（道路与铁道工程专业论文）基于控制反射裂缝的沥青路面复合基层合理结构研究.pdf

i 毒 il，li 。 、 s t u d y o nt h es t r u c t u r eo f c o m p o s i t e b a s eo f a s p h a l t p a v e m e n tr e s i s t i n gr e f l e c t i o nc r a c k i n g ； ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r 。c a n d i d a t e ：l i ub i n q i n g ，：i 7 。；。砖， i 嗡h t 二；咒i ：一s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gx u a n c a n g ： ：1 ：c h a n g a nu n i v e r s i t y ，x i a n ， c h i n a m m l1 9447 川1y p i 妒 fit-； 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，均已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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：刹域演 z 口年亍月2 口日 ： 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) 论文作者签名：刻斌演 年月日 导师签名： 1 r 摘要 反射裂缝始终是困扰我国半刚性基层沥青路面应用的难题，该问题是造成我国沥青 路面早期破坏的主要因素。为缓解半刚性基层反射裂缝的产生，减少路面早期破坏、提 高道路使用寿命，近年来我国普遍采用复合基层的结构。由于目前未有针对抗裂性能的 设计理论，现有研究在对该结构的厚度及材料进行确定时多参照经验，未有合理的定量 计算方法。这使得该结构的应用具有较大的主观性，沥青层厚度取舍差异较大，因此复 合基层沥青路面应用亟需一套针对控制路面反射裂缝的设计方法，以提高设计过程的科 学性。 本文结合河北省青红高速的应用实践，在对国内外复合基层沥青路面使用状况调查 的基础上，针对半刚性基层的开裂特性，建立了综合干温缩状况的半刚性基层开裂预估 模型，对裸露及沥青层覆盖的半刚性基层开裂状况进行了开裂规律分析，并确立了半刚 性基层开裂状况等级划分标准；对比了柔性材料路用性能及抗裂性能，针对目前柔性材 料抗裂性能研究评价指标单一的问题，建立了柔性材料抗裂效果多指标综合评价方法； 针对半刚性基层早期开裂的特性，建立了复合基层沥青层抗裂疲劳寿命预估模型，分析 了裂缝扩展规律，首次提出了沥青层抗裂功能分区，并建立了抗裂区抗裂疲劳寿命计算 公式，同时提出了8 年使用寿命下路表反射裂缝过程控制计算方法；综合影响复合基层 沥青路面的气候因素，建立了复合基层沥青路面气候分区，依此提出了相应的推荐结构。 根据以上内容，首次提出了基于控制反射裂缝的复合基层沥青路面结构设计方法。 为对本文的研究成果进行验证，同时探讨复合基层施工技术，现场铺筑了1 0 种复 合基层结构方案4 9 6 0 米的试验，现场检测结果表明本文提供的预测模型均较为贴近实 际，为我国复合基层沥青路面研究提供了理论依据，同时也为半刚性基层沥青路面抗裂 研究提供了新的思路。 关键词：复合基层；反射裂缝；开裂预估：抗裂效果评价；抗裂疲劳寿命；结构设 a b s t r a c t i t sab i gp r o b l e mt h a tt h ec r a k sr e f l e c t e do no u rs e m i - r i g i da s p h a l tp a v e m e n t ，w h i c hc a u s e st h e e a r l yd e s t r u c t i o no f t h ep a v e m e n t r e c e n t l y , c o m p o s i t eb a s eo fp a v e m e n ti sw i d e l yu s e di nc h i n a , t or e d u c e t h er e f l e c t i v ec r a c k so fs e m i r i g i db a s ea n di m p r o v et h el i f eo ft h er o a ds e r v i c e s i n c et h a t sn ot h e o r yf o r t h ed e s i g no fc r a c kr e s i s t a n c ea tp r e s e n t , t h ec u r r e n ts t u d yo nt h em a t e r i a lc h o s i n ga n dt h et h i c k n e s s d e t e r m i n e i n ga l w a y sd e p e d e do ne x p e r i e n c e ，w i t hn or e a s o n a b l eq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o n a n dt h i sm a k e s t h ea p p l i c a t i o no ft h es t r u c t u r em o r es u b j e c t i v e ，s ot h ea p p l i c a t i o n so fc o m p o s i t eb a s en e e das e to fa s p h a l t p a v e m e n tf o rt h ec o n t r o lo f r e f l e c t i o nc r a c k si nt h ed e s i g na p p r o a c ht oi m p r o v et h ed e s i g np r o c e s sm o r e r s c i e n t i f i c t h i sp a p e rb u i l d i n gac r a c k i n gp r e d i c t i o nm o d e lc o m p o s i t i n gd e s i c c a t i o na n d t e m p e r a t u r eo nb a s eo f t h ep r a c t i c eo fq i n gh o n ge x p r e s s w a yi nh e b e ip r o v i n c e a n du s i n gw h i c ha n l i s y st h el a w so ft h ec r a c k i n g p r e d i c t i o no fb a r eo rp a v e m e n tc o v e r e ds e m i - r i g i db a s e ，t h e nac r a c k i n gr a t i n gs t a n d a r dw a sb u i l tf o r s e m i - r i g i db a s e c o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l su s e di nf l e x i b l ep a v e m e n ta n di t sa b i l i t yo fc r a c k r e s i s t a n c e ，ac o m p r e h e n s i v ee v e l u a t i o nm e t h o di sb u i l tc o m p o s i tm o r ei n d e xa b o u tf l e x i b l em a t e r i a l sc r a c k r e s i s t i n ge f f e c t am o d e li sb u l i ti nt h i sp a p e rt op r e d i c t i o nt h ef a t i g u el i f eo fa n t i - c r a c k i n g , a n dt h ec r a c k r e s i s t i n gf u n c t i o n a lz o n ei sb e e nd e f l n i t e do nt h eb a s eo fa n i s y st h el a wo fc r a c k i n gp r o p a g a t i o n ，a n dt h e a n t i - c r a c k i n gf a t i g u el i f ei sf i r s tb u l i tf o rc r a c kr e s i s t i n gf u n c t i o n a lz o n e a n da l s o t h er e f l e c t i v ec r a c k i n g p r o c e s sc o n t r o lm e t h o df o r8y e a r sl i f eo fi sp u tf o r w a r d c o m p o s i t eb a s ea s p h a l tp a v e m e n tc l i m a t e d i v i s i o ni se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rc o m b i n e dt h ec l i m a t i cf a c t o r se f f e c to fc o m p o s i t ea s p h a l tp a v e m e n t , a n ds op u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gr e c o m m e n d e ds t r u c t u r e b a s e do nt h ea b o v ec o n t e n t s ，ad e s i g n m e t h o df o rc o m p o s i t eb a s ea s p h a l tp a v e m e n ti sf i r s tp u tf o r w a r db a s e do nc o n t r o lo fr e f l e c t i o nc r a c k s f o rt h e p u r p o s eo f v e r i f i c a t i o nt h et h e o r yo f t h i sp a p e ra n d t oe x p l o r et h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , 1 0 t e s ts e c t i o n sw i t ht h el e n g t ho f4 9 6 0mw e r ep a v i n go nf i e l di nh e b e ip r o v i n c e t h er e s u l t sg a i n e df r o m f i e l dp r o o f t h et h e o r ya n dm o d e lo fi nt h i sp a p e ra sg o o dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：c o m p o s i t eb a s e ；r e f l e c t i o nc r a c k ；c r a c k i n gp r e d i c t i o n ；c r a c kr e s i s t i n gf u n c t i o n a lz o n e ； e v a l u a t i o no f r e s i s t i n gc r a c k i n g ；f a t i g u el i f eo fa n t i - c r a c k i n g ；d e s i g nm e t h o d岁ii墨， 目录 第一章绪论l 1 1 问题的提出及意义：一1 1 2 国内外研究现状。2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状4 1 3 本文主要内容及技术路线7 1 3 1 本文主要内容。7 1 3 2 本文技术路线7 第二章沥青路面复合基层应用状况调查9 2 1 国外沥青碎石类基层沥青路面典型结构分析。9 2 2 国内沥青复合基层沥青路面典型结构调查分析。1 l 2 2 1 采用沥青碎石柔性基层1 1 2 2 2 采用级配碎石柔性基层1 7 2 3 本章小结17 第三章半刚性层开裂预估及抗裂性能研究。1 9 3 1 半刚性基层裂缝调查及存在的问题1 9 3 1 1 半刚性基层沥青路面裂缝类型及其危害。1 9 3 1 2 高等级公路半刚性基层沥青路面开裂状况调查2 0 秘 3 1 3 半刚性基层沥青路面裂缝间距调查分析。2 4 3 2 半刚性基层开裂预估模型建立2 6 3 2 1 裂缝影响因素及规律分析一2 6 3 2 2 复合基层半刚性层温缩、干缩应力计算：2 8 r 3 2 3 基于干温缩状况的半刚性层开裂预估模型；3 3 3 3 半刚性层开裂预估及规律分析：3 5 3 3 1 半刚性层预估参数确定。3 5 3 3 2 半刚性层层间接触条件对开裂影响分析3 6 3 3 3 工后裸露半刚性层开裂预估分析3 8 3 3 4 复合基层结构中半刚性层开裂预估分析。4 0 3 3 5 半刚性层开裂状况总体分析评价4 1 3 4 基于开裂状况的半刚性层等级划分4 3 3 5 本章小结。4 4 第四章柔性层材料路用性能研究及抗裂效果评价一4 6 4 1 复合基层柔性层材料技术要求及存在的问题4 6 4 1 1 复合基层柔性层材料技术要求。4 6 4 1 2 复合基层柔性层材料存在的问题4 6 4 2 复合基层柔性层材料性能研究j 。4 7 4 2 1 复合基层柔性层材料组成研究4 7 4 2 2 复合基层柔性材料路用性能研究5 6 4 3 柔性材料抗裂性能分级与评价。6 2 4 3 1 柔性材料层抗裂机理分析。6 2 4 3 2 柔性材料抗裂影响因素分级评价6 2 4 3 3 柔性材料抗裂性能综合评价6 6 4 4 本章小结6 8 第五章基于抗裂疲劳的复合基层柔性层厚度确定7 0 5 1 复合基层结构沥青面层开裂机理7 0 5 2 复合基层结构抗裂疲劳寿命预估模型建立7 1 5 2 1 疲劳寿命预估理论7 l 5 2 2 复合基层柔性基层抗裂疲劳寿命计算7 3 5 3 复合基层沥青层抗裂疲劳寿命及开裂扩展规律计算7 6 5 3 1 复合基层抗裂疲劳寿命预估。7 6 5 3 2 沥青层开裂扩展规律计算分析7 7 5 3 3 不同沥青层抗裂功能划分7 8 5 3 4 沥青层抗裂功能区疲劳寿命预估7 9 5 4 基于抗裂疲劳及可靠度的反射裂缝过程控制8 0 5 4 1 公路可靠度设计标准8 0 。5 4 2 不同可靠度下裂缝反射率。8 0 5 5 基于控制反射裂缝的柔性层推荐厚度8 2 5 6 本章小结。：8 3 第六章基于控制反射裂缝的复合基层路面结构设计方法。8 5 6 1 复合基层沥青路面气候影响分级8 5 6 2 复合基层沥青路面气候分级结构设计措施8 7 6 3 基于控制开裂的复合基层推荐典型结构8 8 6 4 基于控制反射裂缝的复合基层沥青路面结构设计方法8 9 6 5 本章小结。9 2 第七章复合基层试验路验证及性能检测研究o 。9 4 一、 r 7 1 青红高速复合基层结构计算实例9 4 7 1 1 青红高速状况调查9 4 7 1 2 气候等级划分及初拟路面结构9 6 7 1 3 青红高速半刚性层开裂预估9 6 7 1 4 抗裂功能层抗裂疲劳寿命计算一9 7 7 1 5 反射裂缝过程控制计算9 7 7 1 6 青红高速复合基层试验段设置9 8 7 2 半刚性层现场施工控制及开裂状况调查验证1 0 2 7 2 1 复合基层半刚性层施工控制：1 0 2 7 2 2 青红高速半刚性层早期开裂状况调查验证：1 0 5 7 3 柔性层最佳碾压厚度及其碾压工艺研究10 6 7 3 1 沥青碎石基层最佳压实厚度确定1 0 6 7 3 2 复合基层沥青碎石层新型碾压方式1 0 7 7 3 3a t b 沥青碎石碾压工艺。10 8 7 3 4 排水基层压实工艺1 1 0 7 3 5 大粒径沥青碎石基层压实工艺111 7 4 试验段检测评价1 13 7 4 1 结构承载能力评价1 1 3 7 4 2 厚度检测115 7 4 3 压实度检测：116 7 4 4 道路渗水性能检测1 1 7 7 4 5 常规检测一118 7 5 本章小结：一1 2 0 主要研究结论及进一步研究建议1 2 2 。l 主要研究结论1 2 2 2 进一步研究建议。1 2 5 参考文献1 2 6 j 改谢12 8 j 专 长安大学硕士学位论文 1 i 问题的提出及意义 第一章绪论 随着我国道路质量、寿命及服务水平的不断提高，我国沥青路面基层结构形式也在 随之不断的更新和完善，对于路面基层的应用也经历了下面三个阶段： 上世纪5 0 年代我国道路主要为适应于中、低交通的泥结碎石及级配砾石路面，基 层主要以手摆片石、碎砖、碎石土等当地材料为主。6 0 , - - - 7 0 年代为改善路面行车质量， 开始采用沥青表面处治路面，以原来的泥结碎石及级配砾石路面作为基层，但在推广中 发现含土多、塑性指数大的泥结碎石及级配砾石基层，越来越明显的暴露出其水稳性差 的弱点。 进入8 0 年代以后，为适应高等级公路重交通及重载对道路的要求，根据我国实际 情况提出了一种以无机结合料稳定粒料( 土) 类为基层、沥青混凝土为面层的“半刚性 路面”，并被大量应用于高等级公路路面。鉴于半刚性沥青路面强度、平整度及抗行车 疲劳性能较好且新建路面价格相对国外沥青路面便宜这一特点，更加之这期间我国沥青 “强基薄面”思想的提出和广泛推广，到2 0 世纪9 0 年代后，我国高等级公路的基层类型 主要为半刚性基层。 半刚性基层较高的强度、承载能力以及良好的整体稳定性为我国“强基薄面”的沥青 路面结构提供了可靠保证，但是半刚性基层沥青路面的早期破坏一直是影响我国路面使 用寿命及服务水平主要问题。虽然我国在控制半刚性材料开裂方面研究有了较大进展， 但半刚性基层开裂问题始终难以避免。反射裂缝成为了采用刚性基层沥青路面的最薄弱 点，造成了我国沥青路面在远未达到疲劳寿命时就以发生结构破坏。开裂严重的半刚性 层开裂间距小于5 m ，即使控制良好的半刚性基层也难以避免早期开裂的发生，这使得 我国半刚性基层沥青路面“未老先衰”。一般而言，我国道路的设计使用年限为1 0 1 5 年， 但是现有道路的实际使用寿命仅能达到8 1 2 年，部分高速公路在开放交通l 2 年就出 现了开裂，3 - - 4 年或交工验收至竣工验收期就出现严重破坏的现象也是屡见不鲜，严重 影响了我国沥青路面的使用寿命f l j 。 由于全厚式柔性基层造价较高，且不适用于我国超载交通的情况，其在我国的应用 受到限制。为解决沥青路面早期开裂的问题，我国在目前沥青路面基层的研究及应用多 集中于采用全厚式柔性基层或采用半刚性基层+ 柔性基层的复合基层结构以解决我国半 第一章绪论 刚性基层早期开裂的问题。 复合基层结构研究将两种基层类型优点相结合，充分利用我国应用经验丰富、造价 低的半刚性基层，并采用柔性层作为应力消散层延缓裂缝的反射，达到提高道路使用寿 命及经济效益的目的。 由于目前复合基层柔性层厚度的选取多从结构受力角度进行，在结构受力满足要求 后往往通过增加其厚度的方法以抵制反射裂的出现，缺乏准确、定量的理论依据与针对 控制反射裂缝的路面设计方法。本文通过对国内外沥青路面结构及使用状况调查，基于 提供控制反射裂缝理论依据的理念，提出了基于抗裂性能的“柔性层+ 半刚性层”的复合 基层结构研究思路。 本文以青红高速河北段为依托工程进行沥青路面复合基层合理结构研究，本文的完 成将提出合理科学的控制反射裂缝理论及设计方法，对控制反射裂缝、提高公路建设、 设计和施工质量，降低初期工程建设投资及后期维修养护费用，合理利用当地自然材料 资源，带动当地经济发展具有很重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外在应用柔性基层方面具有较丰富的经验。美、英、法、德、澳大利亚等国规范 中的柔性基层沥青路面典型结构形式主要有两种：一种是柔性基层沥青路面，面层和上 基层采用沥青混合料，下基层采用级配碎石或砂砾基层；另一种是柔性组合式路面，即 柔性基层与半刚性基层组合结构，面层和上基层采用沥青混合料，下基层采用水硬性稳 定处理基层( 水泥或二灰) ，或在半刚性基层与沥青面层之间设置级配碎石上基层1 2 ，3 】。 ( 1 ) 二十世纪5 0 年代，美国各州公路工作者协会( a a s h t o ) 进行了著名的 a a s h t o 试验路研究，分别比较了级配碎石基层、级配砾石基层、水泥处治基层和沥 青稳定基层。研究结果显示，虽然沥青稳定基层路面与半刚性基层路面相比车辙变形比 较大，但其路面的使用品质高于水泥稳定基层。以现时服务指数( p s i ) 来衡量，可以 得出相同单位的沥青稳定基层的服务质量是水泥处治基层的1 3 倍 4 1 。 ( 2 ) 英国t r l 对5 1 条道路进行调查，已观测到的路面破坏，如车辙和开裂均为 表层车辙和表层裂缝，是非结构性破坏，即厚沥青层道路不会出现沥青基层的疲劳开裂 或来自于路面结构深层的变形，道路较少出现反射裂缝。英国早在4 0 - - - , 6 0 年代就铺筑 了几条试验路，以检验不同类型与厚度的基层的使用性能。通过对试验路几十年的变形 产 r 长安大学硕士学位论文 和开裂观测以及各项试验研究表明：青稳定碎石基层表现出较其他类型基层更好的使用 性能和经济效益。因此，沥青稳定碎石基层随后成为英国使用最广泛的基层类型。英国 常用的沥青稳定基层混合料有：d b m ( 密级配沥青碎石混合料) 、h r a ( 热拌热铺沥青 混凝土) 、d t m ( 密级配煤沥青碎石混合料) 、d b m 5 0 ( 使用针入度为5 0 的沥青) 、h d m ( 多碎石沥青混合料) 1 2 捌。 ( 3 ) 日木从东名高速公路开始采用沥青稳定碎石基层，目前多采用1 0 c m 沥青混凝 土面层和8 - 2 5 c m 的沥青稳定碎石基层，下设1 0 - 3 0 c m 粒料底基层，一般要求沥青层 最小厚度不小于1 8 c m ，寒冷积雪地区不小于2 0 c m ，传统的沥青稳定碎石基层粒径为 3 7 5 m m ，目前也使用3 1 5 m m 混合料。日本高速公路绝大部分都采用沥青稳定碎石基 层，级配碎石和水泥稳定材料作为底基层，采用沥青稳定碎石基层的沥青路面在车辆荷 载作用下耐疲劳性能好，但车辙问题较为严重。对比研究不同基层的沥青路面发现，较 厚的半刚性基层反射裂缝严重，级配碎石基层模量太低，较薄的沥青面层在重交通条件 下会迅速产生破坏。采用沥青稳定碎石基层的沥青路面的使用年限都远远大于设计使用 年限，基本都没有发生结构性破坏，仅进行表面维修就能恢复良好的路面性能，即使是 车辙现象严重的路段进行表面处治后使用性能被全面恢复，路面面层以一下的结构层次 状态良好【5 6 7 1 。 ( 4 ) 沥青碎石、沥青混凝土等与碾压碎、砾石等基层相结合的路面基层结构是挪 威等北欧国家应用的主要基层类型，该国有相应的路面结构设计方法。 ( 5 ) - - 十世纪6 0 年代，德国的典型路面结构是采用沥青混凝土与级配碎石的组合。 由于要满足抗冻厚度，需要大量优质的级配碎石，提高了路面造价，并且材料运输也为 道路交通带来了较大负担。因此，德国公路部门开始考虑采用较薄的结构层来取代厚级 配碎石层。1 9 6 9 年，研究人员将美国全厚式沥青路面结构引入德国的道路建设，进行 了大量的比较研究，用1 4 c m 的沥青基层代替了6 0 c m 厚的粒料基层，从而节省了石料 的用量，从总的经济效益上看采用全厚式结构是更有利的 2 , 3 1 。 ( 6 ) 欧洲除了法国之外，一般采用粒径较粗的沥青稳定碎石做基层，最常用的有 2 5 m m ，2 8 r a m ，3 2 r a m ，4 0 r a m ，欧洲目前正在逐渐统一规范，建议沥青稳定基层混合 料统一采用3 2 m m 混合料。欧洲北部等国如挪威、瑞典、丹麦、芬兰、冰岛，属于潮湿、 冰冻气候区，半刚性基层的使用效果很差，基本不用，高速公路绝大多数采用沥青稳定 碎石基层，较为典型的路面结构是较厚的沥青层和特厚的粒料底基层。西班牙、意大利、 比利时在高速公路上以柔性基层为主，大交通量情况下多选用沥青稳定碎石基层，也常 第一章绪论 选用半刚性材料作为沥青稳定碎石基层的底基层使用。西班牙的路面典型结构是2 0 c m 半刚性底基层上铺筑2 2 4 0 c m 沥青层；意大利路面典型结构是2 0 c m 半刚性底基层上 铺筑2 0 - 3 5 c m 沥青层；比利时路面典型结构是1 5 - - 一4 5 c m 粒料底基层上铺筑2 0 3 5 e m 沥青层；较厚的沥青层为沥青稳定碎石基层和沥青混凝土面层组合【2 ，3 1 。 就国外对复合基层结构抗裂性能研究方面而言，现有资料多集中在沥青面层抗裂性 能方面，国外在开裂性能方面研究内容如下： r o b e r tl l y t t o n 研究了基于温度疲劳开裂的沥青路面设计方法。提出了在环境条件 的反复作用下沥青层发生温度疲劳破坏，建立了基于断裂力学理论的沥青层温度疲劳计 算模型，采用s h a h i n 和m e c u l l o u g h 修正的b a r b e r 方程计算路面温度状况，对沥青路 面温度疲劳裂缝进行了开裂预估【8 】。 d o h , y o u n gs 进行了沥青混凝土层抗反射裂缝性能对比评估。采用数值化的疲劳寿 命预估模型，结合改进的反射裂缝率、d a d n 比、水平破坏帕里斯定律、d u d n 比对根 据试验选取的材料进行性能对比【9 】。 k u m a r a 等研究了沥青表面随机开裂预估方法，提出路面开裂是不可逆的，在车辆 荷载的作用下逐步发展的破坏过程，建立了基于车辆荷载的路面开裂状况预估模型。建 立了马尔科夫数学模型预测在任意荷载下裂缝的随机概率分布【1 0 1 。 g o a g o l o u 在有限元方法在路面开裂及裂缝反射时间预估中的应用一文中提出， 裂缝的出现是路面其他病害的信号。阻止裂缝出现的一个重要方面是研究能代表开裂结 构行为的数学模型，比如预测在行车荷载及温度变化作用下裂缝的发展规律。本文采用 的两个计算模型均采用基于断裂力学的二维有限元模型对因收缩裂缝引起的竖向不连 续路面进行计算【1 0 1 。 ，。由国外研究可见，国外对沥青结构层的抗裂性能预估方面已进行了较为有益的研? 究，建立了不同的预估模型及方法。但国外在复合基层沥青路面控制反射裂缝方面的研 究较少，未见到有关研究，已有研究仅针对沥青层。且未见有针对复合基层控制反射裂 缝的设计方法及相关研究资料。 因此，对复合基层沥青路面抗反射裂缝进行研究，确定其控制反射裂缝结构设计方 法对复合基层的应用具有较高的价值。 1 2 2 国内研究现状 国内近年来从半刚性基层材料角度入手，通过提高材料的抗裂及路用性能达到延长 一 r 长安大学硕士学位论文 道路使用寿命的效果，但其结构仍采用传统的沥青路面结构。在复合基层沥青路面研究 方面，国内以开始对沥青路面复合基层结构进行探索研究，并开始应用具有抗裂效果的 级配碎石、大粒径沥青碎石等柔性材料进行反射裂缝控制。 长安大学李振霞对沥青碎石类柔性基层进行了系统研究，用灰色关联分析法，对常 用的半刚性材料抗裂评价指标体系进行了评价，推导了半刚性层收缩应力的计算公式。 在对影响最大收缩应力的各种因素进行分析的基础上，对半刚性层的温度收缩裂缝进行 了预估，得到了温缩裂缝间距与宽度的近似计算公式。研究了复合基层的合理结构组合， 推荐了复合基层a t b 柔性层的厚度及模量设计参数。对复合基层沥青路面的温度场、 温缩应力进行了深入研究，得出了a t b 柔性层厚度、模量和半刚性层裂缝对温度应力 的影响规律。建立了复合基层柔性层疲劳性能预估模型，计算了复合基层结构抗裂力学 下的疲劳性能嘲。 长安大学肖亮基于路面结构耐久性的设计理念提出了复合基层沥青路面结构。从复 合基层的抗裂原理入手，进行抗裂力学分析，分析了不同柔性基层厚度与模量对防裂效 果的影响。结合复合基层沥青路面在不同沥青层厚度与重载作用下的最大剪应力分布， 分析了车辙易产生区域，提出了车辙的控制指标与标准，并对不同基层类型和不同沥青 层厚度的沥青路面进行永久变形预估。研究路面结构在不同层间接触条件下的主要抗疲 劳区域，并根据各结构层疲劳破坏顺序，提出复合基层沥青路面疲劳寿命预估模型。在 研究我国沥青路面设计目前存在的理念问题与国外柔性沥青路面设计控制指标的基础 上，结合复合基层沥青路面的主要损坏类型，提出复合基层沥青路面设计的控制指标与 标准，并相应地提出复合基层沥青路面设计方法i l 2 。 东南大学舒富民、钱振东等通过比较3 种不同类型基层特点，提出复合式基层结构： 二沥青稳定基层+ 级配碎石+ 半刚性底基层。运用国外的长寿命沥青路面设计理念，同时结 ，合国内外的设计经验，分析提出复合式基层长寿命沥青路面的设计指标。借鉴国内外相 关参数研究成果，通过参数修正，提出适合复合式基层长寿命沥青路面结构的设计标准。 葛折圣选出两种沥青稳定碎石级配，进行了应力控制的疲劳试验，研究其抗疲劳性能， 并进行了疲劳寿命预估【1 3 1 。 长沙理工李闯民、李建等采用我国现行的弯沉指标和层底弯拉应力方法、a a s h t o 方法、甜方法三种方法对复合基层结构进行了结构验算和对比分析，从得到的结果看 虽然都满足设计要求，但是存在一定的差异；对比三种设计方法，由各种设计方法的应 用范围及优缺点，通过综合评价，得到我国的设计方法不适于复合基层沥青路面。同时， 第一章绪论 在计算容许拉应变的时候，由于容许值随着路面材料的性质而改变，国外的标准和材料 性质及参数测定方法有关，与国内的有所差别，所以不宜采用a a s h t o 方法。通过计 算结果与b i s a r 验证结果分析，论文研究的路面结构并非长寿命路面结构。目前长寿 命路面的标准还没有具体的规定，但参照国内的研究，认为长寿命路面结构的要求为： 沥青混凝土层底的弯拉应变不大于1 2 0 肛，土基顶面压应变不大于2 8 0 嶂，所研究的路 面结构增加沥青层厚度是达到长寿命路面结构标准的一种方法【1 4 1 。 高立波在“柔性基层与半刚性基层组合结构在高速公路中应用的探讨”一文中，分别 采用我国现行规范设计方法和美国现行规范a a s h t o 设计方法，进行沥青路面结构设 计，将沥青稳定碎石基层、级配碎石基层与半刚性基层组合结构应用于沈阳绕城高速公 路沥青路面中修，工程取得了良好效果，但未其结构设计方法仍采用传统的结构设计， 未针对基层材料的特点结合防止开裂方面进行研强”】。 长沙理工大学谢晓刚研究了a 1 啪0 的路用性能，并计算了不同温度时、不同路 面结构在急速降温作用下各层层底的最大温度应力、应变和在车辆荷载作用下各层层底 的最大荷载应力、应变，以及两者共同作用下各层层底最大藕合拉应力、应变，并进行 对比分析，对沥青稳定碎石基层的抗裂机理进行分析与研列1 6 1 。 交通部公路科研所在西部交通建设项目的关于高速公路早期病害预防措施的研 究课题研究中，就现阶段的我国公路发展提出了自己的意见与看法，鉴于沥青路面的 使用寿命取决于基层强度及模量的衰减历程，因而在现有的国内大量的以半刚性基层为 主的沥青路面结构上提高道路使用寿命的构想是很难实现的，在这种实际情况下，推广 应用柔性基层沥青路面和复合式基层沥青路面是适宜的。 长安大学在河北省交通科技项目半刚性基层抗裂性能研究中针对水泥稳定类、 二灰稳定类基层易开裂的问题，对半刚性基层的抗裂配合比设计t 缩裂微观机理、抗裂 评价指标、整体结构温度应力、裂缝间距与宽度预估及裂缝类型和防治措施进行了系统 研究，提出了水泥稳定类、二灰稳定类混合料的抗裂配合比设计方法，提出了用抗裂指 数作为混合料抗裂设计的控制指标。通过试验路的铺筑，观察裂缝类型、间距与宽度， 提出了防裂措施。 由上可见，我国已对复合基层沥青路面设计方法及其结构进行了计算，并对柔性材 料组成进行了系统研究。但目前对复合基层厚度的确定未考虑下层半刚性层的早期开 裂；对不同柔性材料的裂缝缓冲层评价标准较为单一，通常以模量或疲劳次数作为材料 抗裂性能标志，各研究评价结果结论相差较大；缺乏定量的控制反射裂缝的柔性层厚度 p 长安大学硕士学位论文 确定方法。因此，开展柔性材料多指标综合评价，并针对半刚性层开裂状况建立定量的 控制反射裂缝结构设计方法，显得较为必要。 1 3 本文主要内容及技术路线 。 1 3 1 本文主要内容 本文通过对复合基层调查研究及现场调查，建立了半刚性基层开裂预估、柔性层抗 裂疲劳寿命预告等模型，系统研究了基于控制反射裂缝的复合基层沥青路面结构设计方 法。主要针对以下内容进行研究： l 、半刚性材料机理研究开裂预估及开裂状况评价 2 、柔性层材料路用性能及抗裂效果评价 3 、复合基层柔性层抗裂疲劳寿命预估及抗裂功能划分 4 、基于控制反射裂缝的复合基层沥青路面结构设计方法 1 3 2 本文技术路线 l 、广泛查阅国内外有关“沥青碎石柔性层+ 半刚性层”复合基层结构的应用和研究情 况以及相关文献，了解、掌握国内外在该领域的研究成果，并对相关资料进行归纳总结。 2 、在分析半刚性基层收缩开裂的基础上，推导出半刚性基层温缩裂缝间距与宽度 的近似计算公式，结合实际水温状况对半刚性层开裂间距进行预估，并对预估结果进行 分级评价。 3 、对比不同柔性材料的路用性能；采用多指标进行柔性层材料抗裂效果综合评价。 4 、建立复合基层沥青层抗反射裂缝疲劳寿命预估模型，对裂缝扩展规律进行确定， 进行路面沥青层抗裂功能分区，在分区的基础上评价各层抗反射裂缝疲劳寿命 妒 5 、对影响半刚性层开裂的气候因素进行分级，根据气候分级推荐基于抗裂性能的 沥青路面复合基层合理结构；确定基于控制反射裂缝的复合基层结构设计方法及设计程 序。 6 、通过试验路铺筑验证，验证预估模型及参数，研究复合基层沥青路面施工参数。 第一章绪论 国内外复合基层沥青路 面使用状况调查 半刚性基层开裂状况预 估模型 半刚性基层开裂状况计 算分析及开裂等级划分 基于抗裂疲劳及可 靠度的反射裂缝过 程控制 柔性材料路用性能及抗 裂性能对比评价 柔性材料综合抗裂指数 基于抗裂疲劳的复合基 层柔性层抗裂疲劳预估： 沥青层抗裂功能区划分 沥青层抗裂功能 区抗裂疲劳寿命 预估 试验路验证 基于控制反射裂缝的复 合基层沥青路面结构设 计方法 基于气候分级的复合基 层推荐典型结构 图1 1 技术路线图 8 ， 长安大学硕士学位论文 第二章沥青路面复合基层应用状况调查 复合基层结构将半刚性基层同柔性基层相结合，其使用过程同时具有半刚性基层及 柔性基层的双重特点，同时又能根据其结构组合的不同而对每种结构扬长避短，提高道 路使用寿命。因此，对沥青碎石类复合基层沥青路面使用状况进行调查，能较好的掌握 沥青路面结构的病害问题，在复合基层结构设计中予以改善。 2 1 国外沥青碎石类基层沥青路面典型结构分析 美国、日本及欧洲的经济发达国家在其高速公路沥青路面结构中较多的采用了沥青 稳定碎石类或级配碎石柔性基层，通过对这些国家部分典型路面结构进行调查，其柔性 基层路面结构如表2 1 所示。 表2 1国外典型公路采用沥青碎石基层路面结构 公路名称沥青稳定碎石类基层路面结构形式 所属国家 密歇根州s m a ( 6 5 ) + h v i a ( 1 4 或1 2 5 ) + | i m a ( 1 6 5 或1 8 ) + 级配碎石3 3 s m a ( 7 6 ) + s u p e r p a v e ( 7 6 ) + h m a ( 2 0 3 ) + s u p e r p a v e ( 5 1 ) + 石灰 德克萨斯州 稳定土2 0 3 新泽西州h m a ( 7 6 ) + h m a ( 1 7 8 ) + 级配碎石( 2 0 3 ) + 级配砂砾2 5 4 德克萨斯州 o g f c + s m a ( 5 ) + s u p e r p a v e ( 8 ) + s u p e r p a v e ( 2 5 ) + h m a ( 1 0 ) 爱荷华州 热拌沥青混凝土( 11 4 ) 斗a t b ( 4 0 6 ) 美国 爱荷华州热拌沥青混凝土( 7 6 ) + a t b ( 3 5 5 ) + 碎石土1 5 2 4 玛丽兰州 s m a ( 5 1 ) + h m a ( 6 3 ) + a h m a ( 2 9 2 ) 加利福尼亚州o