半刚性基层沥青路面反射裂缝控制指标研究结构设计.doc

第一章 绪论半刚性基层沥青路面反射裂缝控制指标研究结构设计第一章 绪论1.1 研究背景截至2005年底，我国公路总里程已经达到193.05万公里，高速公路通车里程达到4.10万公里，居世界第二位1。其中，大部分高速公路采用沥青混凝土面层，约占总里程的90%，我国沥青路面随着经济和交通量的发展依次经历了由低级到高级的过程。早期多为碎石路面；而后是在其上或在石灰稳定粒料上铺渣油表处形成的中低级沥青路面；进入20世纪80年代后，随着交通量的增加，我国沥青路面形式开始采用较优质量、较厚沥青面层和较高强度的水泥、石灰和粉煤灰稳定粒料（土）基层的半刚性基层沥青路面。为了推广这种路面结构，交通部分别于“七五”和“八五”期间列项重点研究，并取得了很多成果。在此期间，我国修建的高速公路绝大多数采用了半刚性基层沥青路面，这些路面大多采用较优质的重交通沥青混合料面层和半刚性基层，沥青面层厚度为923cm，半刚性基层、底基层总厚度介于4580cm之间2。由于半刚性基层具有较高的抗压强度和抗压回弹模量，并具有一定的抗弯拉强度，因此半刚性基层沥青路面的弯沉较小，荷载分布能力较强。另外，由于半刚性基层刚度大，使得其上的沥青面层弯拉应力相对减少，从而提高了沥青面层抵抗行车的弯拉疲劳破坏能力。半刚性基层具有很好的力学性能、较好的板体性及整体性，设计优良的半刚性基层能满足高等级公路“足够的强度、适宜的刚度和耐久性、较小的变形”的技术要求。在当前和今后一段时间内，半刚性基层沥青路面结构仍是我国高等级路面的主要结构形式。我国在半刚性基层沥青路面施工、使用等方面积累了大量经验。但工程实践表明，半刚性基层沥青路面存在着严重的反射裂缝问题，而且这个问题已成为该路面结构的主要缺陷。反射裂缝3（Reflective Cracking）是指己开裂的旧沥青路面或水泥路面内的裂缝在行车荷载和温度荷载的反复作用下反射到新加铺面层上形成的裂缝。而对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝特指由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下先产生收缩开裂，而后沿开裂基层向上方反射到沥青面层而形成的裂缝。6006反射裂缝是半刚性基层沥青路面裂缝的主要形式，它破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱（如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等）。尤其是随着雨水或雪水的浸入，导致基层松散，在行车荷载反复作用下，产生冲刷和唧泥现象，引起裂缝两侧的沥青路面破碎，导致沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。我国每年都要投入大量资金进行公路养护，其中很大一部分与反射裂缝导致的病害相关。所以有必要对反射裂缝进行深入研究，从而掌握其形成和扩展机理，并在此基础上提出有效的设计控制指标。1.2 国内外研究现状1.2.1 现有沥青路面设计方法概述路面设计总是以保证设计期/分析期内路面不发生过量损坏为目标的。为了达到这一目标，各国的道路工作者进行了不懈的努力和艰苦的探索，在不同时期提出了不同设计方法和设计思路。国内外的沥青路面设计方法，一般可分为经验法和力学经验法（理论设计法）两大类4。表1-1对各种沥青路面设计方法的主要特点和设计指标进行了归纳。经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构（结构层组合、厚度和材料性质）、荷载（轴载大小和作用次数）和路面性能三者间的经验关系。最为著名的经验设计方法有美国加州承载比（CBR）法和美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）法。表1-1 沥青路面设计方法设计方法路面模型损坏模型设计指标设计程序Shell法多层弹性疲劳（沥青层、结合料稳定层）车 辙（路基、路面）路基表面垂直压应变沥青面层层底水平拉应变结合料稳定基层水平拉应力路面表面总变形SPDM-PCBISARAI法多层弹性疲劳（沥青层）车辙（路基）沥青层底面拉应变土基表面压应变DAMACHEVAASHTO法试验路路面耐用性（不平整度、裂缝、修补面积、车辙）路面耐用性指数设计图表澳大利亚设计指南多层线弹性疲劳（沥青层、结合料稳定层）车辙（路基）土基顶面压应变稳定材料层底水平拉应变沥青层底水平拉应变CIRCLY日本理论法多层弹性疲劳（沥青层）车辙（路基）承载力（路基）沥青层底面拉应变土基表面压应变加固处理段土基压应力理论计算公式法国典型结构法多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（土基）冻融（路面）路基表面垂直压应变沥青面层层内水平拉应变水泥稳定基层弯拉应力路面冰冻指数ALIZEECOWINGEL1D南非力学设计法多层弹性或粘弹性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙（路基应变、粒料层）路基表面垂直压应变沥青面层层内水平拉应变水泥稳定基层弯拉应力路面表面总塑性变形路面结构表俄罗斯道路设计法多层弹性疲劳（板体层）承载力（路面）车辙（路基、中间层、沥青层）各板体结构层弯拉应力整个路面结构弯沉值各结构层剪应力设计诺谟图2002 力学经验设计指南多层弹性或非线性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙（面层、基层、土基）温度裂缝平整度疲劳裂缝数量车辙深度温度裂缝数量IRI指数JULEA（多层弹性）DSC2D（有限元）而力学经验法则是目前国际上沥青路面设计的主流方法。在弹性层状体系理论提出后的20多年中，该理论并没用得到广泛的应用。直到1962年第一届沥青路面结构设计国际会议上，壳牌公司提出了力学一经验法设计沥青路面的框架，以弹性层状体系（三层）代表路面结构，计算分析圆形均布轮载作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值，以沥青面层的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久变形作为沥青路面的主要损坏模式，选用面层底面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标。这一设计框架成为随后进行并完成的Shell设计方法的基础，并且大大推动了弹性层状体系理论在沥青路面设计理论研究中的发展。随后20余年内，各国研究人员对力学一经验法进行了大量、深入的研究工作，在路面结构的多层弹性体系和粘弹性体系解、损坏模式、设计方法、材料特性、损坏（疲劳、车辙、低温断裂）特性、轴载作用、环境（温度和湿度）影响等方面取得了丰硕的成果，陆续推出了一系列的力学经验设计法，如美国沥青协会的AI法、南非的NITRR法、法国的LPC法、英国的诺丁汉大学设计法以及美国的联邦公路局设计法，并且研制出了一些著名的设计程序，如BISAR、CHEV、ELSYM等。随着有限元方法开始应用到路面的荷载响应分析，设计方法中开始考虑粒料材料的非线性响应问题，从而能够更加合理的给出弹性层状体系或粘弹性体系的非线性响应。其中最著名的有限元软件是80年代美国国家公路合作研究计划（NCHRP）提出的ILLIPave非线性路面分析程序5。最近，NCHRP1-37A研究项目推出了令人瞩目的2002 力学经验设计指南6。此设计指南的目的是为新建和修复的公路工程提供基于力学经验原理的与实际情况一致的设计工具。2002 M-E设计指南通过力学经验法计算路面的响应，运用LTPP数据进行回归验证，建立了路面的几种关键破坏形式和平整度的预测模型，得到使用期末的路面性能是否满足性能标准要求，从而确定路面结构的设计方案。1.2.2 半刚性基层沥青路面反射裂缝研究半刚性基层沥青路面反射裂缝首先由基层收缩引起，并在行车荷载或温度荷载作用下传播到面层顶部。国内外大量针对半刚性基层本身收缩开裂的研究工作都集中在基层材料收缩性能、微观机理分析以及防裂措施方面上。而关于半刚性基层结构内收缩应力以及收缩开裂间距发展规律的理论研究则较少，主要有：孙同波7等人通过试验研究了2种主要半刚性基层材料的失水收缩特性和间接拉伸强度，并运用基层板体的收缩摩擦模型定量地分析了施工养护期间半刚性基层的干缩裂缝发展过程及空间分布情况；施为民8等人从研究裂缝的分布入手，运用弹性理论及混凝土强度理论推导了水稳碎石温度应力裂缝间距的计算公式。针对半刚性基层沥青路面中的反射裂缝问题，国内外在对沥青路面结构进行大规模试验的同时，理论分析研究也在同步进行。近十几年来，随着研究的不断深入和计算手段的逐步提高，先后出现了一些用于分析沥青面层内的应力、应变分布及反射裂缝扩展过程的方法。其中应用断裂力学分析反射裂缝问题，概念简单明确，具有较好地应用前景。这些方法大致可分为四类：静力学分析方法、有限元分析方法、断裂力学有限元分析方法和钝滞断裂带有限元分析方法9。应用断裂力学的概念能很好地解释反射裂缝的扩展问题。自从上世纪七十年代中期Majdzadeh10首先将断裂力学原理与方法引入路面研究领域以来，应用断裂力学原理研究路面结构的开裂问题，在国内外都开展了一定的研究工作。国外的研究工作概括起来有如下四个方面9：（1）应用断裂力学原理分析夹层类措施的防反机理。1980年Monismith应用断裂力学原理定性地分析了夹层类措施（SAMI、土工织物等）防治反射裂缝的机理。（2）通过试验测定沥青混合料本身的断裂参数（断裂韧性、A、n等）。Salam通过带缺口的梁式试件弯曲试验，研究了沥青混合料的断裂韧性；Molenaar及其课题组成员通过大量的室内试验研究了沥青混合料的粘弹性断裂参数。（3）分析沥青面层内的应力强度因子。1976年Lytton等人应用线粘弹性断裂力学研究了沥青路面温度型反射裂缝；荷兰Delft大学的Scarcps等人开发了专门用于分析带裂缝的沥青罩面层应力强度因子的程序CAPA。（4）预估裂缝在沥青面层中的扩展寿命。1987年Jayawickrama运用断裂力学与弹性地基梁理论，并结合裂缝扩展的Paris定律，预估了沥青罩面的寿命；1993年Lytton等人在SHRP计划沥青路面性能预估模型的研究中，在分析沥青路面的开裂（低温开裂、疲劳开裂）问题时，都应用了断裂力学原理。国内在这方面的研究起步较晚，也相对较少，主要集中在长沙交通学院的张起森及其课题组3，其主要研究工作包括：（1）应用线弹性以及界面断裂力学和平面有限元模型研究了沥青罩面层内的应力强度因子，并据此讨论了夹层类措施的防反效果；（2）通过带裂缝梁的纯弯曲试验，研究了沥青混合料的热粘弹性断裂参数；（3）通过三维光弹试验研究了带裂缝的半刚性基层沥青面层内的应力场分布情况及裂缝尖端的应力强度。1.3 研究内容、目的和意义目前高等级公路沥青路面的反射裂缝破坏较为严重，直接影响到路面的使用寿命。所以深入研究半刚性基层沥青路面的开裂机理，重新审视其设计理念，针对路面病害情况，确定路面结构的反射裂缝控制指标，优化路面结构设计方法，使其更能反映实际路用性能，对于促进我国公路交通基础设施的长期健康发展具有十分重要的实际意义。本文在调查国内外大量研究成果和参考文献的基础上，对半刚性基层沥青路面反射裂缝控制指标进行了系统的研究，研究内容主要包括：(1) 初步建立基于路面使用性能的半刚性基层沥青路面多指标设计体系框架；(2) 建立半刚性基层收缩（包括干、温缩综合作用）开裂间距的预估模型；(3) 分析基层收缩裂缝和面层反射裂缝的扩展规律，并建立不同基层开裂条件下半刚性基层沥青路面抗裂疲劳寿命的预估模型；(4) 提出半刚性基层沥青路面结构抗裂设计方法。1.4 研究技术路线本文研究的技术路线如下：(1) 国内外相关研究状况的调研查阅国内外沥青路面结构设计的文献资料和相关技术规范，调查半刚性基层沥青路面实际路用状况，广泛了解各种理论分析方法以及有限元方法在路面工程中的应用。(2) 半刚性基层沥青路面结构控制指标研究分析我国沥青路面设计体系的不足之处，根据路面实体工程使用性能的调研结果，建立以反射裂缝、车辙、温度裂缝、基层收缩开裂为控制指标的半刚性基层沥青路面的设计体系框架。(3) 半刚性基层收缩开裂分析根据半刚性基层收缩机理，建立有限元计算模型，分别分析失水率、温差、路面长度、基层模量、是否加铺面层等主要因素对结构内收缩应力和开裂间距的影响规律，并回归得到半刚性基层收缩开裂间距的预估模型。(4) 裂缝扩展分析采用基于断裂力学的有限元方法，分析在行车荷载以及温度荷载作用下基层收缩裂缝和面层反射裂缝（包括层间滑动时产生的不对应裂缝）的扩展规律，并研究不同结构参数对其的影响规律，根据改进的Paris模型计算裂缝扩展寿命，最终通过正交设计和多元线性回归得到不同基层开裂条件下半刚性基层沥青路面抗裂疲劳寿命的预估模型。(5) 半刚性基层沥青路面抗裂设计依照多指标设计体系，提出半刚性基层沥青路面结构抗裂设计方法，并以一设计实例具体说明路面结构的抗裂设计过程。85第二章 半刚性基层沥青路面结构设计的控制指标第二章 半刚性基层沥青路面结构设计的控制指标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，被广泛用于修建高等级公路沥青路面的基层或底基层，在今后很长一段时间内半刚性基层沥青路面仍将是我国道路的主要路面结构形式。目前高等级公路沥青路面早期破坏严重，按现行沥青路面设计规范（JTJ 01497）无法对此做出准确可靠的评价，因此路面结构设计控制指标和方法有待深入研究，以适应交通发展的需要。本章对我国现行沥青路面设计规范进行了评价，指出其不足之处；针对半刚性基层沥青路面的受力特征，结合路面的实际病害情况，提出了基于路面使用性能的半刚性基层沥青路面多指标设计体系框架。2.1 半刚性基层路面结构的应力特征在行车荷载的作用下，半刚性基层沥青路面的应力分布状况与柔性路面以及刚性路面不同，有着其自身的特点。为了研究半刚性基层沥青路面的结构设计指标，首先要对半刚性基层沥青路面结构的荷载应力进行分析，了解面层、基层以及底基层各自的应力状况，以便于根据不同层位的受力特征进行有针对性的路面结构和材料设计。以弹性层状体系为基础，分析在标准轴载（BZZ-100）作用下，不同基层沥青路面结构的力学响应。为了方便比较，参照江苏省交通科学研究项目“长久性路面的研究”课题的试验路对比研究，应力计算时选取了如表2-1所示的四种典型的路面结构组合11，分别代表柔性基层沥青路面、半刚性基层路面、组合式基层沥青路面以及刚性基层沥青路面，路面结构总厚度均为76cm。表2-1 不同基层沥青路面的结构组合柔性路面半刚性基层沥青路面组合式路面刚性基层路面沥青混凝土18cm，1800MPa沥青混凝土18cm，1800MPa沥青混凝土18cm，1800MPa沥青混凝土10cm，1800MPa沥青碎石27cm，1000MPa水泥稳定碎石38cm，4000MPa沥青碎石7cm，1000MPa水泥混凝土26cm，33000MPa级配碎石16cm，500MPa二灰土20cm，1000MPa级配碎石15cm，500MPa水泥稳定碎石20cm，4000MPa二灰土15cm，1000MPa水泥稳定碎石16cm，4000MPa二灰土20cm，1000MPa二灰土20cm，1000MPa2.1.1 土基内压应力铺筑路面结构层的作用之一就是扩散车轮荷载，减少路基内的应力值，防止路基产生过量塑性变形，从而导致路面结构破坏。图2-1为不同基层结构沥青路面土基内的压应力分布。从图中可以看出，随着土基深度的增加，土基内受到的压应力迅速减小；且随着基层刚度的增大，压应力逐渐减小。由于土基的塑性变形一般与其竖向压应力成正比，所以半刚性基层沥青路面内土基的永久变形比柔性路面要小得多，这也是半刚性基层沥青路面的一大优势。2.1.2 路表弯沉路表弯沉是路基和路面结构层不同深度处竖向变形的总和。图2-2为不同基层结构沥青路面路表弯沉的分布。可以看出，随着基层刚度的增加，路表的弯沉值不断减小，即路面的承载能力不断增强。在荷载中心处，半刚性基层与柔性基层沥青路面的路表弯沉值之比为0.77；随着计算点向外偏移，两者差值逐渐减小；到了远离荷载中心3m处，柔性路面的弯沉甚至大于半刚性基层沥青路面，说明半刚性基层的荷载扩散能力较强，荷载影响半径较大。2.1.3 水平向应力沥青路面结构内的水平向应力性质以及分布状态直接与路面疲劳性能相关。图2-3为不同基层结构沥青路面水平向应力随深度的分布规律。从图中可以发现，随着基层刚度由小到大，基层内承担的荷载应力比重逐渐增加，表现为沥青面层内压应力越来越小，基层内的拉应力不断增大。通过分析与疲劳性能密切相关的层底拉应力指标，可以看出半刚性基层沥青路面面层整体都受压，所以路面结构只需考虑基层的疲劳寿命。2.1.4 面层内剪应力车轮荷载引起的路表面最大剪应力超过面层材料的抗剪强度时，路面将产生各种剪切变形，形成波浪、车辙、拥包等病害，从而降低路面的使用性能。图2-4为不同基层结构沥青路面面层内剪应力分布情况。面层内剪应力沿深度方向呈现先增加后减小的趋势，在路表下36cm深度处出现最大值，这也从力学角度解释了沥青层内车辙病害主要发生在中面层的现象。随着基层刚度的增大，沥青层内的剪应力逐渐降低，产生车辙的可能性不断减小。在几种不同基层的路面结构中，半刚性基层沥青路面的抗车辙能力较强，尤其在中下面层表现更为明显。图2-1 土基顶面压应力分布图2-2 路表弯沉水平向分布图2-3 水平向应力分布图2-4 面层内剪应力分布2.2 我国现行沥青路面设计规范评述我国对沥青路面设计方法研究的历史并不长。从1958年交通部制定了路面设计规范（草案）之后，随着我国高速公路建设的发展和公路建设水平的提高，经过几十年的广泛研究，我国的沥青路面设计方法得到逐步的完善，现行的沥青路面设计规范为公路沥青路面设计规范（JTJ 01497）12采用的主要路面结构控制指标为路表弯沉值和各结构层层底拉应力。2.2.1 设计指标分析1. 路表弯沉现行规范以路表弯沉为主要设计指标，路面厚度计算是根据多层弹性理论、层间接触条件为完全连续体系时，在双圆均布荷载作用下，轮隙中心处实测路面弯沉值等于设计弯沉值为原则，力学模型如图2-5所示。图2-5 计算图式而经国内学者大量研究发现，以弯沉为设计指标存在以下的问题1315：(1) 许多高速公路在竣工验收时路表弯沉经常不大于10（0.01mm），平均值一般为56（0.01mm），远远小于路面的设计弯沉2030（0.01mm），但是短短几年内就发生严重的早期损坏，此时弯沉却并不大，往往小于设计弯沉，说明弯沉与路面破坏并不是非常对应，以弯沉为设计标准的方法对半刚性基层沥青路面已失去控制意义。(2) 对于同一种路面结构，路表弯沉值的大小可以反映出路面结构的抗变形能力，路表弯沉值小的路面结构具有较大的承载能力和较长的使用寿命。因而，可依据相同的破坏标准判断其承载能力。但对于不同种类的路面结构，路表弯沉值大的路面结构，其承载能力或使用寿命并不一定会比路表弯沉值小的路面结构差；反之亦然。因而，不能仅依据这一指标值来判断路面结构的承载能力，或者比较出不同路面结构承载能力的高低。(3) 采用路表弯沉值作为设计指标的基本观点认为，路面破坏是由于变形所引起的，即路面结构的总变形量达到一定程度后路面即出现破坏。然而，路面是一种多层结构，各层结构具有不同的几何和力学属性。路面结构的损坏，既可能是由于某一组成部分或整个结构的过量塑性变形引起，也可能起因于结构层内某处的应力或应变量超出了该处材料的疲劳强度或疲劳应变值。重复荷载和环境因素的继续作用，使该破坏点不断延伸、扩展，路面结构便随之出现不同形态的破坏，反映到路表，表现出较大的变形。而路表弯沉是一项综合性、表观性的指标，无法与具有多种破坏类型和破坏标准的不同路面结构建立起统一、协调和稳定的关联。(4) 80年代末，交通部重庆公路科研所通过半刚性基层材料环道试验研究认为，若基层厚度大于20cm，路表弯沉在经受106次荷载作用后基本趋于稳定。1998年4月、1999年5月交通部公路科研所进行的试验路加载试验也表明，对于不同厚度不同材料的半刚性基层，在不同级别的轴载作用下产生的路表弯沉在经历105次作用后基本不再变化。即使在105次作用以内，弯沉的变化规律也不明显。另外，沥青混凝土的变形量不仅受外力荷载作用，还与所处的环境温度以及荷载作用时间有关。因此半刚性基层条件下沥青路面的路表弯沉值无法反映荷载疲劳作用效果。(5) 路表弯沉指标无法控制沥青面层底部或半刚性基层底面的疲劳开裂破坏。那么，使用路表弯沉指标的主要目的，只剩下控制路基或路基和粒料层的变形量了。然而，由于路表弯沉量中包含了面层和基层的变形量，随着结构组合和材料类型的不同，路基或路基和粒料层的变形量在路表弯沉量中所占的比重有所不同，很难定出一个合适的路表弯沉指标值来控制路基或路基和粒料层的变形量。(6) 路面结构设计以弯沉作为最主要的指标，甚至是唯一的指标，使基层强度越来越强，造成对基层材料设计的误导。一些破坏的路面原来弯沉并不大，本来似乎不应该破坏，但过高的基层强度更容易因为干缩、温缩产生裂缝，水渗入基层、路基，弯沉又会变得很大。2. 层底拉应力现行规范规定，对高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层应进行拉应力验算。我国高等级沥青路面半刚性基层多采用二灰碎石或水泥稳定碎石等材料，整体性和刚度、强度都超过面层，是主要的承重层，面层只起到传递和扩散荷载的作用。通常情况下我们认为面层和基层间的接触条件为完全连续，可将这两层结构近似看作一层组合结构来分析。由于垫层和土基的模量较低，在竖向荷载作用下，组合结构层内部存在一个中性面，中性面以上各点受压，以下各点受拉（如图2-6）。面层厚度通常较薄，一般不超过18 cm，基层厚度则一般不低于20 cm，且基层模量多数情况下更大，因此两者组合的中性面位置应处于基层范围内，整个面层处于中性面以上，各点应当受压，整个面层结构在任意级别荷载作用下，底面极少出现拉应力状况，沥青面层拉应力验算指标实际上在设计时不起作用。图2-6 路面结构内应力分布即使在层间滑动接触，面层出现拉应力时，由于路面结构的疲劳寿命不单纯取决于沥青面层的应力大小，还取决于沥青面层的疲劳特性和疲劳损耗率，以及半刚性基层的底面应力大小、疲劳特性和疲劳损耗率，而沥青面层的劈裂强度略大于半刚性基层材料，尽管底面出现了拉应力，由于其应力与强度比有可能低于半刚性基层，其疲劳寿命可能仍大于半刚性基层，使半刚性基层早于沥青面层先达到设计标准而出现疲劳开裂破坏13。从大量设计实例中发现16，半刚性基层、底基层的层底拉应力一般均小于允许拉应力，其验算标准低于弯沉标准；而且工程实践表明，半刚性基层的损坏主要由温湿循环下基层的收缩引起，裂缝一般首先出现在基层表面，很少出现传统意义上的层底疲劳开裂现象。所以，半刚性基层和底基层的层底拉应力验算指标并不能准确反映路面的实际使用情况。综上所述，沥青面层、半刚性基层和底基层的层底拉应力验算指标均对半刚性基层沥青路面使用寿命不起控制作用。另外，目前结构层底弯拉应力验算仅考虑了荷载应力的作用，而在温度和湿度变化时，半刚性材料内部往往会产生如拉伸与翘曲等内应力作用，这对半刚性材料的破坏起到很重要的作用，在设计中也应该加以考虑。2.2.2 实际工程调查16为了评价按现行规范设计指标设计的路面结构在实际工程中的使用情况，以首都机场高速公路、京津塘高速公路北京段以及济青高速公路淄博段为例，通过对路面结构、交通量以及路面损坏程度的调研，并按照现行规范设计方法进行计算，以此为依据分析现行规范设计指标的适用性。1. 调查结果首都机场高速公路、京津塘高速公路北京段以及济青高速公路淄博段的路面结构设计的基本信息以及路面使用情况调查结果汇总到表2-2。表2-2 路面调查结果公路名称首都机场高速京津塘高速济青高速路面结构4cm改性沥青混凝土6cm中粒式沥青混凝土8cm 沥青碎石18cm水泥稳定砂砾16cm二灰砂砾15cm石灰土粘性土路基5cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土12cm 沥青碎石20cm水泥稳定砂砾30cm石灰土粉质亚粘土路基4cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土8cm 沥青碎石38cm二灰稳定碎石18cm二灰土20cm天然砂跞粉质中液限粘土设计容许弯沉（mm）0.2280.2800.300设计标准轴载作用次数（万次）31401124800累计标准轴载作用次数（万次）185.2（弯沉等效）126.5（弯拉等效）866.7（弯沉等效）570.0（弯拉等效）281.6（弯沉等效）159.5（弯拉等效）路面使用状况通车三年后出现横向反射裂缝，五年后增多，并陆续出现网裂等病害通车七年后出现大量横向裂缝，并有相当数量的局部网裂通车一年后陆续出现横向反射裂缝，局部路段车辙明显，超过20mm2. 验算分析按现行沥青路面的设计规范分别对这三种路面结构进行验算，结果见表2-32-5。表2-3 首都机场高速设计指标计算结果路面结构厚度（cm）抗压模量（MPa）劈裂强度（MPa）计算弯沉/应力（mm）/（MPa）容许弯沉/应力（mm）/（MPa）路表0.250.40改性沥青混凝土412001.21.6-0.140.600.80中粒式沥青混凝土610000.81.2-0.040.400.60沥青碎石86000.4-0.080.18水泥稳定砂砾1813000.40.60.030.240.36二灰砂砾1613000.60.80.140.280.38石灰土154000.20.250.060.090.12土基40表2-4 京津塘高速设计指标计算结果路面结构厚度（cm）抗压模量（MPa）劈裂强度（MPa）计算弯沉/应力（mm）/（MPa）容许弯沉/应力（mm）/（MPa）路表0.2950.272中粒式沥青混凝土510000.81.2-0.120.260.40粗粒式沥青混凝土68000.61.0-0.040.200.33沥青碎石126000.4-0.040.12水泥稳定砂砾2013000.40.60.130.200.30石灰稳定土304000.20.250.060.080.10土基40表2-5 济青高速设计指标计算结果路面结构厚度（cm）抗压模量（MPa）劈裂强度（MPa）计算弯沉/应力（mm）/（MPa）容许弯沉/应力（mm）/（MPa）路表0.2050.37中粒式沥青混凝土410000.81.2-0.160.380.57粗粒式沥青混凝土68000.61.0-0.050.260.44沥青碎石86000.4-0.080.17二灰稳定碎石3813000.40.60.080.240.36二灰稳定土186000.20.250.060.090.12土基48结合路面的实际使用状况，根据表2-32-5的计算结果，可以看出：首都机场高速公路、京津塘高速公路北京段以及济青高速公路淄博段的全线平均实测弯沉值分别为0.15mm（通车10年后）、0.28mm（通车9年后）、0.2mm（通车9年后），除了京津塘高速外，另外两条高速公路的实测弯沉值以及计算弯沉值均小于路面的容许弯沉值。按照现行设计指标来评价，路面均处于良好的使用状态，但是实际调查表明，路面仍然出现了网裂、横向反射裂缝、车辙等病害，而且部分路段的病害较为严重。各条高速公路路面结构的层底拉应力验算均满足设计要求。沥青面层底部均受压，考虑到现行设计规范中半刚性基层的弹性模量普遍取值较小，实际上沥青面层底部更不会出现拉应力；而半刚性基层底部的拉应力均小于容许拉应力，根本不起控制作用。通过分析发现层底弯拉应力指标与弯沉指标没有很好的互补性，后者的标准均高于前者，使得路面结构设计和破坏状态判定只由路表弯沉指标控制。 从各条高速公路的损坏过程来看，尤其是京津塘高速，一般为半刚性基层先出现开裂，然后逐渐出现横向反射裂缝以及网裂，其间路表的弯沉变化并不大。另外弯沉指标与路面的车辙破坏没有很好的相关性，所以说弯沉指标也没有起到控制路面结构损坏的作用。2.3 半刚性基层沥青路面的主要病害造成路面破坏的原因是多方面的，有行车荷载因素，如超载、重复荷载和水平荷载等，也有环境因素，如温度变化、湿度变化和冰冻作用等。我国半刚性基层沥青路面的病害一般表现出不同的形态和特征。同一种原因可以引起不同程度的破坏，而同一种破坏形式也可以由不同的原因所造成。根据半刚性基层沥青路面的破坏形态、特征以及原因可将路面的病害主要分为裂缝、车辙、水损害三大类17。2.3.1 裂缝根据沥青路面开裂的原因，可把裂缝分为如下几类：(1) 荷载型裂缝荷载型裂缝主要由行车荷载作用产生，一般首先出现在半刚性基层底部，并逐渐向上扩展，使得沥青面层也开裂破坏。荷载型裂缝表现在面层上往往不是单独的、稀疏的裂缝，而是稠密的、互相联系甚至是网状的裂缝（如图2-7）。(2) 温度裂缝温度裂缝主要是横向裂缝（如图2-8），一般分为两种。一种是低温收缩裂缝，当短期气温大幅下降时，沥青面层内产生的收缩拉应力或拉应变大于材料的抗拉强度或极限拉应变，沥青面层就会开裂；另一种为温度疲劳裂缝，在日温差较大的地区，沥青面层中存在较大的温度应力，这种温度应力日复一日的反复作用，使沥青路面产生疲劳开裂。实际路面上产生的温度裂缝为两者之和。(3) 反射裂缝新建半刚性基层随着混合料中水分的减少要产生干缩应力，加之由温度下降引起的温缩应力的共同作用，使得半刚性基层可能在加铺面层前就产生收缩开裂。而加铺面层后，在行车荷载和温度荷载的共同作用下，基层裂缝引起沥青面层底部对应位置开裂并逐渐向上传递，从而形成反射裂缝（如图2-9）。 2.3.2 车辙目前沥青路面的永久变形主要就是沥青层车辙问题（如图2-10），就其机理上来看，主要有失稳型车辙、结构性车辙、磨耗型车辙和压密性车辙。2.3.3 水损害路面水损坏问题主要表现在表面层松散，进而出现坑槽；中面层松散，路表泛油，进而出现推移拥包变形类破坏。网裂、松散等继续发展，使得路面上进一步出现坑洞、唧浆等病害（如图2-11）。图2-7 网状裂缝 图2-8 温度裂缝图2-9 反射裂缝 图2-10 车辙图2-11 水损坏2.4 多指标设计体系的建立鉴于我国现行沥青路面设计规范的路表弯沉指标和层底弯拉应力指标存在诸多的不足，使得设计结果无法真实反映半刚性基层沥青路面的实际使用性能，所以有必要在借鉴和研究国外沥青路面设计方法和控制指标的基础上，根据半刚性基层沥青路面的实际工作原理和使用状况，提出一个新的设计指标体系。2.4.1 基本原则新的设计指标体系要遵从以下基本原则：(1) 应针对半刚性基层沥青路面的主要病害，结构设计指标要与路面的实际使用性能相一致；(2) 应做到路面结构和材料一体化设计；(3) 应采用多指标的设计体系，不同指标控制不同的损坏类型，且各指标间应相互协调。2.4.2 主要控制指标根据路面结构的受力特征和主要破坏形态，列出了各层位内主要的结构和材料的控制因素，以满足不同层位的功能要求，见表2-6。新的路面设计控制指标主要针对半刚性基层沥青路面的两种主要破坏类型：开裂和永久变形。路面开裂主要考虑基层收缩裂缝、面层反射裂缝和温度裂缝；而由于一般认为半刚性基层是不可压缩的，所以永久变形分析中只考虑沥青面层的车辙深度。表2-6 各层位结构和材料指标结构层材料参数要求结构性能要求上面层动稳定度、蠕变参数温度收缩参数水稳定性表面特性（抗滑、平整度）抗车辙中面层动稳定度、蠕变参数抗车辙下面层疲劳断裂参数抗反射裂缝基层强度参数水稳定性抗冲刷性抗收缩裂缝土基变形累积水稳定性新的设计指标体系的基本框架见图2-12，主要包括以下的控制指标：沥青面层车辙深度、反射裂缝扩展寿命、半刚性基层收缩开裂间距以及温度疲劳寿命。其中，因为温度疲劳寿命与半刚性基层沥青路面的结构和厚度无直接关系，主要取决于沥青混合料本身的温度收缩性能，所以应通过材料设计来考虑。图2-12 设计指标体系基本框架2.5 本章小结本章通过分析半刚性基层沥青路面的受力特征、结构设计指标以及路面病害，得到以下的结论：(1) 与柔性路面相比，半刚性基层沥青路面具有较强的荷载扩散能力和抗车辙能力；(2) 现行规范的路表弯沉指标无法控制半刚性基层沥青路面结构厚度设计，沥青面层、半刚性基层和底基层的层底拉应力验算指标也无法控制路面结构的疲劳寿命；(3) 提出了以基层收缩裂缝、面层反射裂缝、车辙、温度裂缝为控制指标的半刚性基层沥青路面的设计体系框架。第三章 半刚性基层收缩开裂分析第三章 半刚性基层收缩开裂分析半刚性基层收缩裂缝的分布通常有一定规律，一般沿路线方向每隔一段距离就有一道横向裂缝，裂缝数量随时间变化逐渐增多，间距不断缩短，直到某一状态后才趋于稳定。为了确定半刚性基层收缩裂缝的控制指标和标准，本章在室内试验获取的材料参数基础上，采用有限元计算方法，分析了不同时期半刚性基层结构内收缩应力和收缩开裂间距的变化规律，为半刚性基层的结构和材料设计提供依据。3.1 半刚性基层收缩开裂机理由干、温缩引起的收缩裂缝是半刚性基层板体开裂的主要原因。新铺半刚性基层随着混合料中水分的减少要产生干缩和干缩应力。水分减少得愈多和愈快，产生的干缩应力愈大，而且施工期日夜温差的变化进一步加剧了基层内部的收缩作用。在两者综合作用下，路面体内收缩应力逐渐增长，当应力累积达到水稳材料的抗拉强度时，在最大应力处或基层薄弱处就会产生收缩裂缝。有研究表明在无合适养生或经受暴晒的情况下，水泥稳定类和二灰稳定类基层大约经过1030天就会产生收缩裂缝17。基层完工初期，半刚性基层的收缩裂缝主要是由干缩应力引起，随着时间的推移，基层干缩失水基本完成，基层的收缩转换为主要受温度应力控制，特别是经过一个冬天的降温影响，基层内部收缩裂缝进一步发展，最终形成稳定的规则裂缝。所以说半刚性基层的收缩开裂前期以干缩为主，后期以温缩为主。半刚性基层板体收缩引起的开裂受到很多因素的影响，其中以下四个方面是主要影响因素7 ：（1）由于失水收缩或温度变化引起的体积变化特性；（2）基层材料的抗拉强度；（3）基层刚度；（4）下层的约束作用。半刚性基层收缩裂缝的发展过程见图3-1。基层刚铺筑完成时，是没有裂缝的板体，由于失水、降温作用，基层板体向中轴收缩，由于下层的约束作用，板体中将产生应力；当收缩引起的拉应力大于半刚性基层板体的抗拉强度时，板体将产生开裂，在半刚性基层中部出现第一条裂缝，一段分成两段，并将随收缩变形的增大，裂缝贯穿整个基层。若基层进一步收缩，则板体中拉应力也随之增加，超过板体抗拉强度时产生第二次开裂；形成第二批裂缝，如此下去直至收缩应力小于板体材料的抗拉强度，基层被分成等间距的板块，裂缝便不再增加。图3-1 半刚性基层收缩裂缝的发展过程3.2 有限元计算模型3.2.1 有限单元法基本原理对于连续几何体的有限元应力分析，其基本过程如下18：(1) 对连续几何体的离散（即划分网格）： （3.1）式中，单元。(2) 单元特性分析：分析单元的特性，以形成单元刚度矩阵和结点荷载矩阵，具体包括：a）结点自由度（位移）矩阵：b）选择位移模式c）由结点条件确定位移模式中的待定系数，推导出形函数矩阵： （3.2）式中，形函数矩阵。d）单元应变场的表达（由几何方程得到）： （3.3）式中，几何方程算子；几何矩阵。e）单元应力场的表达（由物理方程得到）： （3.4）式中，弹性系数矩阵；应力矩阵。f）单元势能的表达 （3.5） （3.6） （3.7）对单元势能，应用最小势能原理，可得到单元的平衡关系 （3.8）式中，单元刚度矩阵；单元结点力矩阵；体积力向量；面积力向量。(3) 离散单元的装配和集成几何的集成 （3.9）结点位移的集成 （3.10）刚度矩阵的集成 （3.11）结点外荷载的集成 （3.12）形成整体刚度矩阵 （3.13）(4) 处理边界条件并且求解结点位移；(5) 求解单元内的应变、应力。3.2.2 温度应力求解方法在有限元计算中，由温度场变化而产生的温度应力属于热结构耦合问题，处理的方法一般有直接耦合和间接耦合两种19。本文使用的是间接耦合法，一般步骤为：(1) 先进行热分析，确定路面结构内的温度场分布；(2) 再进行结构分析，将上一步计算得到的路面温度场施加到结构模型上来，同时设置进行结构计算所需施加的荷载和约束条件，求解即可。3.2.3 基本假定有限元模型中采用了以下的假定:(1) 各结构层均由均质、各向同性的线弹性材料组成，不考虑材料应力松弛的影响；(2) 收缩应变在水平方向均匀分布，可简化为平面应变问题；(3) 不计路面结构自重的影响。为了方便计算，干缩应变的产生可以通过降低温度来模拟，见式3.14。 （3.14）式中，应变；d 干缩系数，10-6/；T温缩系数，10-6/；T降温幅度，；w失水率，。3.2.4 层间接触摩擦图3-2 摩擦模式由于半刚性基层收缩变形受到下层摩阻约束才会产生收缩应力，所以基层与底基层的粘结状态对收缩应力影响很大。有限元模型中层间接触采用基本的库仑摩擦模型20，即两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生。这种状态称为粘合状态（stick）。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力，在这里表面滑动是接触压力P的函数： （3.15）式中：材料属性中定义的摩擦系数；COHE粘聚滑动阻力。一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动，这种状态，即为滑动状态（Sliding）。粘合和滑动的判断决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态，或从滑动状态变到粘合状态，如图3-2所示。3.2.5 温度场模型半刚性基层在养生期间，主要受昼夜温差的影响，由于日温差变化周期较短，在路面厚度范围内呈不均匀变化，从而在结构体内形成温度梯度，产生翘曲应力，其最大值出现在基层表面。路面结构中的温度变化幅值随着深度逐渐减小，本文采用指数函数来模拟路面降温后结构内的温度场分布21，如式3.163.17所示。 （3.16）式中，Pi 路面结构第i层表面的温差，且 （3.17）式中，bi 控制温差随路面深度变化速度的因子，对于由沥青面层、半刚性基层和土基组成的三层结构，一般可取（b1，b2，b3）=（5，4，3）。3.2.6 路面结构模型进行半刚性基层收缩应力有限元计算时选取的路面结构如图3-3，包括半刚性基层、底基层和土基三部分。图3-3 路面结构图3-4 模型网格划分有限元模型选取八结点平面等参单元，在基层与底基层之间设置了接触单元，模拟下层对基层的约束作用，摩擦系数0.5，不考虑粘聚滑动阻力。由于路表温度变化对路面的影响范围在1m以内，所以选取的模型总厚度为1m。考虑到结构与荷载的对称性，只取1/2 模型计算即可。根据半刚性基层收缩机理，收缩应力最大值出现在基层中轴处，所以从中轴到边缘，有限元网格逐渐由密变疏，底基层和土基的网格也相对疏松，如图3-4所示。3.3 计算参数3.3.1 结构参数根据国内典型的半刚性基层沥青路面的结构组合选取计算参数，如表3-1所示。表3-1 路面结构参数结构层厚度（cm）弹性模量（MPa）泊松比温缩系数（10-6/）半刚