60分类号 U4 密 级 公开
UDC 625 学 号 041830
东 南 大 学
硕 士 学 位 论 文
半刚性基层沥青路面反射裂缝
控制指标研究
研究生姓名： 李 强
导师姓名： 倪富健 教授
申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 道路与铁道工程 论文提交日期 2006年 12月15日 论文答辩日期 2007年1月18日 学位授予单位 东 南 大 学 学位授予日期 2007年 月 日 答辩委员会主席 陈荣生 教授 评 阅 人 陈荣生 教授 吴建浩
高工
2007 年 1 月
RESEARCH ON THE DESIGN INDEXES OF REFLECTIVE CRACKING IN SEMI-RIGID BASE ASPHALT PAVEMENTS
A Dissertation Submitted to
Southeast University
For the Academic Degree of Master of Science
BY
LI Qiang
Supervised by
Professor NI Fujian
School of Transportation
Southeast University
January, 2007
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：日期：
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：导师签名：日期：
摘要
摘要
近十多年来，我国高速公路事业发展迅速，截至2005年底全国高速公路通车里程已达4.1万公里，居世界第二位，其中90％以上采用半刚性基层沥青路面。由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下容易产生收缩开裂，车辆荷载和温湿条件反复循环的作用使得裂缝向上反射到沥青面层，产生严重的反射裂缝问题，从而导致路面损坏，工程实践表明反射裂缝已成为该路面结构的主要缺陷，所以有必要对反射裂缝进行深入研究，掌握其形成和扩展机理，并在此基础上提出有针对性的路面结构控制指标。
本文在查阅大量国内外相关文献及研究成果的基础上，利用有限元方法和相应的数学理论，对半刚性基层沥青路面反射裂缝的形成和扩展过程进行了系统分析。
首先，分析评价了我国现行沥青路面设计指标的不足之处，以半刚性基层沥青路面力学特性和产生的主要病害为分析依据，建立了基于实际使用性能的半刚性基层沥青路面多指标设计体系框架。
然后，根据半刚性基层收缩机理，建立有限元计算模型，对基层内收缩应力和开裂间距进行了分析，得到了失水率、温差、路面长度、基层模量、是否加铺面层等主要因素对其的影响规律，并回归得到半刚性基层收缩开裂间距的预估模型；采用基于断裂力学的有限元方法，分别分析了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的扩展规律，研究了不同结构参数对其的影响，对由层间滑动引起的不对应反射裂缝的形成和扩展进行了分析；根据改进的Paris模型计算裂缝扩展寿命，并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。
最后，提出了针对反射裂缝破坏模式的半刚性基层沥青路面结构抗裂设计方法，为我国进一步完善半刚性基层沥青路面结构设计提供了依据。
关键词：半刚性基层沥青路面；设计指标；反射裂缝；有限元分析；开裂间距；抗裂疲劳寿命
I
ABSTRACT
ABSTRACT
In the recent ten years, the freeway construction of our country has been developing rapidly. The total length has come to 41 thousand kilometers by the end of 2005, taking the 2nd place in the world. The semi-rigid base asphalt pavements account for more than 90%. Because they were prone to be shrunk and cracked when the temperature grads and moisture condition were changed. The cracks reflected upwards to the asphalt mixture layer under the effect of traffic loading in combination with circle of temperature and moisture. The reflective cracking appeared. It brought on the damage in the pavements. In the fact，the reflective cracking has been the major damage in the semi-rigid base asphalt pavements. It’s necessary to research on the reflective cracking deeply, grip the forming and extending mechanism of crack. The design indexes of pavement structure will be brought forward pertinently on the basis of mechanical analysis.
Based on the investigation of correlative references, corresponding finite element method and math theory were used to analyze forming and extending process of reflective cracking systematically in this paper.
Firstly, the shortcomings of design indexes used in our country were evaluated. Based on the mechanics character and the major damage of semi-rigid pavements, the multi-indexes design system in correlation with pavement performance has been founded.
Secondly, the finite element model was founded based on the shrinkage mechanism of the semi-rigid base asphalt pavements. The shrinking stress and crack space were analyzed. The sensitivity analysis was done to get the influence rules of the important parameters, including the water loss rate, temperature difference, the length of pavement, the modulus of base, whether constructing the surface layer and so on. The prediction models of the crack space in semi-rigid base have been founded by regression. Combining the fracture mechanics and finite element analysis, the growth rules of shrinkage cracking and reflective cracking under the effect of traffic and thermal loading were analyzed. The sensitivity analysis of structure parameters was done to get the influence rules. The dissymmetry reflective cracking which was brought on by the slide between the surface and the base was also considered. The fatigue life of cracking under the effect of traffic loading has been calculated using the advanced Paris model. The prediction models of anti-crack fatigue life with different cracking conditions in semi-rigid base asphalt pavements have been founded by orthogonal test and multiple linear regressions.
At last, crack-resistant design method of the semi-rigid base asphalt pavements based on reflective cracking was founded. It will establish the foundation to consummate ulteriorly the design method of semi-rigid base asphalt pavement.
Key Words: The semi-rigid base asphalt pavement; Design indexes; Reflective cracking; Finite element analysis; Crack space; Anti-crack fatigue life
目录
摘要........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................... II 目录........................................................................................................................................... I 第一章绪论. (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.2.1 现有沥青路面设计方法概述 (1)
1.2.2 半刚性基层沥青路面反射裂缝研究 (3)
1.3 研究内容、目的和意义 (4)
1.4 研究技术路线 (4)
第二章半刚性基层沥青路面结构设计的控制指标 (5)
2.1 半刚性基层路面结构的应力特征 (5)
2.1.1 土基内压应力 (5)
2.1.2 路表弯沉 (5)
2.1.3 水平向应力 (6)
2.1.4 面层内剪应力 (6)
2.2 我国现行沥青路面设计规范评述 (6)
2.2.1 设计指标分析 (7)
2.2.2 实际工程调查 (9)
2.3 半刚性基层沥青路面的主要病害 (10)
2.3.1 裂缝 (11)
2.3.2 车辙 (11)
2.3.3 水损害 (11)
2.4 多指标设计体系的建立 (12)
2.4.1 基本原则 (12)
2.4.2 主要控制指标 (12)
2.5 本章小结 (13)
第三章半刚性基层收缩开裂分析 (14)
3.1 半刚性基层收缩开裂机理 (14)
3.2 有限元计算模型 (14)
3.2.1 有限单元法基本原理 (14)
3.2.2 温度应力求解方法 (16)
3.2.3 基本假定 (16)
3.2.4 层间接触摩擦 (16)
3.2.5 温度场模型 (17)
3.2.6 路面结构模型 (17)
3.3 计算参数 (18)
3.3.1 结构参数 (18)
3.3.2 半刚性基层材料参数 (18)
3.4 收缩应力分析 (19)
3.4.1 沿路面长度的分布特性 (19)
3.4.2 沿路面厚度的分布特性 (19)
3.4.3 失水率对干缩应力的影响 (20)
3.4.4 温差对温缩应力的影响 (20)
3.4.5 路面长度对收缩应力的影响 (20)
3.4.6 基层模量对收缩应力的影响 (21)
3.4.7 干缩应力与温缩应力的比例关系 (22)
3.5 收缩开裂间距计算 (23)
3.5.1 基本假定 (23)
3.5.2 开裂判据 (23)
3.5.3 理论推导 (24)
3.5.4 计算结果分析 (25)
3.5.5 回归公式 (29)
3.6 本章小结 (30)
第四章裂缝扩展有限元模型的建立 (31)
4.1 裂缝扩展过程 (31)
4.2 基于断裂力学的有限元分析方法 (33)
4.2.1 裂缝扩展模式 (33)
4.2.2 断裂参数的有限元解法 (36)
4.2.3 复合型断裂判据 (40)
4.2.4 有限元程序验证 (41)
4.2.5 裂缝扩展模型 (42)
4.3 计算模型及参数 (45)
4.4 本章小结 (46)
第五章裂缝扩展分析 (47)
5.1 基层开裂对路面结构响应的影响 (47)
5.1.1 基层收缩裂缝扩展过程对面层底部应力的影响 (47)
5.1.2 基层形成贯穿裂缝后对路面应力的影响 (47)
5.2 行车荷载作用下裂缝的扩展规律 (48)
5.2.1 最不利荷位 (48)
5.2.2 裂缝扩展规律和疲劳扩展寿命 (49)
5.2.3 重载敏感性分析 (51)
5.2.4 裂缝宽度的影响 (52)
5.2.5 结构参数敏感性分析 (52)
5.2.6 裂缝扩展寿命的正交分析 (58)
5.3 温度荷载作用下裂缝的扩展规律 (66)
5.3.1 沥青混合料材料参数 (66)
5.3.2 基层收缩裂缝扩展规律 (66)
5.3.3 面层反射裂缝扩展规律 (68)
5.4 不对应反射裂缝 (69)
5.4.1 层间接触状态对路面应力的影响 (69)
5.4.2 不对应反射裂缝形成过程 (69)
5.4.3 最大应力点偏移距离 (70)
5.4.4 裂缝扩展分析 (71)
5.5 本章小结 (73)
第六章半刚性基层沥青路面结构抗裂设计 (74)
6.1 沥青路面抗裂设计方法 (74)
6.1.1 设计流程 (74)
6.1.2 设计参数 (75)
6.1.3 破坏增量法 (75)
6.2 设计实例 (75)
6.3 本章小结 (77)
第七章结论与展望 (78)
7.1 研究结论 (78)
7.2 需要进一步研究的问题 (78)
致谢 (79)
参考文献 (80)
第一章绪论
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9～23cm，半刚性基层、底基层总厚度介于45～80cm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。
东南大学硕士论文
表1-1 沥青路面设计方法
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
第一章绪论
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ILLI－Pave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Majdzadeh[10]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
东南大学硕士论文
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。
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 014－97）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。
2.1.1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3～6cm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 014－97）》[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。
E 1E 2
h 1h 2
h n-1
E n =E 0
E n -1
B C D E
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[13～
15]： (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5～6（0.01mm ），远远小于路面的设计弯沉20～30（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。
沥青面层E1 h1
半刚性基层 E2 h2中性轴
E1 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 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2-3～2-5。 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 第二章 半刚性基层沥青路面结构设计的控制指标 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 东南大学硕士论文 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。
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