（道路与铁道工程专业论文）含裂缝沥青路面结构力学性能研究.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 当前，我国的公路建设正处于一个快速发展的阶段，就已开通的高等级公路的使用状况来看，普遍 存在十分严重的早期破坏问题，特别是半刚性基层沥青路面的开裂问题。沥青路面结构开裂必然改变其 本身的应力状态，加快其破坏速度，缩短其使用寿命。而传统沥青路面结构设计所采用的弹性层状体系 模型未能反映沥青路面结构在整个寿命周期内，大部分时间是带裂缝工作的现状。本论文的研究目的是 依据对高速公路路面裂缝的调查结果，对含裂缝沥青路面结构的力学特性进行研究，以达到指导设计、 施工、养护，改善道路结构十牛能，延长其使用寿命的目的。本论文大致可分为以下三个部分： 1 道路结构温度场的数值分析。根据气候学，传热学的基本原理，本论文采用有限元数值方法得 出了自然边界条件下层状体系道路结构非稳态温度场的数值解，作为道路结构温度应力分析的依据。 2 静力学特性研究。根据我国高速公路沥青路面结构开裂的状况，分别建立含贯通裂缝和裂缝扩 展过稃中的有限元分析模型，对前者考察路面结构完全开裂后，在车辆荷载的作用下，沥青面层丁贞部及 底部的应力变化，计算结果表明含贯通裂缝的沥青路面结构在交通荷载的作用下，处于更不利的受力状 态；对后者，则依据断裂力学理论，以反映裂缝尖端应力场的应力强度因子为参量，分别考察在温度荷 载和交通荷载的作用下，裂缝尖端及沥青面层沿裂缝扩展方向上的应力状况，结果表明，在温度荷载的 作用下，影响裂缝扩展的关键因素是沥青面层模量和基层温缩系数，沥青面层厚度对基层反射裂缝的影 响较小。而在交通荷载作用下，沥青面层的厚度、模量，对裂缝尖端区域应力场的影响较大，而基层的 厚度、模量对裂缝尖端区域应力场的影响较小；对基层反射裂缝而言，温度荷载的作用效应，远大于交 通荷载的作用效应。 3 动力学特性研究。分别建立含贯通裂缝和裂缝扩展过程中的有限元分析模型，对前者主要进行 了模态分析和谐响应分析，模态分析结果表明，沥青路面结构开裂后，路面结构的自振频率大为提高， 也就是说路面结构开裂后，相对于完整路面结构，其对高频率、短周期的荷载作用更为敏感；谐响应分 析结果表明，在外载作用下，导致其产生较大反应的敏感频率范围也产生了变化；对后者，分析了裂缝 尖端动应力强度因子随道路结构体阻尼、车辆荷载作用周期以及路面结构参数的变化规律。动应力强度 因子分布规律与外荷载变化曲线相似，随着阻尼比的增加，应力强度因子衰减的很快，同时应力强度因 子峰值出现的时间逐渐后移。应力强度因子最大值随荷载作用周期的变化呈倒“s ”状变化，在高频和 低频荷载作用时，逼近静载作用时的应力强度因子值，在一定的频率出现最大值和最小值，但应力强度 因子的变化幅度不大。动应力强度因子随沥青面层模量的增大而增大，随沥青面层厚度的增大，基层厚 度的增大，基层模量的增大而减小，其中沥青面层模量变化对动应力强度因子的影响较大。 本论文以京秦高速公路为工程背景依托，对含裂缝沥青路面结构的力学特性进行了较全面的研究， 可为沥青路面的抗裂设计，路面长期性能的研究提供理论基础。 关键词：高速公路裂缝沥青路面有限元法应力强度因子动力学特性 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ec o n t r a c t i o no f h i g h w a yi no u rc o u n t r yi si nar a p i dd e v e l o p m e n tp h a s e b u te a r l yd a m a g e t ot h eh i g h w a yi ns e r v i c ei sac o m m o np h e n o m e n o n , e s p e c i a l l yt h ec r a c k so fa s p h a l tp a v e m e n tb a s e do n s e m i - r i g i dt y p eb a s e 1 h ec r a c k so fa s p h a l tp a v e m e n tw i l lc e r t a i n l yc h a n g es t r e s ss t a t eo fi t s e i f , a c c e l e r a t et h e s p e e do f d e s t r o i m t i o n , s h o r t e ni t sw o r k i n gl i f e t h i sa l s os h o w st h em e c h a n i c a la n a l y n s i sm o d e lo f t r a d i t i o n a l a s p h a ap a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g ni sf a rf r o mb e i n gp e r f e c t ，a n dd o s e n tr e f l e c tt h ea c t u a ls t a t u so ft h e s t t l l c t u r ei nm o s to fa l li t su f c t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i a nj sb a s e do nt h es t u d yo nt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hc r a c k s ；a c t i n gb yt e m p e r a t u r el o a de n dv e h i c l el o a d , s oa st om a s t e r t h er u l eo fc r a c k i n gg e n e r a t i o ne n dp r o p a g a t i o n , t od i r e c tt h ed e s i g n , c o n s t r u c t i o n , m a i n t e n a n c eo fa s p h a r p a v e m e n t f i r s t l y , t h et e m p e r r a t m ef i e l do f a s p h a l tp a v e m e n tw p r e s e n t e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yf m 妇 e l e m e n tm o t h o d b a s e do nc l i m a t o l o g i c a le n dt h e r m a lt h e o r y , t h i sd i s s e r t a t i o ng o tn u m e r i c a le n l m i o no f o n e - d i m e n s i o n a lu n s t e a d yt e m p e r a t m ef i e l dt m d e rn a t u r a lb o u n d a r yc o n d i t i o n , t h es o l u t i o na c c o r d e dw i t ht h e d i s t r i b u t i o nl a wo fr o a ds t r u c u a r e t h i se s t a b l i s h e db a s i sf o ra n a l y s i se n ds t u d yo nt e m p e r a t u r es t r e s si nt h e n e x tc h a p t e r s s e c o n d l y , t h es t a t i c a lc h a r a t i r i s t i c so f a s p h a hp a v e m e n tw i t hac r a c kw a sp r e s e n t e d b a s e do nt h e s t a t eo f a s p h a l tp a v e m e n tc r a c k t h ef i n n ee l m e n te n a l y n s i sm o d e l 啊稻s e tu p , i n c l u d e dm e c h a n i c a lm o d e lw i t ha c r o s s c r a c ke n dm e c h a n i c a lm o d e lw i t hae x p e n d i n gc r a c k t ot h ef o r m e r , t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，a c t e db y v e h i c l el o a d , t h es t r u c t u r eo f a s p h a l tp a v e m e n tw i t hac r o s s - c r a c ki sb e i n gm 雠s t r e s ss t a t e ；t ot h el 砒e lb a s e d o nf r a c t u r em e c e n i c st h e o r i e s , t h es i r e si n t e n s i t yf b c t 0 幅w a sa d o p t e da st h ep a r a m e t e rr e f l e c t i n gt h es t r e s s c o n d i t i o na tt h ec r a c kt i p 1 1 1 er e s u l ts h o w sk e yf a c t o r se f f e c t i n gt h ee x p a n d i n go f c r a c ka l em o d u l u so f a s p h a l t s u r f a c el a y e re n dt h et h e r m a lc o e f f i c i e n to f c o n t r a c t i o no f b a s el a y e r , t h ee f f e c to f t e m p r e m r el o a di sm o r et h e n t h a to f v e h i c l el o a d 1 1 l i r d l y ，t h ed y n a m i c a lc h a r a t i r i s t i co fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hac r a c kw a sp r e s e n t e d b a s e do nd y n a m i c t h e o r y , t h ef i n i r ee l m e n tm m l y n s i sm o d e l i n c l u d i n gm e c h a n i c a lm o d e lw i t hac m 蟠- 栅ka n dm e c h a n i c a l m o d e lw i t hae x p e n d i n gc r a c kw a ss e t 叩t ot h ef o r m e r l ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sb e e nd o n em o d a la n a l y s i sa n d h a r m o n i cr e p o n s ea n n l y s i s n er e s e ti n d i c a t e sm 舐s i n c et h ec r a c ke m e r g e di na s p h a l tp a v e m e n t , i t s d y n a m i c a lc h a r a t i r i s t i ch a sb e e nc h a n g e dg r e a t l y , s u c ha si n h e r e n c ef r e q u e n c ye n dv i b r a t i o nm o d e l t ot h el 蝴 t h i sd i s s e r t a t i o nh a sb e e nd o n et r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s ，c a l c u l a t e dt h es t r e s si n t e n s i l yf a c t o r sc h a n g i n gw i t h t h ed a m po f a s p h a l tp a v e m e n t , t h ec y c l eo f l o a da c t i o na n dt h ep a r a m e t e r so f p a v e m e n ts t r u c t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h ee n g i n e e r i n go fb e i j i n gt oq i l l h u a n # a of r e e w a y t h er e s e a r c hh a s d o n eaf u l l - s c a l er e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lc h a r a t i r i s t i co fa s p a l tp a v e m e n tw i t hc r a c k s ，t h er e s e a r c hr e s u l t c e np r o v i d et h e o r yb a s ef o rd e s i g nm e t h o dt op r e v e n tt h ec r a c ke x t e n de n dr e s e a r c ho f fl o n gt e r mc h a r a t i r i s t i c o f a s p h a l tp a v e m e n t k e y w o r d s ：c r a c k , a s p h a hp a v e m e n t ，f i n i t ee l m e n ta n a l y n s i s ， s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , d y n a m i c a l c h a r a t i r i s t i c 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 x 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：拯垒劾日期：丝望：竺y 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：盔础师签名：燃瓢型。 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 当前，我国的公路建设正处于个快速发展的阶段，就已开通的高等级公路的使用状况来看，普遍 存在十分严重的早期破坏问题，特别是半剐性基层沥青路面的开裂问题。国内已建高速公路使用状况调 查表明，不论是南方还是北方，通车后一年，最迟第二年均出现了大量裂缝，裂缝率高达6 4 0 m l o o o m 2 ， 现场钻取芯样观察表明，裂缝中有5 0 以上为半刚性基层先裂而导致的沥青面层开裂的反射裂缝”。 近年来，路面结构开裂已成为半刚性基层沥青路面的最严重的病害之一，而且由于交通量及载重的 增加，在重载的反复作用下，路面开裂有越来越严重的趋势。一般而言，我国沥青路面随着区域的不同， 大约在开放交通2 - 5 年即产生比较严重的裂缝，有些地方更因雨量多且雨季长，道路结构很快便严重开 裂破坏。这反映了我国在道路设计、施工等过程中，对道路结构及材料性能，特别是环境与交通荷载长 期、循环作用对道路的影响、施工质量控制等仍缺乏足够的认识。 路面结构开裂会对道路结构力学性能和耐久性产生不利影响，这些不利影响包括“：防水性降 低，路表出现任何裂缝，都会使路表水有机会进入路面结构内部，甚至进入对湿度高度敏感的路基中； 引起路基过大压应力，由于存在裂缝，造成路面体不连续，在行车荷载作用下将加大板体边缘的变形， 从而在裂缝处传递过大压力至路基项面；增大路面应力和变形，上述的路面结构板体边缘变形，会在 路面结构内( 尤其是基层和路面表层) 产生很大的应力和变形，在行车荷载作用下将缩短这些结构层的 使用寿命；磨耗层沿裂缝的破坏，在车辆、水分、霜冻等因素的综合作用下，磨耗层常会沿裂缝产生 骨料或小块沥青混凝土的剥落。 裂缝的产生不仅影响行车的舒适性，更为重要的是，在行车荷载和周期性变化环境温度的影响下， 常常使得裂缝迅速向四周扩展，大大缩短了沥青路面的使用寿命，沥青路面的开裂问题仍是高速公路沥 青路面建设中所- 面临的一大技术难题。影响半刚性基层沥青路面开裂的因素很多，各种因素之间的相互 作用也十分复杂，只有进行大量的试验分析和实践总结，才能找准原因，并有针对性地进行防治。 传统的路匝i 结构分析理论均假设路面承受分布形状为矩形或圆形等均布压力的车辆荷载，裂缝的生 成最初是由沥青层底部开始，并根据实验室沥青混凝土疲劳试验的结果来评估路面的疲劳寿命，提出疲 劳开裂破坏所需次数与沥青混凝土底部拉应变或拉应力之间的回归方程式，或是根据现场观测裂缝面 积，与当时所累积的交通轴次而提出裂缝及荷载作用次数之间的关系式。但这唑模式均为纯经验公式， 无法了解导致裂缝扩展的相关因素和裂缝扩展的行为过程。 同时，由于半刚性基层沥青路面其组成材料自身固有的特性，开裂几乎不可避免。一般而言，在路 面结构整个寿命周期内，大部分时间是带裂缝工作的。而传统的沥青路面结构设计理论，是将路面结构 看作无限大的弹性层状体系，计算路面结构的荷载效应。而裂缝的出现，破坏了路面结构的连续性，路 面结构的受力特性将产生很大的改变，当荷载作用于靠近裂缝区域时，路面结构的应力状况将有很大的 不同。因此，研究含裂缝路面结构的力学性能，对设计理论的完善也是十分必要的。 基于以上问题，本论文采用有限元数值模拟技术，从静力学和动力学方面分析了含贯通裂缝和裂缝 扩展过程中的沥青路面结构的力学特性，并与完整路面结构的力学特性进行对比，明确了路面结构开裂 后的力学特点，并对影响含裂缝沥青路面结构力学特性的相关因素进行了敏感性分析，明确了关键影响 因素。本论文为路面结构的抗裂设计，路面长期性能研究提供了相应的理论基础和支持。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 人们对于沥青类路面结构开裂破坏的认识是逐渐深入的。伴随着力学领域中破坏理论的研究发展， 关于沥青类路面结构开裂破坏研究经历了由经验性总结过渡到结合破坏力学的理性认识过程。相应的沥 青类路面设计( 特别是抗裂设计) 也从经验性公式发展到半经验半力学公式，即根据所建立的沥青类 路面结构开裂破坏的结构和理论模型，经过力学理论计算与分析，建立简化的理论公式和图表，结合实 际工程检验和修正，最终提出比较符合实际的修正公式与相应的计算方法。在此基础上，提出相应的沥 青类路面抗裂设计方法。 1 2 1 道路结构温度场及温度应力的计算 路面结构完全处于自然环境的影响中，经受着持续变化的大气影响，如太阳辐射、天空辐射、大 气气温的影响。在一天内不断变化的外界环境，导致道路结构温度场的不稳定变化。由于层状路面结构 各部分之间的相互约束，变形不能自由发生，便产生温度应力。 对于道路结构温度应力的研究首先体现为对道路结构温度场的分析，对道路结构温度场的研究方法 主要可分为统计法和理论和半理论法，所谓统计分析法是指在大量试验检测数据的基础上，采用概率统 计方法对试验数据进行处理后提出经验公式。日本的近腾佳宏等人对两种不同厚度的沥青混凝土路面的 温度状况曾作过一年的实测工作，并采用统计方法进行了分析研究。通过回归分析，认为路面结构内不 同深度的晟高和晟低温度与路表温度及气温成线性关系，并采用5 显著性水平的f 检验对路面各深度 温度随时间变化的规律作了周期分析，褥到温度变化的周期函数9 j ： 开开 丁“) = 爿十b s i n ( 兰t + 最) + es m ( 兰- t + 只) ( 1 1 ) 。 1 2 6 一 式中t 均为时间变量。 j t c h r i s t i s o l 3 和k o a n d e r s o n 还对四种不同结构的沥青混凝土路面的表面最低温度与最低气温以 及表面温度振幅与气温振幅分别作了回归分析，得到了一些线性关系式i o j 。此外，还有一些研究人员采 用统计方法，通过回归分析认为路表温度和前五天的平均气温以及不同深度的温度成确定关系，或通过 月平均气温确定路面体内的温度等。 最近几年，我国也进行了大量的沥青路面温度场的观测工作，各观测单位大都采用统计方法进行 了回归分析，并且得到了部分结果。 另一类方法是理论分析法，理论分析法是指采用传热学和气象学的基本原理确定道路结构温度场 的方法。近年来，半无限层状结构的力学模型在路面结构温度场分析中得到了广泛的应用，但由于难以 得到解析解，故大多采用有限元等数值方法。如1 9 5 7 年，b a r b e r 首先采用半无限表面的介质温度周期 变化时的热传导方程的解来确定路面的最高温度，推导出不同路面结构的最高温度计算公式( 式1 - 2 ) 门。 k = i + 乩+ 6 ( o 5 i + 3 a l ) ( 1 - 2 ) 式中：z ：。表示路表最高温度； l 为日平均气温； 品为日最高气温与最低气温之差 l 为太阳日辐射总量( l a n g l e y s ) ： 2 第一章绪论 a 、b 为常数，随不同路面结构而不同。 为了把基层和路基的导热性能反映到路面温度场的理论分析中去，人们开始采用层状体系假设来 确定路面结构温度场，这一假设认为，路面结构是由几种热物理性能不同的材料构成的，为了使各种边 界条件均能求解，而不受数学上困难的限制，一般都采用数值法求解。如p c p r e t o r i o u s i t q 在其博士论文 中采用有限元方法对层状结构的温度场进行了研究。 我国对路面结构温度场的研究主要开始于8 0 年代初期前后。同济大学严作人、朱照宏等人在层状 体系假设的基础上，从传热学和气候学的基本理论着手，用解析法对水泥混凝土路面一维温度场作了较 深入的分析例，并从理论上分析了不同摹层对路面温度场的影响，其结果可用于计算路面结构层内的最 高和最低温度，水泥混凝土路面的最大温度梯度等。佛山大学吴赣昌对半刚性基层沥青路面温度场进行 了较为深入的研究，建立了非线性二维层状体系沥青路面不稳定温度场的计算理论和二维粘弹性层状体 系沥青路面温度松弛应力的计算理论。分析7 9 1 , 界气候条件和路面材料特性参数与沥青路面温度场和温 度应力之问的内在联系【l o l 。 到目前为止，虽然国外对沥青路面的温度收缩开裂问题进行了大量的研究，但无论从理论体系、 设计方法，还是指标参数均都还不够成熟，难以进行准确的描述和预测，更谈不上通过设计从根本上避 免温度收缩开裂。 1 2 2 传统的沥青类路面结构破坏理论与方法 自从人们在道路上开始使用沥青类路面结构璋j 式以来，就开始了对沥青类路面破坏形态及其原因的 探讨，并根据当时所掌握的认识水平与方法对沥青类路面结构破坏进行研究，并提出相应的抗裂设计方 法。在早期，人们主要基于不同类型数据的调查收集，经过数据整理分析、总结，提出经验性的公式与 方法，计算或预测沥青类路面结构相应结构破坏的使用寿命。后来随着力学与传统的疲劳强度理论的发 展与推广应用，关于沥青类路面结构破坏的研究开始进入了理论分析阶段。 塑性力学在道路结构中的应用，主要是确保结构的承载力，即利用材料的抗剪强度指标，运用塑性 破坏理论，分析道路结构层的屈服破坏，并在材料选择和结构设计上防止这类破坏的出现，如根据早期 美国各州公路工作者协会( a a s h o ) 实施的实地性能测试结果指出了提高结构层内粘聚力的重要性i “j 。 随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到，路面的破坏，是由于荷载在路面材料中引起的重复 加载疲劳应力，超过了路面混合料的抗拉强度而发生的。美、英、德等国家，根据十多年的大量试验， 相继进行了基于疲劳强度理论的设计上的重大变革。并且，目前各国沥青类路面设计仍主要沿用这种疲 劳强度理论思想i l ”目。只是由于各国情况不同，在取得结论的方法方面也各有不同，各国分别建立了自 己的设计方法。 1 2 3 基于断裂力学的沥青路面破坏理论与应用 传统的疲劳强度理论承载的是循环作用而对材料造成损伤的累积，但相关的分析是针对连续完整、 无缺陷的结构体系进行的，并没考虑材料、结构内部先天存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路 面结构造成的不利影响，这种运用传统疲劳力学与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实际情 况存在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但使设计结果仍带有较大程度的不确定性。按照 后来发展的断裂力学及其疲劳断裂力学的观点、结构的破坏正是由于其内部存在的缺陷引起应力集中与 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，就造成了内部缺陷的发展， 并导致结构的破坏。断裂力学及其疲劳断裂力学在工程上的应用与发展，引起或即将引起有关结构设计 的革命性变革，包括其中的设计理论、计算方法、设计和演算指标等方面。 基于结构内部存在裂缝之类缺陷的断裂力学理论与方法在沥青路面工程中应用，大约开始于2 0 世 纪6 0 年代末、7 0 年代初 1 4 - t 5 l ，至今为止，依次经历了线弹性断裂力学、疲劳断裂力学与粘弹性断裂力 3 东南大学硕士学位论文 学等几类断裂力学理论与方法的应用发展阶段。 1 、线弹性断裂力学 关于路面结构内部存在缺陷的沥青路面结构分析，有一种处理方法，即认为裂缝总是有一定宽度， 裂缝尖端曲率并不为零，考虑接缝处存在应力集中现象，按照传统的强度理论进行计算。如1 9 8 0 年， m o n i s m i s h 等人【1 “7 1 用热粘弹性力学，对交通荷载与温度荷载作用下的开裂基层( 或旧路面) 与加铺层 中的应力分布特征进行了研究，并就橡胶沥青夹层对于裂缝尖端附近应力集中消散作用进行了分析。结 果表明，软弱夹层能有效地降低裂缝顶端的应力集中，延缓反射裂缝的扩展。 线弹性断裂力学在沥青路面结构开裂破坏分析中的应用，主要贡献在于，透过其应用，计算分析 了沥青路面在交通荷载和温度荷载下的开裂机理及各类防裂措施阻止沥青路面开裂的原理，并引入应力 强度因子、能量释放率、及相应断裂韧性参数等概念，提供了人们科学认识沥青路面开裂的方法与手段 ( 包括计算参数及开裂判断准则) 。 2 、疲劳断裂力学 由于沥青类路面结构始终处于交通荷载和温度衙载的循环作用下，其破坏主要体现为疲劳破坏特 征因此，研究沥青路面内裂缝的疲劳扩展规律具有十分重要的意义。当前，人们已经公认，沥青路面 结构的疲劳破坏可以分为两个阶段，即传统的无缺陷的疲劳起裂阶段及其后考虑裂缝疲劳断裂阶段，反 射裂缝属于后者。 关于沥青混合料和沥青路面疲劳断裂破坏过程的描述，有的采用应力或应变或荷载等力学参数， 用它们与循环加载次数的回归关系作为相应的疲劳方程【”】。但人们【1 9 - 2 0 1 普遍采用摹于应力强度因子的 经验性总结的p a r i s 公式( 式1 - 1 ) ，描述沥青路面疲劳裂缝扩展过程，并以此计算疲劳裂缝扩展寿命。 根据理论分析结果和疲劳断裂试验数据，提出沥青路面结构的使用寿命预测方法。 d a d n = a ( 6 x ) ” ( 1 3 ) 式中d o t d 为裂缝随荷载循环次数的扩展速率，a k 为荷载循环过程中裂缝应力强度因子的变化 值，a 、n 为材料参数。 3 、粘弹性断裂力学 人们早就认识到沥青混合料为一种粘弹性材料，已经开展了不少关于沥青材料的粘弹性分析工作。 由于沥青材料属于一种粘弹性材料，沥青路面开裂主要为温度型开裂，因此，大量的粘弹性力学研究工 作主要是围绕沥青路面温度型开裂开展。但基于断裂力学的粘弹性力学方面的应用研究是近些年才发展 起来的。研究工作主要集中在沥青材料的粘弹性及低温抗裂指标的试验研究及沥青路面温度应力计算方 面，应用粘弹性断裂力学理论与方法进行理论分析方面的工作尚不多。 1 2 4 基于动力学的沥青路面结构破坏理论 随着社会经济的发展和高等级公路通车里程的增加，以及沥青路面结构设计理论的研究进展，人 们逐渐认识到实际当中，由于路面不平整、车速高、以及重载等原因，车辆荷载随时间和路表特性而变 化，是典型的动力荷载。在动态荷载作用下，路面结构的应力状态同静态荷载作用下的应力状态将有很 大的区别。为改进路面设计的力学分析模型，需要深入研究路面结构在动态荷载作用下的破坏机理。 美国a a s h t o 对不同车速作用下的沥青路面和水泥路面变形量进行了实测，实测的结果显示：当 车速增加的幅度很大时，路表弯沉有很大程度的减小。许多学者基于动力学理论对完好路面体进行了分 析，黄晓明、邓学均推导了文克勒地基上无限大板的纵向振动微分方程，然后用h a n k e i - - l a p l a e e 变换 获得了任意轴对称荷载作用下的挠度解。长安大学沙爱民教授综合分析了行车荷载的动态作用模式，路 面结构的动态参数，以及路面结构的动态响应等问题。同济大学郭忠印教授等应用三维有限元动力学的 基本方法，结合n e w m a r k 积分方法逐步求解运动方程，对动载作用下多层弹性体系的响应进行了分 析，研究了不同荷载周期下的路面结构动态反应规律。 4 苎= 兰竺堡 综上所述，对路面结构动态响应的分析主要集中在对完整路面体的分析上，对含裂缝路面体的动 态效应分析很少，本文将在已有研究成果基础上，研究含裂缝沥青路面体的动力学特性。 1 3 本论文的研究内容和技术路线 ( 1 ) 实地调查高速公路沥青路面裂缝病害状况，包括裂缝的表观形态、裂缝的发展过程、裂缝的 空间分布特征以及裂缝与路面结构强度的关系等，掌握沥青路面裂缝的主要类型及其发展规律，为理论 研究提供事实依据； ( 2 ) 采用三维实体单元，建立含贯通裂缝的沥青路面结构的力学模型，和采用平面裂缝奇异单元， 建立裂缝扩展中的微观沥青路面结构模型，使计算模型能反映含裂缝沥青路面结构的力学特性。 ( 3 ) 从静力学和动力学的角度，分别考虑温度荷载和交通荷载的作用，阐明含裂缝沥青路面结构 不同于一般路面结构的受力特点，计算分析含裂缝沥青路面结构的力学特性。 ( 4 ) 分析沥青路面各结构层厚度，模量等材料参数度以及荷载等因素对含裂缝沥青路面结构力学 特性的影响，明确影响含裂缝沥青路面结构力学特性的敏感因素。 1 4 研究目标 本论文以实际工程为背景，对高速公路沥青路面裂缝状况进行系统调查，掌握裂缝的主要类型，空 间分布特征，以及裂缝产生和发展的规律；以传热学和气候学为理论依据，以有限元为手段，对道路结 构温度场进行模拟分析，得到道路结构最不利温度场，作为进行温度应力计算的依据；分别建立反映道 路结构整体受力状况的含贯通裂缝的三维实体模型，和反映裂缝扩展过程中裂缝尖端应力状况的二维平 面模型，考察含裂缝路面结构体的力学特性，包括静力学特性和动力学特性，并与完整路面结构的力学 特性进行比较，得到含裂缝沥青路面体本身的力学特性。 5 东南大学硕士学位论文 第二章半刚。性基层沥青路面裂缝病害调查及检测 随着我国高速公路的大规模建设，众多高速公路相继投入运营，然而，许多高速公路沥青路面在投 入使用后不久，便逐渐出现包括裂缝在内的各种形式的损坏，裂缝是半刚性基层沥青路面最主要的病害 之一。裂缝的产生和发展也导致降水通过裂缝进入路面结构内部，伴随行车荷载的作用，直接造成或间 接诱发诸如唧浆、龟裂，沉陷、坑槽等各种病害的出现，从而导致路面结构寿命的快速衰减、平整度的 急剧恶化，并且对行车安全形成威胁。半刚性基层沥青路面的裂缝病害已成为影响高速公路使用寿命的 主要因素。虽然我国对早期裂缝损坏的研究越来越重视，采用柔性基层、其它组合措施的试验路面有逐 渐增加的趋势，但还没有在设计阶段从结构组合、材料组合的角度实施大规模的根本对策。 本章以京秦高速公路为工程背景，对其裂缝状况进行系统调查，包括裂缝的表观形态、裂缝的发展 过程、裂缝的空间分布特征，以及裂缝的产生与路面结构强度的关系，以掌握裂缝的主要类型及其发展 规律，为理论研究提供事实依据。 2 1 半刚性基层沥青路面裂缝的主要类型 沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用过程中均会遇到的主要病害之一，其分布十分普遍，无论 是冰冻地区还是非冰冻地区，只是各自裂缝的严重程度不同而己。根据沥青路面开裂的主要原因，裂缝 可以分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝，即主要由于交通荷载作用下产生的裂缝。 已有的研究成果表明，荷载型裂缝的开裂方式主要表现为剪切型；非荷载型裂缝，即不是由于交通荷载 引起的裂缝，主要为温度型裂缝。沥青路面的温缩型开裂包括低温极限收缩开裂与温度疲劳开裂，均表 现为张开型开裂方式。 按沥青面层裂缝开裂部位，裂缝开裂的方式，路面体中的裂缝又可分为基层反射裂缝、表面裂缝。 基层反射裂缝，即半刚性基层开裂后，在裂缝尖端产生应力集中，导致裂缝自下而上持续发展，直至贯 通至路表面；表面裂缝表现为自上而下的开裂方式，一般为温缩型裂缝或在交通荷载的作用下，在轮载 边缘产生较大的拉应力所产生的。 对沥青路面结构裂缝的类型进行划分是必要的。因为导致裂缝的主要成因不同，预防和处置的相 应措施也会有所区别。沙庆林院士在其专著t 2 s j 中给出了几点重要结论：有较厚沥青面层的半刚性路 面，裂缝主要是面层本身产生的以低温缩裂为主的温度裂缝；半刚性基层上为较薄沥青面层时，面层 中有相当一部分是反射裂缝。 合理的选择路面材料和结构组合，或采取其它抗裂措施，能改善路面体中的温度状况，减少或延 缓基层反射裂缝的向上反射，要做到着一点，必须了解裂缝在路面结构中的分布状态，以及在温度荷载 和交通荷载作用下，含裂缝沥青路面结构的应力分布。本章以京秦高速公路为例，进行了实地调查，以 期掌握裂缝发生、发展和分布规律，作为研究含裂缝沥青路面结构的力学特性的基础。 2 2 京秦高速公路沥青路面裂缝病害调查 京秦高速公路宝坻至山海关段是国道主干线的重要组成部分，全长1 9 9 3 1 公里，是国家立项建设 规模较大、标准较高的高速公路项目之一。全线按高速公路平原微丘标准设计，双向六车道一次建成 设计路基宽度3 3 5 m ，路面宽度2 x1 4 5 m ，中央分隔带3 m 。1 9 9 6 年9 月2 0 日开工建设，历时3 4 个月， 于1 9 9 9 年6 月3 0 日主体工程竣工，1 9 9 9 年9 月1 日正式通车。 全线沥青路面结构为：4 c m 多碎石( 调整) 沥青混凝土+ 5 c m 粗粒式沥青混凝土+ 6 c m 粗粒式沥青 混凝土+ 1 9 c m 水泥稳定碎石+ l s c m 二灰碎石+ 2 0 c m 石灰土底基层，部分挖方段增设了1 5 c m 透水层。其 6 第二章半刚性基层沥青路面裂缝病害调查及检测 中在七标段k 1 8 5 + 6 4 0 k 1 9 8 + 6 0 0 上面层和十标段k 2 5 0 + 0 0 0 k 2 6 3 + 9 5 0 上面层分别做了两段合计双幅 2 7 公里的s m a 沥青玛碲脂碎石路面试验段。中下面层采用加德士7 0 号重交道路沥青，表面层采用壳 牌s b s 改性沥青。骨科为：中、底面层为石灰岩，表面层为玄武岩或安山岩等。 2 2 i 裂缝的表观形态 据观测，京秦高速公路裂缝一般表现为横向或纵向裂缝，以横向裂缝居多，斜向或曲线型排列的裂 缝较少。统计表明，横向裂缝总长度占到全部裂缝长度的近8 0 。路面裂缝有单一的( 直线型裂缝) ， 也有双线、分叉或者交叉型的。裂缝多表现为离散的，互不相连，个别地点也存在网状的块裂和龟裂。 对裂缝进行检测分析，用l o o m m 的钻头，跨在裂缝上由上向下钻取试件，发现裂缝存在如下情况： 沥青面层开裂，半刚性基层也开裂，但后者的裂缝要宽许多，表现为基层反射裂缝的形态，此类裂缝 往往伴随着半刚性基层的先期破坏；沥青面层开裂，半刚性基层未开裂，裂缝表现为由面层表面自上 而下开裂，裂缝宽度表现为上宽下窄，即表面裂缝，此类裂缝多分布于行车轮迹外侧，表现为纵向裂缝， 已有国内外学者对其成因进行探讨，发现主要可能是由于温度收缩或行车轮胎造成道路表面有拉应力产 生而导致生成表面裂缝，也可能是由于沥青材料老化而引起的裂缝，并向下延伸，此类裂缝见图2 1 所示。调查表明，基层反射裂缝占剑裂缝数量的一半以上。 2 2 2 裂缝发展过程的监测 图2 - 1 表面裂缝外观形态 据观测，京秦高速公路路面裂缝从通车后的第二年即2 0 0 0 年开始出现，裂缝长度的经年变化如图 2 2 所示，由图2 2 可以看出2 0 0 0 年至2 0 0 1 年裂缝发展展为迅速，而后，裂缝长度的发展速度趋缓。 统计表明，2 0 0 1 年裂缝长度是2 0 0 0 年裂缝长度的2 0 0 ，2 0 0 2 年裂缝长度是2 0 0 1 年裂缝长度的1 4 0 ，2 0 0 3 年裂缝长度是2 0 0 2 年裂缝长度的1 3 3 ，2 0 0 4 年裂缝长度是2 0 0 3 年裂缝长度的1 2 9 。检验 也发现早期产生的裂缝一般以反射裂缝为主，后期所产生的裂缝主要是荷载及温度疲劳裂缝。 7 东南大学硕士学位论文 3 5 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 2 3 横向贯通裂缝的间隔分布 x 图2 - 2 裂缝长度的经年变化规律 根据京秦高速公路2 0 0 4 年路面裂缝的普查资料，我们对京秦高速公路路面横向裂缝的间隔进行了 统计分析，裂缝分布的统计结果见图2 - 3 、图2 - 4 所示。 图2 - 3 北京方向裂缝问隔统计 图2 - 4 秦皇岛方向裂缝间隔统计 由图中可以看出，在北京方向( 该方向为轻车方向) ，横向裂缝间距s 多分布于1 0 0 s 1 0 0 0 ( 单 位：m ) ，相对频率占到3 0 ，其次为2 0 s 5 0 ( 单位：m ) ，相对频率占到2 4 8 ：在秦皇岛方向( 该 方向为重车方向) ，裂缝间编多分布于2 0 s 5 0 ( 单位：m ) ，相对频率占到3 0 8 ，其次为 s 第二章半刚性基层沥青路面裂缝痫害调查及检测 5 0 s 1 0 0 和1 0 0 j 1 0 0 0 ( 单位：m ) ，两者相对频率均为1 9 5 。由此可知，在两个行车方向， 即使路面结构相同，贯通裂缝的密度差异仍然很大，表明交通荷载对路面裂缝的产生和发展具有十分重 要的影响，而且该路段路面裂缝仍处在不断的发展过程中，裂缝的问隔将继续趋小。 2 2 4 不同路段每公里裂缝长度和裂缝宽度的调查 经过三年多运行后，路表裂缝分路段的统计情况如图2 6 所示，其中软基段内的裂缝最多，平均( 双 幅) 2 1 1 2 m k m ，平原区平均1 3 4 2 m k m ，平原微丘区平均5 3 2m k m 。不同宽度裂缝的分布比例如图2 _ 6 所示，裂缝最窄0 2 m m ，最宽的裂缝约1 2 m ，宽度为0 5 i m m 的裂缝所占比例最大，约为3 0 ，其次 为宽度为l 3 m m 的裂缝，约为2 8 。最长的纵缝连续长2 8 6 3 m ，纵缝合计长5 8 9 1 m ，横缝合计长1 7 6 9 6 9 m 。 其中横向裂缝中半幅贯通的裂缝约8 0 1 5 0 m 一道，多数路面横向裂缝长5 1 0 m ，约占总量的7 0 。横 向裂缝密度最大的段内9 2 条k m ，平均间隔为1 0 8 7 米条。挖方段内路面裂缝较少，平均1 条1 5 0 米， s i i a 路段平均1 条2 0 0 m 。地基土质为重粘土路段内裂缝较多，砂土路基段内的路面裂缝较少。表明路 基条件对面层裂缝的产生也具有很重要的影响。 软基段平原区平原微丘区 图2 - 5不同路段裂缝长度分布 2 2 5 横向裂缝的车道分布特征 3 5 l 3 嘣 2 5 蒸2 0 蒌1 5 1 嘣 5 0 0 2 “0 50 5 i 1 “3 3 55 以上 裂缝宽度( m ) 图2 - 6 不同宽度裂缝分布 在行车方向上，秦皇岛方向韵横向裂缝累计长度超过北京方向。横向裂缝累计长度在车道之间差 异很小，这是由于两行车方向的横向裂缝基本上为贯通裂缝。横向裂缝的唧浆主要出现在第一行车道、 第二行车道次之、超车道极少，车道问唧浆的裂缝的比重差异极大，这与大型车的交通量有极大的关系。 可以推测这与大型车交通量的方向不均匀有极大的关系。 表2 i2 0 0 4 年京秦高速裂缝累计长度、唧浆状况的方向、车道分布( m ) 车道 超车道第2 行车道第l 行车道路肩总和 行车方向、裂缝类别 所