n 裂缝；在降温过程中，路面结构不 同深度处，路表应力最大，随着深度的增加，m i s e s 应力和拉应力逐渐减小；初始裂缝 深度越长，降温过程中应力强度因子k i 越大，也就越容易开裂；随着降温幅度的增加， 拉应力、应力强度因子k i 均迅速增加，t 0 p d o w n 裂缝的发展速度也就越快。 综合轮胎路面接触应力、温度、路面结构和材料特性，可以得出：荷载型裂缝开 裂初期呈现v 字形，裂缝竖直向下发展，这是路表拉应力反复作用下的第一阶段i 型张 开型疲劳裂缝。第二阶段，裂缝发展至路表下5 一1 0 c m 左右后与竖直方向成一定角度斜 向发展，这是由于剪应力随着深度的增加逐渐增加，在路表下5 1 0 c m 处出现最大值， 这时剪应力成为t o p d o w n 发展的主要诱因，所以第二阶段为i i 型剪切型裂缝；温度应 力引发的是i 型张开型裂缝。 关键词：t 0 p d o w n 开裂、柔性基层、轮胎沥青路面接触应力、有限元、温度场、 m i s e s 应力、剪应力、拉应力、应力强度因子，方差 a b s t r a c t b a s e do nt h es t m c t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hf l e x i b l eb a s ei nc h i n a ，t h em e c h a n i c a l m o d e lo fa s p h a l tp a v e m e n ts t l l l c t u r ei n f l u e n c e do nt i r e - a s p h a l tp a v e m e n ti n t e r a c t i o nw a ss e t u pt os p e c i f yt h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft b p - d o w nc r a c k i n g 柚ds e a r c hf o rm e a s u r e si n p r e v e n t i o na n dc u r e1 o p d o w nc r a c k s b a s e do nt h er e a lt i r e - a s p h a l tp a v e m e n tc o n t a c ts t r e s s ，t h es t l l l c t u r ea n dl o a dt 砌s f e r m e c h a n i s m so fr a d i a l t i r e ，t i r e - a s p h a l tp a v e m e n tc o n t a c ta r e aw a sp a n i t i o nt of i v er e c t a n 醇e s b a s e do nt h ep o i s s o ne f f e c to ft h er a d i a lt i r et r e a d ss t r u c t u r e ，t i r e - a s p h a l tp a v e m e n tc o n t a c t s t r c s sw a sp r e d i g e s t e dt ot h ev e r t i c a lc o n t a c ts t r e s s ，t h et r a n s v e r s ec o n l a c ts t r e s s ( p e r p e n d i c u l a r t ot h et i r et r a v e l i n gd i r e c t i o n ) ，t h el o n 西t u d i n a lc o n t a c ts t r e s s ( p a r a l l e lt ot h et i r et r a v e l i n g d i r e c t i o n ) t 1 l r e e - d i m e n s i o n a l n o n l i n e a u rm o d e l sw e r es e tu pi na b a q u st os i m u l a t e t i r e a s p h a l ti i l t e r a c t i o n t 1 1 en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h em e c h a n i c a lr e s p o n s e r e s u l ti i l1 o p d o w nc r a c l 【i n gi nt h es t m c t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hf l e x i b l eb a s e ；a c s u i f a c et h i c k n e s se x c e e d1 5 c m ，t h em o d u l u sr a t i o sb e t w e e na cs u r f a u c ea n db a s el e s st h a n4 ， t h ep a v e m e n ts t l l l c t u r ei sb e n e f i c i a lt op r e v e n tt b p - d o w nc r a c l 【i n g ；s m a uw h e e ll o a d ，m o r e w h e e ln u m b e r ，i n n a t i 佃p r e s s u r cb e 咐e e no 6 - o 8 m p aa n dc o n t i n u o u si n t e r l a y e rc 0 n t a c t ( b n d i t i o n sa r ea d v a n t a g ef a c t o r sf o rp r e v e n t i o no ft b p d o w nc r a c k s a ne x p l o r a t i o no f r e l a t i o nb e t w e e na b o v ep a r 锄e t e r sa n dt b p d o 、v nc r a c l 【i n gw i t ht h em a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s m e t h o di sa n a l y z e d 7 r i w o d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rm o d e l sw e r es e tu pi na b a q u st os i m u l a t et b p - d o w n 1 0 w - t e m p e r a t u r ec r a c k i n go fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hf l e x i b l eb a s e ，s t u d y0 nt b p - d o w nc r a c k 丘a c t u r el e n 舀h 觚dt e m p e r a t u r ed r o pr a i l g e ，t h en u m e r i c a la i l a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t心e r c o o l i n gp r o c e s s ，a s p h a l tp a v e m e n tw i t hm i c r o c r a c k sc a u s et b p - d o w nc r a c j 【i l l g ；i i lc o o l i n g p r o c e s s ，t e n s i l es t r e s sa ts u r f a c ei st h eb i g g e s ti np a v e m e n t ；m i s e ss t r e s sa i l dt e n s i l cs t r e s s g r a d u a l l yr e d u c ew i t ht h ed e p t hj n c r e a s e d t 1 l e1 0 n g e rt h ej n j t i a lc i a c kd e p t h ，t h eg r e a t e rt h e s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r i nc o o l i n gp r o c e s s ，t h ee a s i e rt o p - d 0 w nc r a c k i n g w i t hi n c r e a s e c o o l i n gr a t e ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk ia u r er a p i d l yi n c r e a s i n g ，t 0 p - d o w nc r a c k sd e v e l o pw i l l s 0 0 n e l b a s e d0 nt i r c - p a v e m e n tc o n t a c ts t r e s s ，t e m p e r a t u r e ，p a v e m e n ts t t l j c t u r ea n dm a t e r i a l p r o p e n i e s ，t h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n i t i a lo fl o a d - c a u s e dt o p d o w n c r a c k ss h o wv - s h a p e ；t o p d o w nc r a c k sw h i c hd e v e l o pa l o n gv e r t i c a ld i r e c t i o n ，i sf a t i g u e c i i a c k si nt h ef i r s ts t e p ；1 1 1t h es e c o n ds t e p ，w h e nt b p 一【岫、v l lc r a c kd e v e l o p e du n d e rt h es u r f h c e a b o u t5 1 0 c m ，t h ed i r e c t i o no ft o p d o w nc r a c k sh a v eac e n a i n0 b l i q u ea n g l ew i t hv ，e r t i c a l d i r e c t i o n a tt h ed e p t ho f5 1 0 c m ，s h e a rs t r e s sw h i c ha c h i e v et h e 伊e a t e s t ，t u mi n t ot h em a j o r i n c e n t i v e ；t e m p e r a t u r ec r a c ki si t y p ec r a c k k e yw o r d s ：t o p - d o w nc r a c k i n g ； f l e x i b l eb a s e ； f i n i t ee l e m e n t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； s t r e s sj n t e n s i t yf a c t o r ：v a r j a n c e t i r e - a s p h a l tp a v e m e n tc o n t a c ts t r e s s ； m i s e ss t r e s s ：s h e a rs t r e s s ； t e n s i l es t r e s s ； 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者繇茹吁 p 辟占月，日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 做作者躲瑚 p3 年月朋 导师签名：面。名广一 口昌年歹月厂日 1 k 安大学硕一l 学位论文 1 1研究的目的和意义 第一章绪论弟一早珀v 匕 随着我国国民经济的快速稳步发展，交通的需求日益增长，我国的公路交通事业得 到了迅猛发展。至2 0 0 7 年1 2 月底，大陆高速公路总里程已达5 4 万公里，居世界第二 位。据2 0 0 4 年1 2 月1 7 日经国务院审议通过的国家高速公路网规划，在未来的2 0 年内，我国公路建设的年均投资将超过1 0 0 0 亿人民币。到2 0 2 0 年，高速公路总里程将 达到8 2 万公里，可以覆盖1 0 多亿人口，接近美国高速公路的规模。 在我国乃至全世界范围内，沥青路面以其优良的使用品质成为高速公路采用的主要 路面类型。按路面结构类型划分，沥青路面的基层类型可分为半刚性基层与柔性基层两 大类。目前，我国约8 0 以上的高等级公路采用的是半刚性基层。半刚性基层路面结构 的特点是采用较厚的半刚性材料作基层，较薄的沥青混凝土材料作面层。这种“强基薄 面”的指导思想在过去曾经较成功地指导了我国的公路工程建设。然而，随着我国高等 级、重交通高速公路的建设与发展，半刚性基层沥青路面的诸多缺点开始逐渐体现。沥 青路面的设计寿命通常为1 5 年，在国外，由于交通量的增加及环境等方面因素的影响， 大多数路面的实际使用寿命为1 0 1 2 年，少数为5 1 0 年。而在我国，沥青路面的早 期破坏极为严重，一些高速公路的沥青路面在通车后1 3 年内就出现了较大面积的早 期破坏。这使我国有限的基础建设投资并未得到充分有效地利用，产生了不好的社会影 响。为什么在国外许多国家运用得非常成功的沥青路面在我国出现了这么严重的问题， 固然与我国的施工水平、超载超限有一定关系，同时与高速公路中的半刚性基层材料的 固有性质有着密切地联系。 由于半刚性基层的固有特点，将不可避免地发生干缩与温缩现象，从而容易产生裂 缝。产生裂缝后，半刚性基层的整体性能下降，承载力降低，使得路面难以达到设计的 要求。同时，由于基层裂缝的产生，在沥青面层内部特别容易产生自下而上的反射裂缝 ( r e f l e c t i v ec r a c k i n g ) ，从而导致沥青面层的破坏。面层出现开裂破坏后，沥青路面在 降雨后雨水将进入路面结构内部，由于半刚性基层内部排水性极差，雨水进入路面结构 内部很难顺利排出，从而导致沥青路面结构的唧泥、泵浆、松散、坑槽等水损坏现象发 生，使路面材料的强度基本丧失。由于半刚性基层的破坏形式多为自下而上( d o w n t o p ) 的破坏，维修基层时需翻开面层，维修极为困难，且工程量大、工期长、维修资金大严 重影响正常的道路交通运行。 目前，美国、奉、欧洲各国高等级路面的结构彤式多采用柔性基层； ! f j 青路面。我 圈诸多学者也开始对统一采用半刚性基层这做法提出置疑，并倡导逐步采用朵性基层 沥青路面。现在我田部分省市已经开始对柔性基层沥青路面在高速公路中的应用进行积 极地探索与实践，相信在不久的将来，将出现越束越多的柔眭基层沥青路面。 然而，在各国柔性基层沥青路面的实践中，另一种自上而下( t o dd o w n ) 的沥青 路面裂缝普遍发生，并成为沥青路面病害的主要形式( 如图l1 、12 、13 ) 。在美国华 盛顿州的5 1 3 公里的州际公路上，出现自上而下裂缝( t d c ) 的路段就长达2 5 9 k m ，占 公路总罩程的5 l ，科罗拉多州，钻取芯样表明，在2 5 处出现路面纵向裂缝的路段中， 就柏1 8 处的裂缝为t 0 p d o w n 裂缝，占7 2 ；佛罗里达交通厅的实地调查表明，在该 州急需维修的路段中，t 0 p d o w n 裂缝占9 0 之多。日本、法国、南非、荷兰、肯尼亚 等国家，沥青路面的t o p d o w n 裂缝也极为严重，是柔性基层沥青路面的主要破坏形式 之一。 与半刚性基层沥青路面普遍发生的反射裂缝相比，t o p d o w n 裂缝在维修时仅需要 对路面的表层进行养护维修，不需要扰动基层，凼而维修较为方便。但是，路面出现 t b p d o w n 裂缝之后，其承载力将会降低，同时裂缝旱上大下小的v 字型发育，雨水容 易渗入路面结构内部，从而导致沥青路面材料的松散、剥落，路面出现坑槽，路面强度 大大降低。沥青路面的t 0 p d o w n 裂缝成为其它多种路面病害的诱因与条件。鉴于 t b p d o w n 裂缝的巨大危害，美国各州( 诸如密西根州、佛罗里达州、明尼苏达州等) 与世界各国纷纷对沥青路面的1 却一d d w n 裂缝进行立项并展开研究。 麓 图ll 沥青路面t o pd 。州裂缝的分布 * 安太学碗学位沧文 蚓 ：鲎蓥签兰兰囊篓耋萋：! 誓譬謦雷警 图12 沥青路面t 凹州裂缝修补后 圈1 3 裂缝处的钻蕊试件 我国现在逐渐会使用柔性基层沥青路面，本着“防忠于未然、工程实践要进行，理 论研究应先行”的原则，迫切地需要对柔性基层沥青路面的t o p - d o w n 裂缝的成困机制 及发展模式进行先期的研究，并提出有效地防止t o p d o w n 裂缝的相关措施。然而，国 内对此类研究的相关报道较少。只有通过对t 0 p d o w n 裂缝的成困机制及其影响因素进 行系统研究，才能在防止半刚性基层反射裂缝的同时有效地减少、杜绝柔性基层 t 0 p d o w n 裂缝的形成。此课题的研究十分迫切，其成果必将产生巨大的社会与经济效 益，在我国公路工程建设的实践中具有广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 1 o p d o 帅裂缝( t d c ) 起源于路表，之后逐渐向四周发展，绝大多数为纵向裂缝。 路面出现1 却一d o w n 裂缝之后，其承载力将会降低同时裂缝呈上大下小的v 字型发育， 雨水容易渗入路面结构内部，从而导致沥青路面材料的松散、剥落，路面出现坑槽，路 面强度太大降低。通过观察路面钻取样芯，大多数研究者认为1 d c 仅在沥青混凝土面 层或整个沥青混凝土结构层中发展。现场调查发现大多数纵向t d c 位于轮迹带边缘， s v a s d i s a l i l 将其发生发展分为三个主要阶段： 1 较短的微型纵向裂缝出现在轮迹带边缘。 2 微裂缝逐渐变长，新的裂缝出现并沿原裂缝平行发展。 3 纵向平行裂缝和较短的横向裂缝联通。 资料显示，美国、日本、法国、荷兰、南非、肯_ f 己亚等国家t d c 已经是柔性基层 路面影响较大的损伤。在美蚓越来越多的记录显示t d c 已经成为柔性基层路面的主 要病蔷，弗罗。旦达、密歇根、1 # 盛顿、明尼苏达等州己经了丌展大量调奄研究。 第一章绪论 1 2 1 国内研究现状 长安大学徐鸥明、郝培文( 2 0 0 6 ) 对t o p d o w n 裂缝的产生机理进行了分析，使用 断裂力学和有限元方法，对裂缝路面的裂缝扩展机理和裂缝增长阶段进行了研究。认为 裂缝扩展的机理主要是拉应力作用，路面结构和荷载谱( 大小和位置) 也很重要；而荷 载位置和温度在沥青混凝土中诱发的劲度梯度，连同沥青和基层的劲度，对裂缝的扩展 也有重大影响。 同济大学的李峰、孙立军( 2 0 0 6 ) 认为源于路表面的轮迹带附近的纵向开裂是重交 通沥青路面的主要损坏类型之一，在实测轮胎接地压力的基础上，建立路面结构的三维 有限元模型，计算出四条实际道路的最大拉、剪应力值及其位置，绘制了等值线图，认 为轮载下较大的剪应力是造成t o p d o w n 开裂的主要原因。 湖南大学易昕( 2 0 0 6 ) 采用三维有限元法分析了荷载作用下自上而下裂缝尖端的应 力强度因子，并采用p a r i s 公式分析了自上而下裂缝的疲劳扩展规律与疲劳寿命。认为 三维模型的应力强度因子明显小于二维模型；基于p a r i s 公式，起裂强度因子越大，则 初始起裂裂缝的长度越长，路面的疲劳寿命越长，反之，疲劳寿命越短。 1 2 2 国外研究现状 h u g o 与k e 蚰e d y ( 1 9 8 5 ) 在南非对t d c 的诸多影响因素( 沥青结合料类型、集料 级配、荷载组成) 进行调查后发现，具有较大孔隙的开级配与半开级配沥青混合料容易 导致沥青的过度老化，从而容易产生t d c 。两人也研究了温度应力对t d c 的影响，并 且使用c r a c k 软件计算出沥青混凝土门面层的温度应力，还研究了混合料的一些特性 如：级配、空隙率、老化对t d c 的影响，指出：t d c 的产生是由于荷载应力或者非荷 载因素( 温度应力、老化等) 或者是两者的联合作用。 g e 玎i t s e n ( 1 9 8 7 ) 等对荷兰境内沥青路面的t d c 展开研究，采用线弹性多层体系的 有限元方法对不同轮胎压力下不同厚度的路面结构进行数值计算，认为荷载应力会导致 的t d c 产生，同时环境作用又促使了t d c 的进一步发展，并认为路面压实度不够、沥 青劲度模量偏大、沥青用量较小也是形成t d c 的主要原因。 d u z a u t s 与r a m p a l ( 1 9 8 7 ) 的研究认为，t d c 通常在路面建成3 5 年内开始出现， 有纵向的、有横向的，多在路面行车道上产生，并且发现t d c 的出现还在一定程度上 受季节变化的影响。同时认为，沥青面层在低温状态下的温度应力是导致t d c 的主要 原因之一，把温度应力也作为可能促使t d c 发生的因素开展研究。调查显示：法国南 4 长安大学硕十学位论文 部的t d c 大多位于路中线的慢车道一侧。另外，他们使用s h a h i n 方程计算出了沥青混 凝土的抗拉强度，以及温度应力、温度应变。结果显示：在几个温度循环周期之后，由 温度降低产生的拉应变能够引起t d c 的产生。 r o q u e 和r u l h 使用m p a p s c i 认c 硒软件研究了由于温度应力和荷载应力引起t d c 的机理，指出温度应力和荷载应力的联合作用是t d c 产生的原因，尤其是在严酷的条 件之下，例如温度骤降、春融和降温升温反复交替等。 m a t s u n o 与n i s h i z a w a ( 1 9 9 2 ) 对日本境内的t d c 进行调查研究后发现，t d c 是日 本沥青路面的主要破坏形式，通常在路面建成后的1 5 年内在轮迹处开始出现t d c ， 而在温度较低的阴凉处( 如树荫、立交桥下) t d c 就会消失。他们采用轴对称线弹性方 法对单一荷载压力下的不同路面结构进行有限元分析，在对两种路面横断面结构进行分 析后认为，路面在高温状况下的温度应力与荷载应力是影响t d c 的主要因素，而路面 横断面的结构厚度对t d c 的影响甚小。 n u 曲( 1 9 9 8 ) 对英国境内的t d c 进行调查研究后表明，t d c 是英国沥青路面的普 遍破坏形式，当沥青混凝土层厚度超过1 8 c 1 1 1 时，在路面建成1 0 年后开始出现t d c 。 同时发现纵向、横向的t d c 均有发育，其中以纵向为主，沥青面层内的水平拉应力是 引起t d c 的主要原因。 g r o e n e n d i i k 使用三维有限元软件g 址a 分析了荷载引起的路面拉应力。为了模拟 不同的荷载不同胎压，他把轮胎路面接触应力分成了三个组成部分：竖直接触应力、 水平接触应力( 与行车方向垂直) 、纵向接触应力( 行车方向) ，他指出：路表非均布的 拉伸接触力和沥青混合料的老化能够导致路面拉应力的产生。 m e v e r s 等( 1 9 9 8 ) 对美国佛罗里达州境内沥青路面的t d c 进行调查研究后发现， 在该州急需维修的路段中，t o p d o w n 裂缝占9 0 之多。t d c 通常在路面建成5 1 0 年 后开始出现。同时他认为大量子午线轮胎的使用增大了沥青面层内的拉应力，而t d c 是由拉应力引起的，不是剪应力。因为大部分t d c 出现在轮迹带边缘，所以m v e r s 把 轮胎路面接触荷载导致的拉应力拉应变当作t d c 产生的主要原因进行研究。m y e r s 研 究了径向花纹和斜纹轮胎的竖直和横向接触应力引发的路面拉应力，指出： 1 水平接触应力( 内部剪应力) 导致了较高的拉应力出现在路面和轮胎接触区域 边缘，导致了t d c 的出现。剪应力数据由j a c o b s 测量。 2 位于直纹轮胎的肋部的水平接触应力( 外部剪应力) 能够导致路面产生高的拉 应力，会导致t d c 。第一个结论和第二个不同是由于剪应力的数据和位置不同，作者认 第一章绪论 为第二个更精确。作者指出：路面最大拉应力出现在外肋中间。 3 ，胎肋之下的路面拉应力是局部现象，而且沿路面深度向下快速消散。要强调的 是，类似面层和基层模量等路面结构的性质对路面拉应力值没有明显的影响。这个结论 和m a t s u n o 、n i s h i z a w a 的结论一致 4 ，和斜纹轮胎相比，子午线和宽基子午线轮胎能够导致较高的路面拉应力，所以 它们对路面结构的危害要大于斜纹轮胎 5 ，荷载引发的路面拉应力指向轮胎边缘，是促使t d c 发展的原因。轮胎结构层硬 度、轮胎位置对于路面拉应力的值有很大影响。 m o l e n a a r ( 1 9 9 8 ) 使用c m c l y 多层体系程序，分析了轮胎路面相互作用中轮胎竖 直应力和横向应力对t d c 的影响，指出：轮胎作用边缘的拉应力是t d c 产生的原因； 较厚、刚度较小的沥青混凝土层位于硬度较高的基层上会增加t d c 产生的危险性。与 此相似荷兰的g e h i t s e n 也使用c i r c l y 软件分析了由竖向和横向接触应力导致的路面拉 应力。他得出了和m o l e n a a r 相似的结论，并且专门指出温度应力和沥青混合料的老化 都增加了t d c 产生的危险。 w a m b u r a l ( 1 9 9 9 ) 等对肯尼亚境内沥青路面的t d c 与永久变形进行调查研究后得 知，早在7 0 年代肯尼亚就出现了沥青路面的t d c 并成为沥青路面的主要破坏模式，他 们认为沥青路面表层几毫米内沥青结合料的严重氧化是t d c 的主要成因，指出肯尼亚 路面建造时允许较高的空隙率，会导致沥青结合料的老化，进而最终会引起t d c 的产 生。m a l a n 也研究了沥青老化和t d c 产生的联系。他们研究了南非的早期路面裂缝， 指出间断级配的沥青混合料较密级配的更容易老化和出现t d c 。他们还指出； 沥青结 合料的粘性对t d c 有重要影响。他们做了如下试验，当在低交通荷载路段使用高粘沥 青；在重交通荷载路段使用低粘度沥青时能较少t d c 的发生。 u h l m e y e r 等( 2 0 0 0 ) 对华盛顿州的沥青路面的t d c 调查后发现，路面建成3 8 年内，当沥青混凝土层超过1 6 c m 时，沥青路面出现t d c ，因而认为，路面横断面的结 构厚度对t d c 有着重要的影响，这与n u n n 的研究结论较为一致，而与m a l s u n o 、m e y e r s 等人的研究结论相反。 明尼苏达交通厅( 2 0 0 0 ) 对该州范围内沥青路面的纵向t d c 进行大规模的调查后 发现，t d c 随着路面运营时间的延长而进一步增长，在路面的行车道与超车道上均有 t d c 发育，同时也未发现t d c 发育的规模程度与路面结构厚度之间的直接联系。 科罗拉多州交通厅( 2 0 0 3 ) 对该州范围内沥青路面的t d c 钻芯取样后发现，6 7 的 长安大学硕士学位论文 t d c 裂缝处有明显的级配离析现象。 s c h o r s c h ( 2 0 0 3 ) 通过野外实地调查实测与室内试验证实，沥青混合料的级配离析 容易导致沥青路面t d c 的产生。 b e n s a l e m 建立有限元模型分析了路面结构中由荷载引发的应力应变，得出了与上述 学者不同的t d c 发生发展机理，指出： 1 垂直平面内位于轮胎边缘的剪应变高于同一位置的拉应变，因此，垂直平面内 的剪应变在t d c 发生、发展中扮演了至关重要的角色。 2 垂直平面内位于轮胎边缘的路面剪应变随着深度急剧减小。这就解释了观测到 的t d c 发展穿过沥青面层的上部。 3 沥青面层厚度的减薄导致了剪应变的增减，需要强调的是薄沥青面层更容易发 生t d c ，这和u h l m e v e r 的结论不同。 4 由于温度梯度导致的沥青层的硬度差异和温度拉应力对于t d c 的发生发展有重 要作用。 综上所述，世界各国众多学者的大量研究表明： 1 、沥青路面t d c 已经成为柔性基层沥青路面的主要病害形式； 2 、受各国气候条件、施工水平、级配类型等多种因素的影响，各地沥青路面t d c 出现的时间并不一致。日本：路面建成后1 5 年；法国南部：路面建成后3 5 年；美国 佛罗里达：路面建成后5 1 0 年；英国：路面建成后1 0 年左右开始出现t d c ； 3 、沥青路面t d c 的影响因素众多，许多学者的看法也并不一致。其中公认主要因 素包括：反复行车荷载在路面内形成的荷载应用、沥青结合料的劲度及老化、混合料 的级配类型、施工时的压实度、混合料的离析状况等； 4 、在以下几方面仍然存在一定的争议：沥青路面结构层厚度与t d c 之间的关系， 一种观点认为二者具有良好的相关关系，另外一种观点则认为不；沥青路面内温度状况 与t d c 之间的关系，一种观点认为低温时面层的温度应力与荷载应力的叠加导致t d c 的 发育，另一种观点认为高温时沥青路面更容易产生t d c 。 国内外对沥青路面t 0 p d o w n 开裂进行了大量的研究，取得了很多成果，但鉴于该 问题的复杂性，且各自研究方法不同、试验数据的差异，导致对于t d c 的产生与路面 拉应力、剪应力的关系还没有形成统一的认识。仍存在以下方面有待深入和系统的研究： 1 轮胎路面交互作用与沥青路面t 0 p d o w n 开裂的关系。 2 沥青路面结构内温度状况与沥青路面t o p d o w n 开裂的关系。 第一章绪论 3 抑制t o p d o w n 开裂沥青路面措施与方法。 1 3 研究的主要内容和技术路线 1 3 1 研究的主要内容 在大量实地调研的基础上，针对国际上柔性基层沥青路面t d c 的研究现状，结合 我国柔性基层沥青路面的工程实践，对轮胎路面交互作用下的柔性基层沥青路面结构 进行力学分析，研究路面结构的受力状况，路面结构温度状况，在理论分析及有限元计 算的基础上，研究沥青路面t o p d o w n 开裂机理，探讨减缓t 0 p d o w n 开裂的措施与方 法。本课题拟对以下主要内容展开研究： 1 、轮胎路面交互作用与沥青路面t 0 p d o w n 开裂的关系。 2 、沥青路面结构内温度状况与沥青路面p d o w n 开裂的关系。 3 、抑制t o p d 刚l ，i l 开裂的措施与方法。 1 3 2 研究的技术路线 图1 4 课题研究的技术路线图 长安大学硕士学位论文 第二章路面断裂力学基本原理 2 1 路面断裂力学基本理论 传统的路面结构应力分析往往是针对连续完整的、无缺陷的结构体系进行的，并没 有考虑材料、路面结构内部先天存在的缺陷或使用期内逐渐出现的缺陷对路面造成的不 利影响，这使得运用传统的疲劳力学理论与方法对不同结构组合的沥青层结构进行计算 和分析时与实际情况存在偏差。按照断裂力学及疲劳断裂力学的观点，可以认为柔性基 层沥青路面t o p d o w n 开裂正是由于沥青路面表面荷载和温度裂缝这种原始缺陷的存 在，加之车辆荷载和温度荷载循环叠加，引起沥青面层的应力集中与内部损伤，当这种 应力集中与损伤累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了沥青路面 t o p d o w n 裂缝的发展，并导致结构的破坏。 2 1 1 裂缝扩展的三种基本形式 根据断裂力学原理可将裂缝的扩展模式分为三种：张开模式、剪切模式及撕开模式， 如图2 1 所示。从柔性基层沥青路面t o p d o w n 开裂特性来看，t o p d o w n 裂缝的断裂形 式主要为由温度变化引起的张开型裂缝( i 型) 及由交通荷载引起的剪切型裂缝( i i 型) ， 或由i 型及i i 型构成的复合型裂缝，而撕开型反射裂缝( 型) 则较少。 ( a ) 张开型裂缝( i 型) 2 1 2 裂缝尖端的应力场 ( b ) 剪切型裂缝( i i 型)( c ) 撕开型裂缝( i i i 型) 图2 1 裂缝扩展模式 裂缝尖端处的应力强度因子是研究裂缝扩展规律的基础，为了研究柔性基层沥青路 面t o p d o w n 开裂和扩展规律，以便在设计抑制t o p d o w n 开裂路面结构时提供必要的理 论依据，有必要对裂缝的应力强度因子进行分析。在沥青路面表面在车辆荷载和温度荷 载作用下产生的微裂缝处会有应力集中，出现应力奇异点，此应力值远高于无裂缝相同 第二章路面断裂力学基本原理 点处应力，从而导致沥青面层出现裂缝，裂缝向下扩展最终贯穿面层结构。 由弹性问题的解析函数方法，得知线弹性断裂力学中i 、i i 、i i i 型裂缝尖端奇异场 为： i 型裂缝： 咿去c o s 争s i n 争詈) 旷去c o s 弘s i n 争詈) k 1883 8 2 赢5 1 n i 娜j s i “= 鲁蝌灿s 扣s 詈1 y = 鲁厨圳s i n 扣詈 ( 2 1 ) 式中：p 叫裂缝弹性体的剪切模量； x = ( 3 - ) ( 1 + ) ( 平面应力) ，x = 3 - 4 ( 平面应变) ( 为材料泊松比) ； ，、卜以裂缝尖端为坐标原点的极坐标： k 。i 型裂缝问题应力强度因子，对于含2 a 长的中心裂缝的无限大板， k 。= 盯伍( 盯为远场拉力强度) 。 i i 型裂缝： 吁一去c o s 弘c o s 扣詈) 中等豳扣罢c o s 詈 驴击c o s 争豳知詈) “= 鲁怯卜3 坶n 扣n 詈1 鲁怯卜3 灿s 知s 詈1 ( 2 2 ) 式中：k 盯i i 型裂缝问题应力强度因子，对于含2 a 长的中心裂缝的无限大板， k = 了忑( t 为远场剪力强度) 。 其他参量同i 型裂缝问题。 1 0 长安大学硕士学位论文 i i i 型裂缝： k ；一叁s i n 旦 一葛8 1 n i 瓦，；一磐c 0 s 旦 f 乒一砖螂i w = 等怯s i n 鲁gv 纫 2 ( 2 3 ) 式中：k 珊i i i 型裂缝问题应力强度因子，对于含2 a 长的中心裂缝的无限大板， k ，知( z 。为远场横向剪力强度) 。 其他参量同i 裂缝问题。 在上述各个应力分量( 应变) 表达式中都包含了，“2 项，使得当，一0 时，它们均 趋于无穷大，这是裂缝尖端附近弹性场的一个重要特征，称之为应力应变对，有奇异性， 或称这个场为奇异场。但实际上由于沥青面层材料具有一定的韧性，因而尖端会产生塑 性变形区，塑性区的出现使裂缝尖端应力重分布，从而导致尖端应力在一定程度上得到 松弛，但仍有较大的应力集中。 2 1 3 应力强度因子理论 应力强度因子k 。、k 。、表征了裂缝尖端附近应力应变弹性场的强度，控制着裂 尖附近的整个弹性场。它不只是表示应力应变的大小，而且表示了整个场的能量，有力 和能的共同含义。 一般定义三种形式的应力强度因子为： 墨= 姆仃，b 厉 妊= 烛l ，k 历 k 。= 蚴k b 厉 ( 2 - 4 ) 可将应力强度因子k 用四部分组成其表达式，即： k = 仃。石访 ( 2 5 ) 式中：d 。远场应力； y 形状系数，与裂缝形状、加载方式、构件几何形状和尺寸有关； ，宽度修正系数，表示构件宽度( 相对于裂缝长度而言) 对k 的影响，对于 无限大板，f 取为1 ；在不少有限边界的k 的解中，系数y 与f 很难分开， 经常以个统一的系数出现在k 解中。 第二章路面断裂力学基本原理 由式( 2 5 ) 得知，决定应力强度因子k 的因素有外力的大小、加载方式、裂缝长 度及形状、构件的几何形状和尺寸。 2 1 4j 积分 j 积分是由r i c e 和c h e r e p a n o v 分别讨论裂纹问题时提出。为了避开直接计算裂纹 尖端附近的弹塑性应力应变场，提出了一个围绕裂纹尖端的围线积分，这个积分值与积 分路径无关，为一常数，即j 积分的守恒性，并认为这一常数的数值就反映了裂纹尖端 应力应变场的强度，描述了这一应力应变场的特征。 图2 2 裂纹尖端积分回路 如图2 2 所示，围绕裂纹尖端作一回路，并沿此回路作下式积分： j 2 “劬一互誓凼) 协6 ， 其中：是在弹塑性条件下，在单调加载过程中裂纹体的应变能密度。r 是自裂纹 下表面的任意一点起，沿逆时针方向绕过裂纹尖端而止于裂纹上表面任意一点的任意一 条曲线。t i 是作用在回路上弧线d s 对应的面元素d s 、d z 上的表面力矢量，其分量为： t i = t x ，t 2 = t y ；u j 是该处的位移矢量，其分量为：u l = u ，u 2 = v ；n 是线元素d s 的外法线 单位矢量，其分量即为方向余弦：n 1 = n x = c o s ( n ，x ) ，n 2 = n y = c o s ( n ，y ) 。 经推倒证明，在线弹性状态下，j 积分就是应变能释放率g ，即裂纹扩展单位面积 所释放出的能量。 平面应变条件：j ；生k ? ；g ， ( 2 7 ) 平面应力条件：j = 吉k ? = g ， ( 2 8 式中：弹性模量：k ，i 型裂缝问题应力强度因子；g ，应变能释放率。 长安大学硕士学位论文 2 1 5 断裂韧度与断裂准则 1 断裂韧度与k 准则呻1 裂缝尖端附近弹性场常参量应力强度因子k 表示了在外荷载作用下的断裂弹性构 件裂缝尖端的力学性状，它把影响裂缝尖端性状的各种因素综合为裂尖应力应变场强 度，集中地表现出来，这实际上是以数值表示了不同裂缝尖端趋向开裂的严重程度。因 此，这一参量可以决定加铺层是否由裂缝处发生断裂破坏。实践证明，它是一个比较好 的断裂准则。 由k 的各种表达式可以看出，在构件、裂缝、加载方式等确定之后，k 值将随着外 力的增大而增大。k 值增大到一定程度时必然会导致沥青加铺层的断裂破坏。对同一材 料的不同构件，若以同一种开裂形式加载，且处于同一种应力状态下，那么它们断裂时 的k 值是相同的。这一k 值自然是一种临界值。把i 型裂缝处于平面应变状态下的这 一临界值以硒c 表示，平面应力状态下以k c 表示，把裂缝发生断裂破坏时的快速扩展现 象称之为失稳扩展，那么k 准则可以作如下叙述：当裂缝尖端应力强度因子k 达到某 一临界值或时，裂缝发生失稳扩展。或表示为当 鬈蒿， 9 ， k 。= k c ( 平面应力) i 时裂缝发生失稳扩展。 临界值或称为材料的断裂韧度。它表征材料阻止裂缝失稳扩展的能力，是材 料的一种机械性能参量，或称为材料的一种韧性指标。蜀c 和硒的关系相当于材料强度 极限、屈服极限珥与应力砣间的关系。因此影响断裂韧性的因素应该是加铺层材料 的固有特性。 断裂力学承认材料或构件中不可避免地存在裂缝或类似裂缝状的缺陷。k 准则就是 基于这一假设的一种强度理论。用这种强度理论所确定的构件极限应力一般小于饵或 伤。这一极限应力称为剩余强度，以饵表示。利用k 准则可以