（道路与铁道工程专业论文）半刚性基层沥青路面两阶段设计方法研究.pdf

摘要 摘要 我国公路建设中广泛运用的半刚性基层沥青路面早期破坏严重，路面的实际使用寿命低于设计寿命。 目前大量出现的损坏是现行理论和规范所无法解释的，路面实践中所暴露的大量问题促使应对路面设计理 论及设计方法进行反思。本文运用有限元方法对沥青路面进行了疲劳断裂分析，研究了沥青路面裂缝的扩 展规律，并提出了两阶段路面结构设计方法，旨在探索延长路面使用寿命的途径。 首先进行半刚性基层沥青路面结构特点分析，简化半刚性基层湿度及温度场，建立半刚性基层收缩模 型，动态模拟半刚性基层的收缩开裂，揭示半刚性基层的工作状态，并对影响半刚性基层表面裂缝产生的 各因素进行了力学分析，进而分析总结半刚性基层沥青路面裂缝的类型( 疲劳反射裂缝和表面疲劳裂缝) 及 其成因。 接着建立三维有限元模型，引入奇异等参单元计算裂缝的应力强度因子，模拟路面结构裂缝的扩展行 为，详细分析不同结构层组合等对各种裂缝应力强度因子及扩展规律的影响。并采用人工神经网络的方法， 建立了沥青路面裂缝应力强度因子的预测模型。 然后建立半刚性基层沥青路面两阶段疲劳模型，对半刚性基层沥青路面疲劳开裂寿命及其影响因素进 行了系统研究，预测其两阶段疲劳寿命。 采用道路结构温度场的指数模拟简化函数，并建立二维有限元模型，同时考虑了温度变化时沥青混凝 土材料的弹性模量和温缩系数的差异性后，计算分析了半刚性基层沥青路面表面裂缝和面层反射裂缝在温 降过稃中的扩展规律，并分别对其温度疲劳断裂寿命进行了预估。 最后重新审视半刚性基层沥青路面的设计理念，在增加控制沥青路面表面疲劳裂缝及考虑半刚性基层 已存在的收缩裂缝的基础上，对沥青面层和半刚性基层进行疲劳设计，并提出了半刚性基层沥青路面两阶 段设计方法。 关键词：半刚性基层应力强度因子两阶段寿命预估神经网络路面设计 东南大学博t 学位论文 a b s t r a c t s e m i - r i g i d b a s ea s p h a l tp a v e m e n tu s e de x t e n s i v e l yi nt h ew a dc o n s t r u c t i o no fc h i n ah a ss “e r e e a r l y - d a m a g e t h ea c t u a lp a v e m e n tl i f ei sl o w e rt h a ne x p e c tl i f e al a r g ea m o u n to f d a m a g en o wa p p e a r i n gc a n n o t b ee x p l a i n e db yc u r r e n tt h e o r ya n dc r i t e r i a s ot h ep a v e m e n td e s i g nt h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d ss h o u l db e r e v i e w e di nr e s p o n s et oal a r g en u m b e ro f r e v e a l e dp r o b l e m si nr o a dp r a c t i c e i nt h i sp a p e rt h ef a t i g u e r u p t u r eo f a s p h a l tp a v e m e n ti sa n a l y z e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ec r a c kp r o p a g a t el a wo f p a v e m e n ti ss t u d i e d t h e t w o - s t a g ed e s i g nm e t h o di sp r o p o s e dt ol e n g t h e nt h ep a v e m e n ts e r v i c el i f ei np r a c t i c e f i r s t l y , t h es 仇i c n c h a r a c t e r i s t i co fs e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti sa n a l y z e d b ys i m p l i f y i n g h u m i d i t y a n d t e m p e r a t u r e f i e l d o f s e m i - r i g i d b a s e ，t h es l l r i n k a g e m o d e lo f s e m i - r i g i db a s e i ss e t u p t o d y n a m i c a l l y s i m u l a t et h eb a s es h r i n k a g ec r a c k t h ew o r k i n gs t a t eo fs e m i - r i g i db a s ei su n c e v e r o d ，a n da l lf a c t o r sa f f e c t s e m i - r i g i db a s es u r f a c ec r a c ki sa n a l y z e db ym e c h a n i c s s ot 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 tc r a c kt y p e sa n d c a u s e se r es u m m a r i z e d t h e nb ye s t a b l i s h i n g3 - df m i t ee l e m e n tm o d e le n dc a l c u l a t i n gt h ee r s c k ss t r e s si n t e n s i t y 舭t o r ( s ) b y i n t r o d u c i n gs i n g u l a r i t ye l e m e mt os i m u l a t ec r a c kp r o p a g a t i o no f p a v e m e ms t r u c t r r e ，t h ei m p a c to f s t r u c t u r el a y e r c o m b i n a t i o no nt h es i fa n dc r a c kp r o p a g a t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l ap r e d i c t i o nm o d e lf o ra s p h a l tp a v e m e n t c r a c ks i fi s 贼u p u s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h et w o s t a g ef a t i g u em o d e lo fs e m i - r i g i d 。b a s ea s p h a l tp a v e m e n ti se s t a b l i s h e d , t h ef a t i g u el i f ea n di t s i m p a c tf a c t o r sa r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da n dt h et w o - s t a g ef a t i g u el i f ei sp r e d i c t e d t h et e m p e r a t u r ef i e l do f p a v e m e n ti ss i m p l i f i e da se x p o n e n tf u n c t i o na n da2 - df i n i t em o d e li se s t a b l i s h e d t h ep r o p a g a t i o nl a wo fs u r f a c ec r a c ka n dr e f l e c t i v ec r a c ki ns e n “- r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti sa n a l y z e dd u r i n g t e m p e r a t u r ed r o p p i n g , a n dt h ec r a c k s t e m p e r a t u r ef a t i g u el i f ea r ep r e d i c t e dr e s p e c t i v e l y , t a k i n ga c c o u n to ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea s p h a l te o r e r e t ee l a s t i cm o d u l ea n dt h et e m p e r a t u r e s h r i n k a g ec o e f f i c i e n tw h e n t e m p e r a t u r ev a r i e s f i n a l l y , t h ed e s i g ni d e ao fs e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti ss c r u t i n i z e da g a i n b a s e do nt h ea d d i t i o n a l c o n t r o lo fs i r f a c ef a t i g u ec r a c ko fa s p h a l ts t h 商a c ea n dt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ee x i s t i n gs h r i n k a g ec r s c ki n s e m i - r i g i db a s e ，t h et w o - s t a g ed e s i g nm e t h o do fs e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti sp r o p o s e df o rt h ef a t i g u e d e s i g no f a s p h a l tg a f f a c ea n ds e m i - r i g i db a s e k e yw o r d s ：s e m i - r i g i db a s e ；s u e s 8i n t e n s i t yf a c t o r ；t w o - s t a g e ；l i f ep r e d i c t ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ； p a v e m e n td e s i g n 第一章概述 第1 章概述 1 1 国内外半刚性基层沥青路面结构使用现状 1 1 1 国内情况 我国于2 0 世纪8 0 年代中期开始建设高速公路，随着我国经济的迅速发展，高速公路的里稃不断增加， ( 2 0 0 4 年公路水路交通行业发展统计公报表明【l 】：公路建设随着国家综合实力的提高和州部大丌发战略 的实施而得剑空前的发展，截i k2 0 0 4 年底，全国公路总里程达到1 8 7 0 7 万公里。其中高速公路3 4 2 8 8 公 里。预计到2 0 2 0 年我国的高速公路将达到8 万公里。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，而被广泛用于修建高等级公路沥青路面的基层或底基层。我国在建或已建成的高速公 路，据统计9 0 以上采片j 半刚性基层沥青路面。今后一段时间半刚性基层沥青路面仍将是我国i 虱道主1 = 线 的主要路面结构形式。同时，在我国的机场建设和城市道路建设中也广泛地选用沥青路面。因此，不断提 高半刚性基层沥青路面的设计、施工和维修管理水平并防止和控制路面的早期破坏，对于促进我国公路变 通基础设施的健康发展具有特别重要的意义。 为提高我国半刚性基层沥青路面的设计及建设水平，国家从七百期间开始组织开展了“高等级公路半 刚性基层、重交通道路沥青面层和抗滑表层的研究”，对沥青混合料的岛温稳定性，低温抗裂性，沥青面 层开裂机理、车辙和疲劳、抗滑表层设计和应用，半刚性基层材料的强度特性、收缩特性及组成设计要求 等进行了深入的研究，提出了较为完整的研究报告。而八五期问，则在全国范围内组织歼展了“半刚性基 层渤青混凝土路面典型结构研究”，并取得了丰硕成果。表1 - 1 列出了我国部分已建高速公路的路面结构及 厚度口】【3 】。 我国高速公路沥青路面结构表1 - 1 道路简名 泐青面层厚度( o m ) g 称 基层厚度( c m ) 名称氐丛层厚度( c m ) 名称总厚度( m ) 沂淮江1 6 5 中粒式、中粒式，料粒式3 4 _ 二灰碎石 2 0 二灰t7 0 5 淮盐1 8 细粒式、中粒式、粗粒式 3 8 水稳碎石2 0 二灰上 7 6 京福( 山东段)1 5 中粒式，中粒式、粗粒式2 6 二狄碎石2 9 二狄土 7 0 沪嘉1 9 中粒式、粗粒式，贯入式3 6 石灰粉煤狄碎石 2 0 砂砾7 5 莘松2 3 中粒式、粗粒式、沥青碎石3 4 石灰粉煤灰碎石 1 5 砂砾7 2 京石( 北京段) 1 5 细粒式、中粒式、泐青许石2 0 水泥砂砾2 0 二灰砂砾 5 5 京深 1 2 中粒式、粗粒式1 5 二灰井石帅析狄上 6 7 广花7 中粒式2 0 水泥碎石3 4 水泥为屑 6 1 广深3 2 中粒式、租粒式、渤青碎石2 3 水泥碎石 5 5 级配未处治碎石1 1 0 海南东干线 1 2 中粒式、粗粒式、沥青碎石 2 0 水泥井石2 0 水泥碎石 5 2 济青1 8 中粒式、粗粒式、沥青碎石 3 4 水泥砂砾1 5 石灰l 6 7 青岛一黄岛9 中粒式，粗粒式 2 0 水泥碎石2 5 水泥井石5 4 1 5 水泥碎石 郑州一洛阳1 5 中粒式、粗粒式、沥青碎石2 4 石灰土 6 9 + 1 5 二灰碎石 沪宁改选前1 6 中粒式、粗粒式、粗粒式2 8 二灰碎石 3 3 二灰土7 7 ( 江苏段) 改造后2 0 细粒式、粗粒式、粗粒式3 6 ( 4 0 ) 水稳碎石 2 0 旧路血铣刨料 7 6 ( 8 0 ) 佛一开 1 8 中粒式、沥青碎石2 5 水泥确屑2 3 级配碎石 6 6 深一汕1 4 中粒式、粗粒式2 5 水泥自屑 3 2 级配碎石7 l 两安一铜j i i1 2 中粒式、沥青碎石2 1 二灰砂砾 2 2 铀灰土5 5 东南人学博十学位论文 南京一南通( 扬川段)1 6 中粒式、粗粒式、柑粒式 2 0 一狄砰正l 3 3 f i 狄上 6 9 石家庄一安阳 1 5l l 粒式、柑粒式， 千l 粒式 2 0 水泥井石4 0 = 灰卜 7 5 右一太( l 北段)1 5 中粒式、沥青井石、渤青碎自2 2 二扶井石 2 5 | 扶t 6 2 瞄江高速公路( 江阴段)1 8 细粒式、粗粒式、粗粒式3 8 水稳碎石2 0 二灰上7 6 扬州绕城高速1 8 细粒式、粗粒式、粗粒式3 6 水稳碎打 2 0 一灰上 7 4 从表1 - l 中可看出我国高速公路人部分为半刚性基层泐青路面结构，而在这些汕青路面中，水泥稳定 碎石( 砂砾) 、二狄稳定碎石( 砂砾) 半刚性材料成为土要的基层材料。面层厚度普遍在l 和1 8c l l l 范围， 面层最厚的也有3 2 e r a ( 广深高速公路) ，最薄的为广花高速，仅7 e m 。另一个主要差别是半刚性基层厚度和 类型，基层最厚的为沿江高速江阴段的3 8 c m 水稳碎石，最薄的是京深高速的1 5 c m 的二灰碎自。路面总 厚度以广深高速的1 1 0 c m 为最厚，最薄的为5 1 e r a ( 海南东干线) ，从以上数据可以看出我国岛速公路的厚度 著异较大，这也间接说明了我国沥青路面设计方法还需进一步的改进。 1 1 2 国外半刚性沥青路面的结构类型及发展 为了提高路面的承载能力，法国采用了人茸半刚性基层结构。6 0 、7 0 年代日i 期采用的“复合结构”是其 沥青路面上要结构形式，该结构同我国现在半刚性路面大体相同，沥青层较薄，8 - - 1 6 e r a ，半刚性层较厚， 2 8 - - 4 2 e m 。但是人帚的半刚性路面的裂缝成为道路维修的一个非常头疼问题，为了缓解半刚性基层反射裂 缝问题，法国先后义采_ 【i j 了混合型、倒装结构两种半刚性路面类犁【4 】【5 “。在8 0 年代后“混合结构”代替“复 合结构”成为半刚性沥青路面的土要形式，“混合结构”即粟用半刚性基层但尽帚减薄半刚性材料层的厚度， 水泥稳定碎石作底基层，厚度为1 8 2 5 c m ，在半刚性底摧层与面层之间，要求设置一定厚度的沥青基层混 合料，沥青层总厚度为1 9 2 7 e m 。倒装结构在8 0 年代末开始使用，即在沥青稳定碎石基层和水硬性结合 料稳定层之间设置1 2 c m 级配优良的湿拌粒料央层水泥稳定粒料底基层厚度为2 0 n 2 8 c m ，沥青层总厚度 为l 扣1 8 e r a 。其一般土基( 士基模鼍5 0 m p a ) t o 交通等级( 初始平均日交通量7 5 0 2 0 0 0 ) 公路的典型路面结 构形式址表1 2 。 法国沥青路面典型结构表表1 2 结构层血层基层底丛层 结构类掣沥青混凝上水泥粒料水泥粒料 厚度，c m7 1 42 5 2 5 南非沥青路面结构设计采用典犁结构法，在设计规范中推荐了典型结构。表1 - 3 为南非在1 9 9 6 年版的 城问和乡村道路柔性路面结构设计规犯中推荐的不同道路等级的路面结构组合形式。 不同道路，交通等级的柔性半刚性路面类犁( 惟荐，不推荐) 表l - 3 路面类型 道路分类与交通等级 abc 与d 基层底基层 e s l 0 0e s 3e s l 0 e s 3e s le s 3e s l砸s 0 3 级配碎石 一 碎石水泥稳定 热沥青 井 一 混合料 水泥稳定 水泥碎硝 稳定 水泥稳定- 4 e s 3 ，e s l 一当量累i i 交通轴次为1 0 0 、1 0 、3 ，1 百万次。 在表1 - 3 中，根据基层和底基层材料类犁，共有6 种不同组合形式，涵盖了所有道路等级的道路。其 中基层材料分别为级配碎石、热沥青混合料和水泥稳定碎石三种，底基层材料为级配碎石和水泥稳定碎石 两种，而在南非9 0 以上的路面结构组合为碎石基层+ 水泥稳定底基层结构。 2 第一章概述 英国汕青路面结构组合设计的发展 表1 4 1 9 5 9 1 9 6 3 建设时间 1 9 7 0 1 9 7 5目前 123 沥青面层厚度( ) 1 01 02 0 51 7 5 2 0 基层厚度( 锄) 2 52 0 1 51 7 ，52 5 丛层类型水泥稳定粒科水泥稳定粒料水泥稳定粒料贫混凝上贫混凝上 路面结构总厚度( 铘)3 5 3 03 5 53 54 5 所承担交通量( n a s a ) 2 7 - - 2 91 0 5 94 2 5 2 3 9 6 2 6 3 注：表中m s a 为百万次轴载作用次数，英国的标准轴载为8 0 k n 。 从表1 - 4 可以看出英国沥青路面结构随着时间有很人的变化，基层由半刚性基层逐步向刚性基层过渡， 路面总厚度在1 9 7 5 年前几乎相同，但是面层厚度总的来说是逐渐增加的，1 9 7 5 年后无论沥青路面总厚度 还是沥青面层厚度都有较大增加，这种路面结构组合所承担的交通黾也高于以前的几种路面结构组合，可 见路面结构厚度增加路面所能承担的交通量也随之增加，路面的使用寿命也会增大。 其它一些国家在高等级公路上实际采用过的半刚性基层沥青路面结构见表1 5 。 其它国家曾经用过的沥青路面结构 表l 一5 国家面层及厚度( 伽) 基层及厚度( m )底丛层及厚度( m )总厚度( m ) 浇汁式沥青混凝土3 5 + 8 5 + 砂砾 德国贫混凝土1 5 防冻层4 5 沥青混凝士1 8 荷兰沥青混凝i 4 + 4沥青稳定砂砾1 2 1 8水泥稳定砂1 5 4 0 3 5 4 6 6 沥青混凝土4 + 9 沥青贯入式1 7 5 + 砂砾2 57 1 5 美国 水泥结碎石1 6 沥青混凝上5沥青稳定碎石1 9砂砾1 5 + 加固底丛层1 5 5 4 沥青碎石6 1 0 + 西班牙沥青混凝土3 5 + 4 6 级配或水泥砂砾1 54 8 5 6 水泥砂砾2 0 中粒式沥青混凝上4 + 粗粒式6 + 水泥，e l 屑( 路拌) 1 2 + 波兰 水泥石屑( 厂拌，2 7 ) 1 0 7 沥青混合料8 石屑5 0 国内外沥青路面结构组合比较表明，我国沥青路面结构总厚度总体上比国外沥青路面要厚一些，多在 7 0 c m 左右，国外虽然也有不少超过7 0 c m 的，但是如果去掉防冻层和级配砂砾，大都在5 0 c m 左右，比我 国泐青路面结构要薄2 0 c m 左右。但同时可以看出多数经济发达的国家的沥青面层厚度都较厚，如日本、 荷兰、德国，面层厚度为2 0 e m 至3 0 c m ，主要采用沥青稳定粒料和贫水泥混凝土做基层，稳定细粒土( 水 泥土、石灰土) 只用作底基层，有的国家只用作路基改善层。使用广泛的结合料是水泥和沥青，石狄使用 的比较少。许多国家用针入度级沥青稳定碎行做基层的上层，而且用沥青做结合料的结构层的总厚度( 面 层+ 基层的上层) 常大于2 0 u n ，从洳青层厚度上看要比我国沥青结构层厚度厚。 1 2 现有沥青路面设计方法评述 沥青混凝土路面设计方法的发展是随着交通的发展与路面结构、材料不断地革新而同步发展的。由于 沥青混凝士路面结构从一开始建造，其主要目的就是为保护路基土，使之不经受车辆的直接作用。通过路 面传播至土基的应力被扩敝而不会造成土基过大的沉降，这一点反映在设计思想及设计方法上，主要是控 制土基项面应力及垂氲位移量，如1 9 0 1 年的美国麻省( m a s s a c h u s e t t s ) 道路委员会的方法，1 9 3 3 年的唐氏 ( d o w n s ) 修正公式，1 9 3 4 年的葛莱式公式( g r a y ) ，1 9 4 0 年的( g o l db e c k ) 公式等，都是运用古典土力学公 式验算，由于路面结构的存在使- 十基所承受的荷载应力降低的效果“j 。 沥青混凝土路面经验设计法的提出是由于古i i 理论公式已无法客观地描述路面结构的实际工作状态， 设计结果也无法验证。因此人们通过大鼍的野外测试，修筑试验路对实际车辆行驶效果进行系统观察，形 3 东南大学博卜学位论文 成了以牟辆付找作刚f 确保路面结构承载能力为核心的经验改计法。如荚国公路局的分类指数法( 1 9 4 5 ) 、 加拿人马克里奥设计法( 1 9 4 6 ) 、美国陆军工剧兵部队的c b r 设计法( 1 9 4 5 ) 、美国a a s h t o 设计法( 1 9 6 1 ) 以 及以上述方法为基础改进的各国的经验设计方法等。经验设计法的完善为现代公路渤青混凝十路面设计提 供了可靠的保让，特别是在设计极限标准、路面结构的工作状态、车辆衍载作用与重复加载效府等方面所 积累的成果使得沥青混凝十路面设计方法进入一个新的阶段。 鉴于经验设计法有一定的地区性和局限性，因此人们致力于研究更有普遍性或适用性的方法。生产的 需要和科学技术的发展，特别是数学和计算技术的发展，推动了理论分析的逐步完善。现代理论分析设计 法是以波米斯特( d m b u r m i s t e r ) 1 9 4 3 年发表的双层体系理论解析解为起始的。在波米斯特1 9 4 3 年的论着 发表之后他于1 9 4 5 年义提出了三层弹性体系理论。1 9 4 8 年福克斯( l f o x ) 和汉克( h a n k ) 给出了数值解，1 9 5 1 年阿嫩姆( a e a c u m ) 和福克斯等人及1 9 6 2 年琼斯( a j o n e s ) 和皮蒂( k r p e a t t i e ) 发表了三层体系实用 图表，我国道路t 作者自6 0 年代以后在双层体系、三层体系数值解方面开展了大量卓有成效的研究工作。 这些理论研究成果为理论解析设计法奠定了坚实的基础。 理论分析法不受经验的限制，任何新材料、新结构组合，只要符合理论分析的结果，均可提出作为选 择评比与案，在技术先进、经济合理的原则之下择优选用。现在已有一些国家和地区建立了以层状体系理 论为基础的沥青混凝十路面结构设计方法，其中较为完善的有英荷壳牌石汕公司、美国地沥青协会、中国、 前苏联、比利时等国的方法，其它还有许多国家采纳了此方法，或者正在研究阶段。r 面对各国设计方法 作一简单介绍。 1 2 1a a s h l d 方法 a a s h 0 ( 现为a a s h t o ) 设计方法产生于1 9 5 8 1 9 6 2 年问的a a s h o 道路试验，是一个产生了重大影响的设 计方法。a a s h t o 法提出了路面现时服务能力指数p s i 的概念，以反应路面的服务质最，并通过对相同路段 的上观评价与客观评价，建立了p s i 与路面状况的关系，如式( 1 - 1 ) 所示。 - - - - - - - - - 一 一， p s i = 5 0 3 1 9 1 1 9 ( 1 + s v ) 一o 0 1 x c + f 一1 3 8 r d f 卜1 ) 1 9 8 6 年和1 9 9 3 年分别对路面设计指南进行了适当改进，设计中引入了结构可靠度和路面排水条件的 影响等，但其仍是基于经验设计力法。而2 0 0 2 年版的a a s h t 0 ( m e ) 路面设计指南则是采用了力学计算 加经验的设计方法，并提出了以f ) l 个损坏类型标准：永久变形、疲劳开裂、温度丌裂和平整度i r i 指数 模型。 l 永久变形：路面总牟辙母按式( 卜2 ) 计算。 p d = p d c + 戌k + p ( 卜2 ) 1 ) 渤青层车辙计算模型： 二巴= 瓦1 0 一35 儿髓r 15 6 0 6 。4 7 9 2 4 4( 1 3 ) 式中：巳一累计塑性应变；一回弹鹿变；卜温度；n _ 荷载重复作用次数；k 一一考虑渤青层总厚度 h 。与计算点深度z 的一个系数： 墨= m 1 0 3 9 h i + 2 4 8 6 8 h a 一1 7 3 4 2 + ( 0 0 1 7 2 h ：一1 7 3 3 1 吃+ 2 7 4 2 8 ) z 0 3 2 9 1 8 6 2 ( 1 4 ) 2 ) 粒料层或路基车辙模型： 吒( ) ：肠。( 盯唧 l 6 r ( 卜5 ) 式中：屯一粒料层或路基在标准轴载作用n 次后的甥性变形：n 一荷载重复作用次数；乞一平均乖直 4 第一章概述 应变；h 一层厚度：一回弹应变；岛，p ，尸一材料参数；如修正参数，粒料层取2 o ，路基土取8 0 。 3 ) 保护路基层土不产生较大车辙模型： j=屈。葺(勺)局(1-6) 式中：，一荷载作用次数；屈l 一模型修正系数；墨，岛一材料参数 2 疲劳开裂 n = 0 0 0 4 3 2 c 3 ”( 扩 t ， 式中：c 一为空隙率v 。和沥青体积率v 。的函数，c = 1 0 “；卜肘= 4 8 4 ( 圪+ ) 一0 6 8 7 5 ； b 一为渤青混合料的动模量；q 一弯拉应变；修正系数。 3 温度开裂：建立应力强度因子模型及裂缝扩展模型，进行开裂量的预估。 k = a ( o 4 5 + 1 9 9 c 。“) ( 1 - 8 ) c = 4 k ”( 1 9 ) 式中：k 一裂缝应力强度因子；盯一裂缝尖端深度处应力：c o 一当前的裂缝长度；a c - - 在n n n 期内裂缝深度增奄；k 一在降温周期内应力强度冈子的增量；a ，玎一沥青混合料的断裂参数。 4 平整度i r i ：总的i r i 预竹按式( 卜1 0 ) 计算。 i r i = 删；+ 龇+ ( 卜1 0 ) 式中：删j 一初始平整度；巩，d 一由于路面损坏造成的平整度变化；a 次k 一现场系数s f 变化造 成平整度的变化。 1 2 2s h e l l 设计法 s h e l l 设计方法是由英、荷壳牌石油公司研究所研究、发展和完善起来的基于力学分析的设计方法， 1 9 6 3 年发表了设计计算图解法，1 9 7 8 年提出了较为完善的壳牌路面设计手册( s p d m ) ，现已发展为基于计 算机的s h e l l 法。 s h e l l 设计法考虑了两项主要设计标准和两项次要设计标准。两项士要设计标准是沥青层底面的容许 水平拉应变8 ，和路基顶面的容许竖向压应变巳，控制标准如式( i - 1 1 ) 和式( 1 - 1 2 ) 所示 = c n 4 ” 巳= o 0 1 8 ( 或o 0 2 1 ) ”( 卜1 2 ) 式中：n 一累计标准荷载作用次数：c - 与沥青层模量有关的系数；0 0 1 8 ( 或0 0 2 1 ) 一保证率 为9 5 时取0 0 1 8 ，保证率为8 5 时取0 0 2 1 。 s h e l l 的两项次要标准是水泥稳定类材料底面的弯拉应力和路表面的永久变形。水泥稳定类材料底面 的弯拉应力采用式( ( 卜1 3 ) 控制： 5 东南大学博j 学位论文 o r 2 = q l ( 1 一o 0 7 5 l g ) 式中：c r r 2 容许弯拉应力：q 1 材料的极限弯拉强度。 为了控制新建路面不产生过量的车辙，提高路面的平髂度，保证新建路面的使用质量 于静态蠕变试验的车辙预估模犁一渤青层厚度、层内的平均应力和渤青混凝七劲度的函数 式( ( 卜1 5 ) 所示。 a h ：砌旦 s m k = c 脚z o ( 1 - 1 3 ) s p d m 建立了基 如式( ( 卜1 4 ) 、 ( 1 - 1 4 ) ( 1 1 5 ) 式中：舳一车辙深度； l _ 沥青层厚；c r o 一标准轮载作用下的应力：s i n i x 一沥青混合料的劲度；c m 一动态因子；z r 一构造因子，用以调整试验室的单轴静态蠕变试验与实际路面侧向为受约束状态不一致而 造成的结果误差。 1 2 3 a i 设计法 a i 法采用的设计标准与s h e l l 法相同，即沥青层底面的水平拉应变，和路基表面的竖向压应变也。， 以控制沥青层的裂缝和路面的永久变形。沥青处治层的变形人小则通过材料的性质柬控制。路面寿命与， 占c 的关系为： n = a ( 1 e , ) 6 n = a ( i 占。) 6 ( 1 - 1 6 ) ( 卜1 7 ) 式中：卜路面开裂时的付载作用次数；q 一反复施加的拉应变：一反复施加的压应变；a ，卜系数， 根据疲劳试验得出，但要加以修正，以反映路面的使用性能。 a i 法吸收了各国有关路面设计的重大科研成果，井加以外延，考虑了沥青混合料的粘弹性特性及粒料 的非线性。当沥青层较薄( 厚度为7 6 1 0 0 m m ) 、交通量较小时，该方法的设计结果较为保守：当交通量较 大而沥青混凝士厚度义较大时，设计结果较为接近实际。 1 2 4 澳大利哑设计方法 澳人利亚设计方法对典犁的深层高强度_ j j 青路面( 厚的沥青稳定基层+ 无机结合料稳定材料底基层) 的结构分析认为需综合考虑无机结合料稳定丰j 料层和沥青层的疲劳寿命，即当路面中无机结合料稳定材料 层达到其疲劳寿命而产生疲劳断裂，路面就进入裂缝后使用期。其它路面各层仍可保证路面承受一定荷载 作_ j 次数。无机结合料稳定材料开裂i j 视为各向同性，在路面承受的正常府力范围内表现出线弹性，路面 设计取片j 现场养生2 8 大利料的弯拉模鼍。无机结合料稳定材料疲劳裂缝出现以后，裂缝继续扩展，性能 大人降低，在疲劳丌裂后的力学计算，被视为二维各向异性，取无机结合料稳定材料的竖向模带值5 0 0 m p a ， 泊松比0 3 5 。 澳人利亚设计方法中采_ ；i 的醍计指标为土基顶面压应变，无机材料层底拉应变和沥青层底拉应变，其 与疲劳寿命的关系分别为， 土基顾面的容许压席变： 6 第一章概述 = 9 3 1 0 3 4 1 ” 式中，是土基项面竖向微应变。n 是达到允许的标准轴载累计作用次数。 无机结合料稳定材料： ：陋! ! ! ! 芝竺型 ” l胪j 式中，n = 重复加载次数：z 腰= 荷载产生拉戍变；e = 无机结合料稳定材料模龟。 普通沥青混合料最大拉应变： ( 1 1 8 ) ( 1 - 1 9 ) 肚掣考竽j 。， 式中，n = 允许荷载重复作用次数；v b = 沥青体积百分率；w = 荷载产生的拉应变；s 。= 混合料劲 度模量。 考虑无机结合料稳定材料丌裂的路面寿命由下式计算： 沥青层疲劳虬= m 一+ 卜簧詈 也一 式中；以= 沥青层疲劳设计总衍载( 当量轴次) ；l r = 无机结合料稳定材料疲劳设计荷载( 第一 阶段使用寿命) ：h m = 无机结合料稳定材料开裂前状态下，沥青层疲劳设计荷载；2 础s = 无机结合 料稳定材料开裂后状态下，沥青层疲劳设计荷载( 第二阶段使用寿命) 。 = 十 - 一矧 式中：j = 路面达到允许最大变形的当景标准轴载作用次数；1 w r = 无机结合料稳定材料疲劳设 计荷载( 第一阶段使用寿命) ；l m = 无机结合料稳定材料开裂前状态下，达允许最人变形的当量标准 轴载作用次数；2 埔= 无机结合料稳定材料开裂后状态下，达到允许最大变形的当量标准轴载作用次数 ( 第二阶段使用寿命) 。 1 2 5 我国现行设计方法 与国外主要设计方法不同的是我国沥青路面设计规范中仍主要以路表弯沉作为设计指标，并以沥青面 层和半刚性基层的层底拉应力为验算指标，考虑了结构层材料的疲劳性能。利用结构强度系数足与材料的 劈裂强度得出结构层底面的容许拉应力，如果按照弯沉设计的路面结构验算的层底拉应力小于或等于该容 许拉应力，则厚度满足，否则，需要重新计算，盲到满足。即： 吒 ( 卜2 1 ) = 警 ( 1 - 2 2 ) 式中：d j 沥青稳定基层材料的容许拉应力( m p 8 ) ； d 矗沥青稳定基层材料的劈裂强度( m p a ) ； k 抗拉强度结构系数。 东南大学博1 学位论文 对于沥青稳定基层泐青路面，根据规范有； k = 0 0 9 以也”2 ( 卜2 3 ) 式中：以沥青稳定基层利料级配类型，细、中粒式沥青混凝十为1 0 ，粗粒式泐青混凝土为1 1 。 通过式( 卜2 3 ) 得出在一定的标准轴载作用次数下的抗拉强艘结构系数k ，然后利用式( 卜2 2 ) 得出容许 拉应力盯。，根据仃。进行路面结构厚度计算。 从以上分析可以看出虽然各国的设计方法有所不同，但国内外路面疲劳设计的性质是一致的，其中大 部分设计方法均为一阶段设计，澳人利咿设计方法采用了两阶段设计，但它是以半刚性基层模昔取值的不 同区分半刚性基层开裂前后西种不同的应力状态，而对于沥青层开裂前后状态的不同却没有加以考虑。 由于路面的疲劳破蜘、存在一个裂缝发生和扩展的过程，所以路面结构设计时应充分考虑剑这两种虑力 状态的不同，把这两阶段区别丌来，第一阶段是从结构完好到裂缝的产生，第二阶段是从裂缝扩展区至路 面破坏。裂缝扩展的影响是一个极为复杂的问题，根据重庆公路科学研究所对1 2 个试什疲劳裂缝的肉眼 观察，即使在简支梁状态f ，裂缝扩展的影响也是相当可观的。试件疲劳寿命与丌裂时加载次数的比值为 1 5 7 2 ，平均为2 9 ( 标准差1 7 4 ) ，显然，对于实际路面这个比值将人得多。b s c o f f m a n 在室内悬臂 梯形梁的挠曲疲劳试验中观察到当温度在一6 4 以上时，裂缝在付载作用剑疲劳寿命一半时产生，而实际 路面以表面出现裂缝为破坏标准，与材料底面刚出现裂缝的作用次数有很人差异。而且由于实际路面有基 层或路基的支承作用，使裂缝扩展时间进一步增加。s f b r o w n s l 认为，由于裂缝扩展的影响，可使室内疲 劳试验结果与实际路面寿命相筹2 0 倍。考虑裂缝从底面扩展剑顶面，一些研究者如c o p p e r ，p e l l 常采用 2 0 倍的系数，f i n n 用1 3 倍的系数。可以看出一阶段设计方法多采用对室内疲劳试验乘以修正系数对裂缝 扩展予以考虑，但它对于结构中裂缝扩展的反映是没有理论基础支撑，所以需要一个适当的_ 方法对裂缝扩 展寿命进行预测。 1 3 疲劳断裂模型研究现状 目前裂缝扩展多用疲劳断裂力学方法进行研究，其疲劳寿命就是微裂缝从假设或所测的初始尺寸扩展 到破坏的临界尺寸的扩展次数。一般认为p a r i s 方程较好的描述了裂缝扩展规律 9 】，见式( 1 - 2 4 ) ，p a r i s 认 为在一个应力循环区域，疲劳裂纹增长牢紊与应力强度冈子增帚k 有以下关系： 一d c = 彳( k ) 一 d n 、 a k = k 。一k ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 式中，c 为裂缝长度；n 为荷载作用次数；a 、，为材料常数；j ( 二x 二为衍载循环过程中最大 和最小府力强度冈子，与衍载、试什尺寸和边界条例有关。采用断裂力学分析方法不仅能够解释裂缝的扩 展，而且能够预测路面的使用寿命。 根据式( 1 - 2 4 ) 还可以得到 - o s ( 嘉 礼脚舶s 斌 m z e ， 式中：b 9 4 是v 方向的截距，n 是直线的斜率a 此式表明，k s ( 嘉 与b s 斌之间呈线性关系， 由此可以朋疲劳试验结果来确定断裂力学参数a 和n 。 自从6 0 年代初半经验性的p a r i s 裂纹扩展规律提出后，陆续有学者对它提出了这样那样的修正，试图 8 墨二垩堡堕 使之在物理意义上更完善，其中较著名的有w a l k e r 裂纹扩展规律和f o m l a n 规律。 w a l l k e r 规律 10 】除了考虑应力强度因子幅值k 对裂纹扩展速率的影响外，还认为应当考虑峰值衍载 时的应力强度因子k 的影响： 嘉= 4 衅 m 2 7 ) f o r m a n 规律”1 1 考虑了更多的因素，将材料的断裂韧度k k 也考虑为影响裂纹扩展速率的因素： 生：尝些( 1 - 2 8 ) d n 0 一r ) j 一a k 式中： r ：垒 盖“ ( 1 2 9 ) 在上两式中，a 、i n 、n 等均为材料参数。f o r m m 规律的优点在于解释了当应力强度因子接近断裂韧 度时，裂纹扩展速率急剧加大这一事实。 k l e s n i l 和l u k a s 1 2 l 考虑了应力强度因子门槛值，提出以下改进的p a r i s 公式： 嘉刊( 丛k 弼) ( 1 - 3 0 ) d o n a h u e 等”建议以下公式； 嘉刊( 斌一) ” ( i - 3 1 ) m c e v i l y1 4 】提出拟合整个裂缝扩展曲线的公式： 素叫斌一峨) 2 ( 1 + 瓦a k ( m 。z ， d o w l i n g 和b e g l e y i ”1 认为在大变形屈服条件下，应力强度因子准则不再有效，故他们虑用了j 积分来 描述疲劳裂缝的扩展速率： 嘉刊( 圳 ( 1 - 3 3 ) a 和n 受荷载频率、边界条件、温度、材料中微裂纹的分布及模型尺寸的影响。l y t t o n 等研究认为a 和n 与衙载模式无关，应力控制与鹿变控制的小粱试件的疲劳开裂试验结果一一致。虽然改进的断裂力学模 型很多，但p a r i s 模型以它的简洁明了仍然在道路上得到了广泛的应用。 1 3 1 沥青混合料断裂力学模型参数 近几年来，随着线弹性和粘弹性断裂力学理论的发展及其在工程实际中的广泛应用，路面结构中的裂 缝扩展问题研究在公路界得到了应有的重视。m a j i d z d e h 和r a m s a m o o j l l 6 】 2 0 l ，m o n i s m i t h 口1 】【2 2 】，m o l e n a a r 2 3 1 是用断裂力学方法研究沥青混合料和路面疲劳开裂的土要研究者。他们均假设沏青路面含有初始裂缝，并 用p a r i s 模型去描述整个疲劳丌裂的过程。其人部分研究都集中在通过室内试验确定裂缝扩展的参数，a 和n ，及初始裂缝长度c o 上。 m a j i d z d c h 和r a m s a m o o j 1 州1 ”研究了支承在弹性地基上的梁及简支粱的疲劳裂缝扩展其中弹性地基 用橡胶层模拟，其结果见表1 - 6 。 p a r i s 公式中裂纹扩展参数a 和n j i d z a d e n 【1 7 1 等) 表1 - 6 试件材料 a ( m m e y c 岫 简支粱 沥青砂5 c5 x l o - 3 4 沥青砂2 5 3 1 5 x 1 0 。3 0 5 9 尔南大学博i 学位沧文 渤占砂2 5 1 4 1 x i f f 8 3 0 5 沥青砂5 1 5 x 1 0 。83 3 5 弹件地基j ，的粱沥青砂2 5 3 3 6 x 1 0 。”3 7 2 m a j i d z a d e h 和k a r a