（道路与铁道工程专业论文）大粒径沥青碎石缓解层沥青路面结构分析.pdf

摘要 基层分为柔性基层、半刚性基层及刚性基层三种。半刚性基层具有整体强度高、 板体性好、承载力强且便于取材等优点，但其自身收缩裂缝及引起的沥青面层反射裂 缝难以避免。刚性基层沥青路面具有整体性好、承载力高、抗冲刷性强、路面柔顺、 易维修等特点，但刚性基层刚度大，易温缩、干缩而产生开裂，该路面结构中同样存 在沥青面层反射裂缝问题。因此，有必要开展设置裂缝缓解层的抗反射裂缝措施的相 关研究，探索沥青路面新结构。 本文主要进行了以下三个方面的研究工作：( 1 ) 根据路面断裂力学基本理论与二 维有限元方法，对设置开级配大粒径沥青碎石( o l s m ) 缓解层的沥青路面反射裂缝 扩展路径进行了数值模拟。( 2 ) 应用三维有限元方法，对设置o l s m 缓解层的沥青路 面车辆荷载应力、温度应力及耦合应力进行了力学分析。( 3 ) 通过对设置o l s m 缓解 层和普通a c 缓解层的沥青路面结构进行耦合应力对比分析，探讨了o l s m 缓解层的 防裂机理。 研究表明：在轮载与温度共同作用下，沥青路面反射裂缝并非直线向上扩展，而 是呈“之 字形向上延伸；尤其是在o l s m 缓解层中，当裂缝扩展遇到孔隙时，其扩 展路径被孔隙所阻隔而愈呈“之”字形；裂缝向上扩展的“之 字形路径曲折程度取 决于o l s m 缓解层的厚度、空隙率、孔的形状及其分布形式等因素，裂缝扩展路径愈 曲折，裂缝自下而上扩展至沥青面层顶部的时间越长，从而延长了路面使用寿命。轴 载、o l s m 缓解层厚度、沥青混凝土面层厚度是车辆荷载应力的主要影响因素；降温 幅度、o l s m 缓解层模量、厚度及空隙率、沥青混凝土面层模量及厚度是温度应力的 主要影响因素；降温幅度、o l s m 缓解层厚度、沥青混凝土面层厚度是耦合应力的主 要影响因素。o l s m 中大粒径矿料多、沥青含量少及空隙率大，这种多空隙结构可有 效阻断裂缝尖端的扩展路径，削弱拉应力和拉应变的传递能力，从而消散和吸收路面 结构应力。此外，o l s m 收缩系数较小，其大粒径和多空隙结构具有较大的塑性变形 能力，可充分吸收裂缝释放的应变能，减小路面结构裂缝处的应力集中现象，从而延 缓反射裂缝向上扩展的速度。o l s m 缓解层的防裂效果显著优于普通a c 缓解层。 关键词：o l s m 缓解层，沥青路面，反射裂缝，数值模拟，车辆荷载应力，温度应力， 耦合应力，有限元分析 a b s t r a c t a c c o r d i n gt oi t sc o m p o s i t i o nm a t e r i a l sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h eb a s ec a nb ed i v i d e d i n t ot h ef l e x i b l eb a s e ，t h es e m i r i g i db a s ea n dt h er i g i db a s e t h es e m i - r i g i db a s eh a si t s m e r i t ss u c ha sh i g ho v e r a l li n t e n s i t y , b e t t e rb o a r dc h a r a c t e r , s t r o n gs u p p o r t i n gc a p a c i t y , a d v a n t a g e o u sm a t e r i a ls e l e c t i o na n d s oo n b u ti t so w n s h r i n k a g ef r a c t u r ec a u s e sr e f l e c t i o n c r a c ki na s p h a l tp a v e m e n t t h er i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n th a si t sm e r i t ss u c ha sb e t t e r i n t e g r i t y , h i g hs u p p o r t i n gc a p a c i t 5s t r o n ga n t i w a s h o u t ，m i l d - m a n n e r e dr o a ds u r f a c e ，e a s y s e r v i c ea n ds oo n b u ti t sr i g i d i t yi sh i g l l ，i t se a s yr e d u c t i o na n da i rs h r i n k a g ec a u s e sf r a c t u r e ， r e f l e c t i o nc r a c ka l s oe x i s t si nt h er i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pr e s e a r c ho na n t i r e f l e c t i o nc r a c km e a s u r e sf o rc r a c ka l l e v i a t i o nl a y e r ，a n de x p l o r e n e w a s p h a l tp a v e m e n t s t r u c t u r e t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a i n l yc o v e r e dt h es t u d yw o r ko nt h r e ea s p e c t sa sf o l l o w s ：( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r i e so fp a v e m e n tc r a c km e c h a n i c sa n df i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g ( f e m ) ，r e f l e c t i o nc r a c kp r o p a g a t i o np a t hi sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e df o rl a r g es t o n ea s p h a l t m i x e s ( o l s m ) o fa s p h a l tp a v e m e n t ( 2 ) 3 一df e mi su s e dt oa n a l y z ev e h i c l e sl o a ds t r e s s ， t e m p e r a t u r es t r e s sa n dc o u p l e ds t r e s sf o ro l s mo fa s p h a l tp a v e m e n t ( 3 ) t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v ec o u p l e d s t r e s s a n a l y s i s f o ro l s mo f a s p h a l tp a v e m e n t a n da s p h a l t c o n c r e t e ( a c ) o fa s p h a l tp a v e m e n t ，d i s c u s s i o no na n t i c r a c km e c h a n i s m i sh e l df o ro l s m t h er e s e 玉c hi n d i c a t st h a ta sf o l l o w s ：u n d e rc o m b i n e da c t i o n o fv e h i c l e sl o a da n d t e m p e r a t u r e ，r e f l e c t i o nc r a c kd o e sn o tp r o p a g a t ei ns t r a i g h tl i n eu p w a r dt oa s p h a l tp a v e m e n t ， b u tp r o p a g a t ei n “z i g z a g l i n e ；e s p e c i a l l yi no l s ml a y e r ，r e f l e c t i o nc r a c kp r o p a g a t i o np a t h i sc u to f fb yt h ep o r ea n dg e t t i n gm o r ez i g z a gw h e ni te n c o u n t e r sp o r e ；t h ez i g z a gd e g r e eo f r e f l e c t i o nc r a c kp r o p a g a t i o np a t hi sd e c i d e db yt h e s ef a c t o r ss u c ha st h i c k n e s sa n dp o r o s i t y o fo l s m ，s h a p ea n dd i s t r i b u t i o nf o r mo fp o r ea n ds oo n ；m o r ez i g z a gr e f l e c t i o nc r a c k p r o p a g a t i o np a t hi s ，l o n g e rt h et i m et h a tc r a c kp r o p a g a t sf r o mb o t t o mt ot o pi na s p h a l t p a v e m e n ta r e ，a sar e s u l tt h es e r v i c el i f eo fa s p h a l tp a v e m e n ta r ep r o l o n g e d f o rv e h i c l e s l o a ds t r e s s ，i t sm a j o re f f e c tf a c t o r si n c l u d ea x l el o a d ，t h i c k n e s so fo l s ma n dt h i c k n e s so f a s p h a l tc o n c r e t el a y e r ；f o rt e m p e r a t u r es t r e s s ，i t sm a j o re f f e c tf a c t o r si n c l u d et e m p e r a t u r e n l d e c r e a s es c o p e ，m o d u l e ，t h i c k n e s sa n dp o r o s i t yo fo l s m ，m o d u l ea n dt h i c k n e s so fa s p h a l t c o n c r e t el a y e r ；f o rc o u p l e ds t r e s s ，i t sm a j o re f f e c tf a c t o r si n c l u d et e m p e r a t u r ed e c r e a s e s c o p e ，t h i c k n e s so fo l s m ，t h i c k n e s so fa s p h a l tc o n c r e t el a y e r o l s mc o n s i s t so fm o r e g r e a ts i z ea g g r e g a t e ，f e wa s p h a l tc o n t e n ta n dl e s sp o r o s i t y ，t h ep r o p a g a t i o np a t ha r o u n d c r a c kt i pc a nb ee f f e c t i v e l yb l o c k e db yt h i sp o r o u ss t r u c t u r e ，t h et r a n s m i s s i o na b i l i t yo ft h e t e n s i l es t r e s sa n dt e n s i l es t r a i ni sw e a k e n e d ，t h u sp a v e m e n ts t r u c t u r es t r e s si sd i s s i p a t e da n d a b s o r b e d i na d d i t i o n ，t h ec o n t r a c t i o nc o e f f i c i e n to fo l s mi ss m a l l ，i t sg r e a tp a r t i c l es i z e a n dp o r o u ss t r u c t u r eh a ss t r o n gp l a s t i cd e f o r m a t i o na b i l i t y , i ta b s o r b ss t r a i ne n e r g yt h a t r e l e a s e db yc r a c kf u l l y , a n dr e d u c e ss t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o na r o u n dc r a c k ，t h u s p o s t p o n e st h eu p w a r dp r o p a g a t i o ns p e e do fr e f l e c t i o nc r a c k t h ea n t i - c r a c ke f f e c to fo l s m i ss i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a ng e n e r a la ca l l e v i a t i o nl a y e r k e yw o r d s ：o p e ng r a d el a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ( o l s m ) ；a s p h a l tp a v e m e n t ；r e f l e c t i o n c r a c k ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v e h i c l e sl o a ds t r e s s ；t e m p e r a t u r es t r e s s ；c o u p l e d s t r e s s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盲广；堰 。孑年罗月7 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： 铋乡l 囊 碣年歹月4 日 铷一闻融1 q 脾拥嘲 长安大学硕七学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 基层是路面结构中的重要层位，主要承受由面层传来的车辆荷载的垂向力，并扩 散到下面的土基中，起到扩散路面荷载、减小路面变形、防止和减缓路面病害的出现 等作用。基层应具有足够的强度和刚度，并具有良好的扩散应力功能。按基层材料的 力学性能可分为柔性基层、半刚性基层及刚性基层三种。由于半刚性基层整体强度高、 板体性好、承载力强且便于取材等众多突出的优点，在我国高等级公路建设中得到广 泛应用。但是，随着对半刚性基层材料结构认识的不断深入，对其进一步扩大应用的 趋势越来越受到自身弱点的制约。首先，半刚性基层的收缩裂缝及引起沥青面层的反 射裂缝难以避免；其次，由于半刚性基层材料的致密性，无法排除沥青层渗入的水分， 由于水分的积存，在车辆荷载作用下造成基层表面的冲刷、唧浆及沥青混合料的水损 t 圭 亩。 为减少目前高速公路半刚性基层沥青路面病害并满足大交通量和重载交通的需 要，采用高强度、耐冲刷的刚性基层( 如贫混凝土基层) 是我国改进路面结构设计， 使其更加经久耐用的一个重要发展方向。特别是贫混凝土基层沥青路面综合了沥青混 凝土路面和水泥混凝土路面的优点，具有整体性好、承载力高、抗冲刷性强、路面柔 顺、易维修等特点。但是，贫混凝土基层刚度较大，具有较强的温缩与干缩特性，受 到来自底基层( 或垫层) 、自重和相邻板的约束，容易产生开裂。在温度与荷载综合作 用下，裂缝逐渐向上延伸，甚至贯通整个沥青面层。因此在贫混凝土等刚性基层沥青 路面结构中，最重要的问题是沥青面层反射裂缝的防治。 此外，水泥混凝土路面是我国高等级公路主要的路面结构型式之一，在2 0 世纪 9 0 年代发展最快，里程增加最多。水泥混凝土路面具有整体性好、承载力高、使用寿 命长等优点。但就目前国内外水泥混凝土路面使用状况而言，仍存在过早损坏、路面 病害、修补困难等主要问题。旧水泥混凝土路面沥青层结构的研究一直是各国道路研 究者关注的热点问题，而如何控制沥青面层反射裂缝的产生和发展至今仍是道路工程 界所面临的一大难题。 考虑到上述半刚性基层沥青路面、刚性基层沥青路面及旧水泥混凝土路面沥青层 结构共同存在的沥青面层反射裂缝问题，有必要开展设置裂缝缓解层的抗反射裂缝措 第一章绪论 施的相关研究，探索沥青路面新结构。 目前，国际上采用的抗反射裂缝缓解层主要有沥青碎石、级配碎石等，其中的沥 青碎石是一种以粗集料的骨架结构为典型特征的沥青混合料，具有优良的高温稳定性， 由于其在作为基层使用时所用的集料粒径通常较大，故称之为大粒径沥青混合料 ( l a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ) 。沥青碎石按其使用特性分为三种，即密实式、半开式 及开式。开式沥青碎石主要作为路面的内部排水层；半开式沥青碎石主要作为路面防 治反射裂缝的中间层，其由于粗集料相对较多，热稳定性很好，并且具有减少反射裂 缝的特性，因此特别适用于旧路改造，但是耐久性及水稳定性均较差；密实式沥青碎 石具有较好的高温稳定性及较高的抗压回弹模量，是全厚式沥青路面最适宜的基层结 构类型，具有优良的抗疲劳性能瞳1 。国内外沥青碎石基层的研究表明，铺设开级配大 粒径沥青碎石( o p e ng r a d el a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ) 是较为有效的防治反射裂缝的 方法之一。在旧路( 半刚性基层沥青路面或水泥混凝土路面) 改造中采用“大粒径沥 青混合料 补强技术，将大空隙沥青碎石混合料直接铺筑在旧路路面上，既可以作为 补强层，也可以作为应力扩散层防止反射裂缝，又可以作为新路面的排水层；在贫混 凝土基层上铺筑大空隙沥青碎石混合料，可有效防止或延缓沥青面层反射裂缝。 与国外相比，我国对o l s m 缓解层的研究相对薄弱，还未系统地解决其如何控制 反射裂缝的产生和发展，如何合理确定设置o l s m 缓解层的沥青路面结构厚度等一系 列问题。目前对沥青面层各方面的研究已有几十年的时间，但至今仍未有公认的合理 可行的设计方法，加之各地气候、交通及筑路条件的差异，在所取得的研究成果之间 缺乏共同的认识，给设计及施工部门的具体操作带来了极大的困难。 本文在已有研究的基础上，对设置o l s m 缓解层的沥青路面结构反射裂缝产生机 理，影响反射裂缝产生和扩展的因素，反射裂缝扩展路径模拟，o l s m 缓解层的防裂 机理，疲劳寿命预测和路面结构力学分析等方面作进一步研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 研究现状 目前，国内外道路工程界对设置o l s m 缓解层的沥青路面结构的研究工作主要有 以下3 个方面：沥青面层反射裂缝的产生机理与力学分析；大粒径沥青碎石抗裂性能 试验与路用性能研究；以及沥青层设计方法研究。 1 沥青面层反射裂缝的产生机理与力学分析 2 长安人学硕士学位论文 ( 1 ) 沥青面层反射裂缝的产生机理 对于沥青面层反射裂缝产生的原因，目前道路工程界基本形成了共识，认为沥青 面层反射裂缝的扩展模式主要有两种：剪切型反射裂缝和张开型反射裂缝。交通荷载 及温度作用是引起反射裂缝的两大因素。交通荷载主要引起剪切型反射裂缝，在车轮 偏荷载作用下导致沥青面层的剪切破坏。温度变化主要引起张开型反射裂缝。 ( 2 ) 沥青面层反射裂缝的力学分析方法 人们对沥青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，关于沥青路面结构开裂破坏研究经历了由经验型总结过渡到结合破坏力 学的理论性认识过程。相应的沥青路面结构设计( 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。在沥青路面反射裂缝的力学分析方面，国内外已开展了大 量的研究工作口卜1 。但国内外关于沥青混合料特性、沥青路面结构层厚度及上下结构 层材料性能差异、结构层间联结状态、不同抗裂措施等因素对沥青路面裂缝扩展的影 响研究尚不系统，未提出合适的沥青路面抗裂设计方法，有关的试验测试方法也不成 熟。 2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初阳m 0 1 ，断裂力学理论与方法开始在沥青路面工程中得 到应用，迄今为止经历了线弹性断裂力学、疲劳断裂力学与粘弹性断裂力学阶段。 线弹性断裂力学：其对沥青路面结构开裂破坏分析的主要贡献在于，能够计算分 析沥青路面在交通荷载和温度荷载下的开裂机理及各类反裂措施阻止沥青路面开裂的 原理，并引入了应力强度因子，能量释放率及相应的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( 包括计算参数和开裂判断准则) 。1 9 8 0 年， m o n i s m i t h 等人n 妇n 2 3 用热弹性力学，对交通荷载与温度荷载作用下的开裂基层( 或旧 路面) 与面层中的应力分布特征进行了研究，并就橡胶沥青夹层对裂缝尖顶端附近应 力集中的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。s e e d s n 3 1 等人将降温过程中旧水泥路面缝边的张开位移作 为主要特征参数，通过力学分析得出了温度收缩引起的加铺层中的应力响应，并开发 了相关的计算程序，可进行加铺层的设计及温缩型反射裂缝疲劳寿命的预估。国内长 沙交通学院利用线弹性断裂力学理论与方法，结合光弹模型试验进行了较系统的研究， 取得了一系列的研究成果n 仆n 6 1 。 3 第一章绪论 疲劳断裂力学：人们普遍采用基于应力强度因子的p a r i s 公式( 见下式1 1 ) ，见， 描述沥青路面疲劳裂缝的扩展过程，并以此计算疲劳裂缝扩展寿命n 刀叫1 9 1 。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。 a c l | d ni a ( a k ) “ 式中：幽纪卜裂缝随荷载循环次数的扩展速率； 4 卜荷载循环过程中裂缝应力强度因子的变化值； 彳、，r 材料参数。 由于沥青混合料性质的复杂性，至今关于沥青混合料及沥青路面疲劳断裂的研究 仍在进行中，与提出成熟的沥青路面设计方法还存在较大差距。 粘弹性断裂力学：沥青属于一种粘弹性材料，沥青路面开裂主要为温度型开裂， 但基于粘弹性力学方面的应用研究近几年才开始发展。研究工作主要集中在沥青材料 的粘弹性特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阳1 ，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。郑健龙、王秉纲对沥青路 面温度收缩开裂的热粘弹特性进行了研究。有部分学者与研究部门开始应用疲劳损伤 力学分析沥青路面疲劳破坏。周志刚、张起森乜门应用疲劳损伤力学理论与方法研究沥 青类路面疲劳破坏机理和各类抗裂措施( 如加筋) 的抗裂机理。 将力学理论应用于实践的基本途径之一是数值方法中的有限单元法。由于能够获 得解析解的实际问题很少，所以有限单元法在实际中得到了广泛的应用，实际的需要 反过来又促进了有限元自身的进一步发展和完善。1 9 6 5 年，张佑启、z i e n k i e w i c z 率先 提出了弹性地基板的有限元分析方法。从2 0 世纪7 0 年代起，w a n g s k 、黄仰贤、 e b e t h a r d t 等人先后用有限元法分析了w i n k l e r 地基、弹性半空间地基、层状地基上混 凝土路面的挠度和应力。随着更多学者的不断研究，有限元法可用于分析不同地基类 型、不同地基接触程度、单层和多层路面、不同荷载构形和作用位置等复杂条件下路 面的应力和位移。同时，作为研究成果，出现了许多可用于分析研究和工程设计的应 用软件，如美国陆军工程师水道研究所周瑜棠的w e s l i o i d 和w e s l a y e r 程序、波 特兰水泥协会s d t a y a b j i 等人的j s l a b 程序、伊利诺大学的i l l i s l a b 程序、黄仰 贤的k e n s l a b s 程序、黄仰贤和s h a r p 的p m r p d 程序以及华盛顿大学的e v e r f e 程 序等。由于有限单元法的飞速发展和分析模型的日趋完善，以及计算机技术的日益成 4 长安大学硕士学位论文 熟，人们对沥青路面裂缝的形成和扩展机理有了更精确的认识，使三维有限元方法和 程序在路面的应力状况分析中得到了更多的运用。 2 大粒径沥青碎石抗裂性能试验与路用性能研究 1 9 9 7 年美国得克萨斯a & m 大学、印地安那运输部等完成了美国国家联合攻关 n c h r p 项目“大粒径沥青混合料的设计和应用 的研究，提出以单粒径形成嵌挤为 条件的大粒径沥青混合料( l s m ) 级配设计方法，并制定施工指南，完成研究报告 ( ( n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ( n c h r p ) r e p o r t 3 8 6 ：d e s i g na n d e v a l u a t i o no fl a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ) ) ，该研究成果希望促进l s m 的广泛应用；1 9 6 9 年德国研究人员将美国全厚式沥青路面结构引进德国的道路建设，进行了大量的比较 研究；进入9 0 年代以后，英国道路研究所展开了长寿命道路的研究；日本主要高速公 路均采用典型的沥青稳定碎石基层路面结构，以提高其抗疲劳性能。国外n p a u lk h o s l a 和g l e na m a l p a s s 对大粒径沥青混合料用于柔性路面的加铺进行了研究，并在北卡罗 莱州铺筑美国7 0 撼验路进行研究。通过室内试验，调查研究大粒径沥青碎石混合料 抵抗裂缝和车辙的性能，并运用室内试验结果和v e s y si i i - a 道路性能预测模型，评 价了大粒径沥青碎石混合料加铺层的性能。 目前，国内对于开级配大粒径沥青碎石的研究相对较少，尚无成熟的规范可以参 考，开级配大粒径沥青碎石柔性基层在我国尚处于研究阶段。2 0 0 1 年交通部公路规划 设计院组织江苏省交通科学研究院、哈尔滨工业大学、交通部公路科学研究所、山东 省交通科学研究所及四川省公路设计院开展了公路沥青路面设计规范柔性基层专 题研究项目“大粒径沥青混合料试验研究及工程应用实践”，并依托试验路实体工程， 在旧路改造中采用“大粒径沥青混合料柔性基层 补强技术；山东省交通厅公路局、 东南大学交通分院及山东省交通科学研究所联合开展了“大粒径沥青混合料柔性基层 在老路补强中的应用研究”，提出了大粒径沥青混合料的级配设计和沥青用量确定方 法，采用应变控制模式对不同级配沥青混合料进行疲劳试验，提出了我国考虑沥青路 面剩余寿命，基于疲劳准则的沥青层设计方法和程序，对大粒径沥青混合料的施工控 制进行了系统研究，结合试验路实体工程取得了良好的经济及社会效益，实践证明该 项技术有较好的应用前景口1 。 3 沥青层设计方法 目前沥青层设计没有统一的方法，国外对旧水泥混凝土路面沥青层结构的研究较 早，并在大量试验路的基础上提出了相应的设计方法，通常应用经验法确定厚度乜2 h 2 4 1 ， 5 第一章绪论 如有效厚度法、美国沥青协会( 灿) 的弯沉法、美国陆军工程师部队( c o e ) 的补足 厚度缺额法、美国a a s h t o 经验法、基于断裂力学的沥青层设计方法等，这些设计 方法大多为经验法，即以现场试验及室内试验结果为依据，结合试验路及对加铺层实 际使用状况的调查结果为基础的设计方法，它结合本地区的具体条件制定参数，确定 经验公式或设计曲线。经验法来源于实际工程，并经过多年的试验路的观测及数据采 集经过不断的调整，因此，经验法是一种比较切合实际的设计方法。但由于国外的气 候、水文、建筑材料及交通组成与我国不同，且国外的路面设计理论与我国路面设计 中传统的理论相差较大，无法照搬套用，只能在理论分析的基础上参考借鉴。 基于我国的实际情况，也不可能耗费大量的资金进行长期的试验路观测及各种数 据采集，因此，我们可采用理论方法结合试验路的铺筑情况得出符合我国国情的加铺 层设计方法。我国现行公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) 对旧水泥 混凝土路面上加铺沥青层厚度作了指导性的要求，即“沥青加铺层的厚度按减缓反射 裂缝的要求确定。高速公路和一级公路的最小厚度宜为1 0 0 m m ，其他等级公路的最小 厚度宜为7 0 m m ”口副。规范中附录d “有沥青上面层的混凝土板应力分析对沥青加铺 层厚度的确定是以控制水泥混凝土路面的荷载应力及温度应力的综合疲劳作用不超过 水泥混凝土弯拉强度为标准的，并未考虑反射裂缝对沥青层的影响。 1 2 2 存在的主要问题 综上所述，国内外对设置o l s m 缓解层的沥青路面结构进行了大量的研究，取得 了很多成果，但鉴于该问题的复杂性，仍存在以下方面有待深入和系统的研究： 1 沥青面层反射裂缝扩展路径的数值模拟。目前对沥青面层反射裂缝产生机理的 研究较为深入，但是，对于沥青面层反射裂缝扩展路径的数值模拟的研究较少。 2 大粒径沥青碎石缓解层防裂机理研究。目前对于o l s m 缓解层的防裂机理的 研究较少，尤其是针对设与不设o l s m 缓解层的沥青路面结构，以及设置o l s m 缓 解层的不同沥青路面结构( 旧水泥混凝土路面沥青层、贫混凝土基层沥青路面) 的防 裂机理对比研究尚属空白。 3 设置o l s m 缓解层的沥青路面结构分析。目前对于设置o l s m 缓解层的沥青 路面结构在车辆荷载、温度应力以及二者耦合作用下的应力响应分析较少，有待深入 研究。 4 设置o l s m 缓解层的沥青路面结构设计方法研究。目前对于旧水泥混凝土路 6 长安大学硕士学位论文 面沥青层设计方法已有研究，但对于设置o l s m 缓解层的不同沥青路面结构( 旧水泥 混凝土路面沥青层、贫混凝土基层沥青路面) 设计方法有待进一步研究。 1 3 本文研究的主要内容及技术路线 1 3 1 主要内容 本文在已有研究的基础上，以试验路实体工程为依托，对设置o l s m 缓解层的沥 青路面典型结构进行力学分析，研究沥青路面结构的受力状况；在理论分析及有限元 计算的基础上，对o l s m 缓解层沥青路面反射裂缝扩展路径进行数值模拟，研究o l s m 缓解层的防裂机理；对o l s m 缓解层沥青路面结构进行三维有限元力学计算，通过车 辆荷载应力分析、温度应力分析以及车辆与温度共同作用下的耦合应力分析，研究路 面各结构层设计参数对路面结构应力的影响规律，为进一步研究o l s m 缓解层沥青路 面结构设计方法奠定基础。本文研究的主要内容如下： 1 不同结构组合的沥青路面断裂破坏机理 对断裂力学的基本理论及数值计算方法进行较为详细的讨论，包括裂缝尖端的应 力场、应力强度因子理论，断裂韧度与断裂准则以及裂缝的疲劳扩展理论等。 2 设置o l s m 缓解层的沥青路面反射裂缝扩展路径数值模拟 分析设置o l s m 缓解层的沥青路面结构中裂纹扩展路径的数值模拟方法；应用有 限元程序分析车辆荷载与温度应力共同作用下沥青路面结构中裂纹的扩展行为；预测 并比较设置o l s m 缓解层的沥青路面结构的疲劳损伤寿命。 3 设置o l s m 缓解层的沥青路面车辆荷载应力分析 采用三维有限元方法，分析设置o l s m 缓解层的沥青路面结构在车辆荷载作用下的 应力分布，研究路面结构应力随轴载、路面各结构层厚度( 沥青面层、o l s m 缓解层、 基层) 、路面各结构层模量( 沥青面层、o l s m 缓解层、基层、地基) 以及o l s m 缓解 层空隙率等参数的变化规律，总结指出o l s m 缓解层结构应力的主要影响因素。 4 设置o l s m 缓解层的沥青路面温度应力及耦合应力分析 在车辆荷载应力分析的基础上，针对设置o l s m 缓解层的沥青路面结构，研究温 度变化幅度、路面各结构层厚度( 沥青面层、o l s m 缓解层、基层) 、路面各结构层 模量( 沥青面层、o l s m 缓解层、基层、地基) 以及o l s m 缓解层空隙率等参数对沥 青路面结构温度应力的影响规律，并对车辆荷载与温度应力共同作用下的沥青路面结 构耦合应力进行力学分析，在此基础上总结指出o l s m 缓解层温度应力、耦合应力的 7 第一章绪论 主要影响因素，为进一步研究o l s m 缓解层沥青路面结构设计方法奠定基础；针对设 置o l s m 缓解层和普通a c 缓解层的沥青路面结构进行耦合应力对比分析，研究 o l s m 缓解层的防裂机理。 1 3 2 技术路线 本文研究的技术路线如下： 1 调研国内外沥青路面防止反射裂缝措施、理论分析方法、试验手段及设计方法， 了解国内外在该领域的研究现状及最新研究成果。 2 根据断裂力学理论及有限元法( 二维断裂有限元分析程序f r a n c2 d 、商业通 用有限元软件a b a q u s ) 对设置o l s m 缓解层的沥青路面反射裂缝产生机理进行理 论分析和数值模拟，预测并比较设置o l s m 缓解层的沥青路面结构的疲劳损伤寿命。 3 在理论分析及有限元计算分析研究的基础上，采用三维有限元方法，分析设置 o l s m 缓解层的沥青路面结构车辆荷载应力、温度应力及车辆荷载与温度应力共同作 用下的耦合应力，研究路面各结构层设计参数对车辆荷载应力、温度应力及耦合应力 的影响规律，在此基础上总结指出o l s m 缓解层车辆荷载应力、温度应力及耦合应力 的主要影响因素，为进一步研究o l s m 缓解层沥青路面结构设计方法奠定基础；通过 对设置o l s m 缓解层和普通a c 缓解层的沥青路面结构进行耦合应力对比分析，研究 o l s m 缓解层的防裂机理。 8 长安大学硕上学位论文 第二章不同结构组合的沥青路面断裂破坏机理 近年来，针对不同结构组合的刚性基层沥青路面结构的研究一直是各国道路研究 者关注的热点问题，如何控制沥青面层反射裂缝的产生和发展至今仍是道路工程界所 面临的重大技术难题，因此有必要对不同结构组合的刚性基层沥青路面反射裂缝的产 生和扩展机理进行研究。 2 1 反射裂缝的产生和扩展机理 2 1 1 反射裂缝的产生机理 不同结构组合的刚性基层沥青路面反射裂缝问题，从断裂力学的观点出发，可以 认为其内部原因主要是刚性基层的接缝或裂缝作为原始的缺陷存在引起的应力集中。 由于基层的接缝或裂缝处不能承受拉( 弯拉) 应力及剪应力( 或抗剪能力较低) ，沥青 面层承担了该处大部分的拉( 弯拉) 应力或剪应力，在交通荷载及温度的反复作用下， 沥青面层就会在基层裂缝部位附近产生反射裂缝。 研究表明，对于刚性基层沥青路面开裂问题，其主要开裂形式为荷载型裂缝和非 荷载型裂缝。荷载型裂缝主要是由于行车荷载作用而产生的裂缝。在行车荷载的反复 作用下，基层裂缝顶部沥青面层层底产生应力集中现象，并且在车轮偏荷载作下，基 层裂缝两侧产生弯沉差，引起沥青面层的剪切破坏，并逐步向上扩展，形成荷载型反 射裂缝。非荷载型裂缝主要是温度和干缩裂缝。温度下降引起张开型反射裂缝；温度 在结构层中的不均匀分布导致基层和沥青面层的收缩及翘曲而产生的反射裂缝，以及 基层完工之后由于水分变化而产生的干缩裂缝。这些裂缝在基层成型过程及在交通荷 载、环境因素综合作用下，逐渐扩展并延伸至沥青面层，形成反射裂缝。 2 1 2 反射裂缝的扩展模式 沥青面层反射裂缝扩展过程经历三个阶段啪1 ：第一个阶段为起裂阶段，沥青面层 由旧水泥混凝土路面接缝或裂缝处存在的缺陷引起；第二个阶段为稳定扩展阶段，沥 青面层在交通荷载和温度作用引起的应力集中向上发展并贯穿整个沥青面层；第三个 阶段为破裂阶段，沥青面层经过一段时间的运营，尤其是在冬季沥青层表面开始出现 裂缝。随着雨水或雪水的浸入，路面结构的承载能力明显降低，其使用寿命显著缩短。 刚性基层沥青路面反射裂缝扩展模式如图2 1 所示。 9 第二章不同结构组合的沥青路面断裂破坏机理 ( a ) 偏衙载引起的剪切型反射裂缝( b ) 降温引起的张开型反射裂缝 ( c ) 板翘曲引起的张开型反射裂缝 图2 1 刚性基层沥青路面反射裂缝扩展模式 2 2 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刚性基层沥青 路面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，可以认为沥青面层的破坏正是由于刚性基层裂缝或接缝这种原始缺陷的存在，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，就造成了沥青面层裂缝的发展，并导致结构的破坏。 2 2 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 2 所示。从沥青面层断裂特性来看，反射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( i i i 型) 则较少。 国衄皿 ( a ) 张开型裂缝( i 型)( b ) 剪切型裂缝( i i 型) ( c ) 撕开型裂缝( i i i 型) 图2 2 裂缝扩展模式 2 2 2 裂缝尖端的应力场 裂缝尖端处的应力强度因子是研究裂缝扩展规律的基础，为研究沥青面层开裂和 扩展规律，以便在设置开级配大粒径沥青碎石( o l s m ) 缓解层时提供必要的理论依 1 0 长安大学硕士学位论文 据，有必要对裂缝的应力强度因子进行分析。在刚性基层裂缝处的沥青面层中会有应 力集中，出现应力奇异点，此应力值远高于无裂缝相同点处应力，从而导致接缝处沥 青面层底部出现裂缝，裂缝向上扩展最终贯穿整个沥青面层。 由弹性问题的解析函数方法“0 1 1 引，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： 仃。善- - 1c o s 旦f 1 一s i n 旦血丝1 仃x 。了丢i c o s j 【1 一s mj 锄i j 咿去c o s 弘s n 0 2 s i n 3 2 0 。) k 臼 口30-i 。面s i n 互娜i 咖i h = 鲁怯卜驷s 三一i 3 0 】 v 。鲁压卜蛐扣i 3 0 】 ( 2 1 ) 式中：驴。裂缝弹性体的剪切模量； 工= ( 3 t ) ( 1 + ) ( 平面应力) ，x = 3 - 4 u ( 平面应变) ( j c f 为材料泊松比) ； 厂、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 。一仃伍( o r 为远场拉力强度) 。 i i 型裂缝： 印一去c o s 知c o s 鲁c o s 詈) 妒去s 二鲁c o s 罢c o s3 2 a 妒去c o s 争咖罢s 蛔詈) “玉4 g 怯卜驷罢础i 3 0 】 一疋4 - - - - g 。，h ( 2 x _ 3 ) c o s 三一s i 3 0 ( 2 2 ) 式中：k 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 一z 0 云( t 为远场剪力强度) 。 。 其他参量同i 型裂缝问题。 第二章不同结构组合的沥青路面断裂破坏机理 i 型裂缝： f 。，一錾s i n 旦 一高8 1 n i 瓦，；一磐- - i uc o s 旦 一面咖i 一争压2 a 豳旦2gv ( 2 3 ) 式中：k m 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 = t o 磊( f o 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r o 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