半剛性基層兩階段設(shè)計(jì)法

1、9半剛性路面的兩階段設(shè)計(jì)方法半剛性材料具有整體強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、板體性強(qiáng)以及經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于修建高等級(jí)瀝青路面的基層或底基層。但是半剛性材料存在如下缺點(diǎn)：易產(chǎn)生溫縮、干縮裂縫，路面結(jié)構(gòu)早期開(kāi)裂嚴(yán)重，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。半剛性材料強(qiáng)度隨時(shí)間會(huì)逐漸降低、衰減，承載力逐漸減弱，對(duì)于我國(guó)典型的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，一旦半剛性基層開(kāi)裂，瀝青路面結(jié)構(gòu)就等效為薄瀝青面層的柔性結(jié)構(gòu)，剩余的疲勞壽命很低，維修時(shí)間間隔較短，長(zhǎng)期使用性能得不到保證。但半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工在我國(guó)積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)，在以后很長(zhǎng)一段時(shí)間里仍將是我國(guó)主要的路面結(jié)構(gòu)形式，但程度其自身引起的早期破壞又讓人極其困擾，在某

2、種上這也是由于半剛性瀝青路面的不合理設(shè)計(jì)所造成的。因此有必要重新審視半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行半剛性瀝青路面的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)早期損壞問(wèn)題，是由于日前沒(méi)有對(duì)半剛性基層材料在路面結(jié)構(gòu)中的全壽命進(jìn)行過(guò)程分析，只是夸大了其強(qiáng)度高、板體性好的優(yōu)點(diǎn)，忽視了其開(kāi)裂性質(zhì)，因此有必要同時(shí)考慮半剛性材料和瀝青混合料的抗疲勞性能，而且兩者都應(yīng)具有適宜的厚度。這樣可以提高半剛性瀝青路面的路用性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義，充分利用各層材料的承載能力，應(yīng)是以后半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)方法發(fā)展的主要方向。目前我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是足夠的，但

3、問(wèn)題是規(guī)范中反映瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)¬¬瀝青路面表面彎沉和基層底面彎拉應(yīng)力得到滿足了，并不意味著瀝青路面結(jié)構(gòu)的承載能力就能夠滿足。現(xiàn)有的半剛性基層瀝青路面早期損壞問(wèn)題，意味著半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)承載能力的不足，故需對(duì)現(xiàn)有瀝青路面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)。國(guó)內(nèi)外半剛性瀝青路面使用現(xiàn)狀水穩(wěn)碎石、二灰碎石半剛性材料成為我國(guó)主要的基層材料，面層厚度普遍較薄。通過(guò)實(shí)際使用情況和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)半剛性基層瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)外，也隱藏著一些嚴(yán)重弱點(diǎn)，主要是在多雨潮濕地區(qū)，它往往成為這些地區(qū)瀝青路面早期破壞的重要原因之一。近幾年高等級(jí)公路尤其是高速公路的使用實(shí)踐證明，半剛性基層瀝青路面客觀存在一些不可避

4、免的技術(shù)問(wèn)題，如由于半剛性基層材料收縮特性而導(dǎo)致的瀝青路面早期開(kāi)裂、半剛性基層瀝青路面早期破壞現(xiàn)象等已經(jīng)引起道路界的重視，需要對(duì)半剛性瀝當(dāng)前國(guó)外高速公路中，半剛性瀝青路面使用相對(duì)不多，即使使用也是采用較厚的瀝青層、較薄半剛性材料作底基層的組合式結(jié)構(gòu)。法國(guó)大量采用半剛性基層結(jié)構(gòu)，根據(jù)法國(guó)對(duì)半剛性路面的分類，大致可分為三類:復(fù)合式結(jié)構(gòu)、組合式結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)六七十年代早期采用的主要結(jié)構(gòu)形式是復(fù)合式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同我國(guó)現(xiàn)在半剛性路面大體相同，瀝青層較薄，816cm，半剛性層較厚，2842cm。但是大量的半剛性瀝青路面的裂縫成為道路養(yǎng)護(hù)和維修的一個(gè)非常棘手的問(wèn)題，為了緩解半剛性基層反射裂縫問(wèn)題，

5、八十年代法國(guó)逐漸采用組合式結(jié)構(gòu)代替復(fù)合式結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)瀝青的層厚度為1927cm，半剛性底基層為1825cm，德國(guó)、意大利、比利時(shí)、西班牙及日本均以183Ocm瀝青層下臥1530cm半剛性底基層作為主要的半剛性路面結(jié)構(gòu)類型。由于增加了瀝青層厚度，降低了半剛性層厚度，并下臥為底基層，從而有利于降低和延緩瀝青路面開(kāi)裂的機(jī)會(huì)，在一定程度上提高瀝青路面的使用性能，增強(qiáng)了路面結(jié)構(gòu)的耐久性。八十年代末，部分國(guó)家路面結(jié)構(gòu)采用倒裝式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是在瀝青層和半剛性層之間設(shè)置粒料夾層，主要是為了減少反射裂縫產(chǎn)生的機(jī)會(huì)，但不增加瀝青層厚度。粒料層厚度要適當(dāng)，太厚會(huì)降低瀝青面層在荷載下的彎曲半徑，加速瀝青層的疲勞破

6、壞;但也不能太薄，足以使應(yīng)力得到有效地?cái)U(kuò)散，其厚度一般為10cm，如法國(guó)一般為12cm，澳大利亞為10cm，南非為15cm。但是，后來(lái)國(guó)際上較發(fā)達(dá)國(guó)家很少采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，越是重交通的道路越是不采用，究其原因，主要有以下幾點(diǎn):半剛性基層干縮和溫縮特性引起的路面反射裂縫。雖然我國(guó)采取各種措施使得反射裂縫有所減少，但是瀝青面層較薄時(shí)，半剛性基層開(kāi)裂引起的反射裂縫仍不能徹底解決。此外，我國(guó)路面設(shè)計(jì)主要以設(shè)計(jì)彎沉作為承載能力設(shè)計(jì)指標(biāo)，雖然容許彎沉不斷減小，但相應(yīng)的基層強(qiáng)度則要求不斷提高，基層強(qiáng)度越高致使基層開(kāi)裂及反射裂縫問(wèn)題就會(huì)越嚴(yán)重。半剛性基層材料壓實(shí)后透水性較差，通過(guò)路面裂縫和瀝青混合料

7、較大空隙滲入的水進(jìn)入基層后難以排出，只能沿瀝青層和半剛性層界面積聚、擴(kuò)散，改變了界面連續(xù)的邊界條件，對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力非常不利。如果瀝青層越薄，作用到基層表面的壓力越大，其越容易破壞成為灰漿，產(chǎn)生較嚴(yán)重的水損壞現(xiàn)象。我國(guó)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD50一2006)中規(guī)定，路面設(shè)計(jì)應(yīng)按照界面完全連續(xù)進(jìn)行考慮，但是在多雨及潮濕的地區(qū)，當(dāng)水透過(guò)面層進(jìn)入基層后就難以擴(kuò)散排出時(shí)滯留在基層表面的水使基層松散成為泥漿，將層間接觸條件由理想狀態(tài)下的完全連續(xù)變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)或半連續(xù)半滑動(dòng)狀態(tài)，從而容易發(fā)生彎拉開(kāi)裂破壞，并逐漸向上擴(kuò)展至面層引起面層反射裂縫的產(chǎn)生。由于半剛性材料自身固有的材料特性，在使用過(guò)程中其強(qiáng)度隨時(shí)

8、間和荷載作用會(huì)降低，模量逐漸衰減。而在我國(guó)設(shè)計(jì)方法中沒(méi)有考慮模量的衰減，導(dǎo)致路面早期破壞較嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)中有必要考慮其特性的影響。半剛性基層一旦發(fā)生疲勞破壞后便不再有愈合能力，除了挖除重建，沒(méi)有其他更好的辦法。這就會(huì)給半剛性基層瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)帶來(lái)很大的困難，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)也造成人力和財(cái)力的極大浪費(fèi)。雖然半剛性基層瀝青路面存在如此多的問(wèn)題和不足，但是我國(guó)畢竟經(jīng)濟(jì)條件有限，再加上長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)基層類型的認(rèn)識(shí)小足，要求其完個(gè)改變路面基層結(jié)構(gòu)類型是不現(xiàn)實(shí)的也是不合理的，因此要在借鑒國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法和路面結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有半剛性瀝青路面進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)和研究，努力克服一些不合理因素，改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方法

9、的不足之處，盡量避免或減少半剛性瀝青路面的早期破壞，延長(zhǎng)其使用壽命。主要研究?jī)?nèi)容如下:比較國(guó)內(nèi)外半剛性瀝青路面設(shè)計(jì)方法的異同點(diǎn)，指出我國(guó)現(xiàn)行半剛性瀝青路面設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)指標(biāo)的不足之處。調(diào)查我國(guó)典型半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)早期損壞狀況，指出損壞特征與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合國(guó)外設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)指標(biāo)選取，針對(duì)瀝青路面為多層次的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)和損壞類型多樣化特點(diǎn)，采用多設(shè)計(jì)指標(biāo)體系，各指標(biāo)分別控制對(duì)應(yīng)的損壞類型;按照使用要求和結(jié)構(gòu)層組合特性，針對(duì)主要損壞類型選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn);各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)之間應(yīng)相互協(xié)調(diào)和平衡。擬定半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，選取各層材料參數(shù)。由于半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，在不同使用階段隨時(shí)間及荷載作

10、用半剛性材料參數(shù)是變化的，因此根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)資料指定各階段的材料設(shè)計(jì)參數(shù)是必要的。半剛性材料的模量隨時(shí)間、溫度、濕度以及荷載的反復(fù)作用而逐漸衰減，因此半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)應(yīng)按材料性狀分為幾個(gè)階段，結(jié)合澳大利亞設(shè)計(jì)方法按照兩階段設(shè)計(jì)方法選取參數(shù)。由于室內(nèi)試驗(yàn)材料的彈性模量與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)層彈性模量，開(kāi)始衰變的初始模量不同，室內(nèi)衰變是從材料完好狀態(tài)開(kāi)始，而實(shí)際路面結(jié)構(gòu)層中基層是從收縮微裂縫狀態(tài)開(kāi)始的衰變的，因此路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中半剛性基層模量，應(yīng)選用實(shí)際路面使用狀態(tài)下的有效模量。根據(jù)擬定的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)用有限元分析軟件，對(duì)半剛性瀝青路面進(jìn)行位移、應(yīng)力、應(yīng)變分析。以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)，采用標(biāo)準(zhǔn)荷載(

11、BZZ100)作用，不考慮水平荷載，利用有限元軟件建立路面結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力應(yīng)變分析。根據(jù)得出的響應(yīng)分析結(jié)果，采用我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)方法對(duì)擬定的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)算;看結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)彎沉和容許拉應(yīng)力的要求，若不滿足驗(yàn)算要求需對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行調(diào)整，直至滿足要求為止。借鑒國(guó)外設(shè)計(jì)方法，提出半剛性瀝青路面兩階段疲勞壽命預(yù)估模型，對(duì)半剛性瀝青路面按照半剛性材料的性狀分兩階段進(jìn)行疲勞壽命的分析研究。在進(jìn)行疲勞壽命分析時(shí)一可借鑒AASHTO設(shè)計(jì)方法采用Miner累計(jì)損傷原理。基于上述分析，針對(duì)新的半剛性瀝青路面的設(shè)計(jì)理念，提出半剛性瀝青路面兩階段設(shè)計(jì)方法。擬采取的研究方法、

12、技術(shù)路線擬采用的研究方法：利用有限元軟件對(duì)擬定的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)分析。針對(duì)擬定的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，采用我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范路面設(shè)計(jì)方法和兩階段設(shè)計(jì)方法兩種方法，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估分析對(duì)比，根據(jù)分析結(jié)果提出半剛性瀝青路面兩階段設(shè)計(jì)方法。技術(shù)路線:(l)比較國(guó)內(nèi)外半剛性瀝青路面設(shè)計(jì)方法的異同點(diǎn)，指出我國(guó)現(xiàn)行半剛性瀝青路面設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)指標(biāo)的不足之處。(2)對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作狀態(tài)進(jìn)行分析，揭示半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)使用中存在的問(wèn)題?，F(xiàn)階段我國(guó)半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中存在以下問(wèn)題:(a)半剛性基層的收縮開(kāi)裂及由此引起瀝青路面的反射性裂縫輕重不同程度地存在。這種裂縫會(huì)導(dǎo)

13、致2種后果:一是裂縫進(jìn)水;二是車(chē)輪從裂縫的一側(cè)經(jīng)過(guò)到達(dá)裂縫的另一側(cè)時(shí)，荷載變化不再連續(xù)使路面裂縫兩側(cè)發(fā)生大的應(yīng)力突變，還形成很大的上下剪切和表面受拉。針對(duì)此種情況應(yīng)該控制半剛性層層底的彎拉應(yīng)力，確保不過(guò)早引起開(kāi)裂，從而減少由此引起的瀝青層的反射裂縫;(b)半剛性基層排水性能差，容易導(dǎo)致水損害此種損害重點(diǎn)在于選擇合理的表面層混合料類型，加強(qiáng)碾壓，減小施工的離析和不均勻性，做好路面排水設(shè)計(jì);(c)半剛性基層有很好的整體性，但是在使用過(guò)程中，半剛性基層材料的強(qiáng)度、模量會(huì)由于干濕和凍融循環(huán)、在反復(fù)荷載的作用下因疲勞而逐漸衰減。根據(jù)南非的理論，半剛性基層的狀態(tài)是由整塊向大塊、小塊、碎塊變化，按照整體結(jié)構(gòu)

14、設(shè)計(jì)路面是偏于不安全的。因此在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮半剛性材料的衰減特性;(d)半剛性基層損壞后沒(méi)有愈合能力，且無(wú)法進(jìn)行修補(bǔ)?；鶎右坏┢茐?，只能挖掉重建，這給瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)造成很大的困難。通常所說(shuō)進(jìn)行“補(bǔ)強(qiáng)”實(shí)際上是不現(xiàn)實(shí)的，也是不可能的，在半剛性基層上加鋪基層也不能結(jié)合成為整體。由于半剛性基層的強(qiáng)度、模量、抗疲勞性能等會(huì)因?yàn)橹貜?fù)荷載的作用及環(huán)境(干濕、凍融等)的影響而不斷衰減，總是有一定使用壽命的，只要到了設(shè)計(jì)壽命，基層將會(huì)逐漸喪失功能，需要重鋪，因此半剛性基層瀝青路面的使用壽命不可能無(wú)限制地延長(zhǎng)下去?？紤]上述半剛性瀝青路面使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，需對(duì)其設(shè)計(jì)方法重新審視，推薦一種適合我國(guó)具體

15、情況的設(shè)計(jì)方法。(3)依據(jù)現(xiàn)有的研究資料和參考文獻(xiàn)，提出半剛性材料隨時(shí)間和荷載作用模量的衰減規(guī)律。(4)采用我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各項(xiàng)指標(biāo)的驗(yàn)算，直至滿足要求為止。(5)利用有限元軟件建立上述路面結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)路面不同使用狀況下材料參數(shù)的不同，分階段進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的分析。(6)依據(jù)相關(guān)資料提出半剛性基層瀝青路面兩階段疲勞壽命模型，對(duì)半剛性基層瀝青路面兩階段疲勞壽命進(jìn)行分析研究。(7)依據(jù)以上研究結(jié)果，針對(duì)新的半剛性基層瀝青路面的設(shè)計(jì)理念，提出半剛性基層瀝青路面的兩階段設(shè)計(jì)方法。世界各國(guó)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法，可分為經(jīng)驗(yàn)法和力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法兩大類。經(jīng)驗(yàn)法主要通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路或使用道路的

16、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，建立路面結(jié)構(gòu)、車(chē)輛荷載和路面使用性能三者之間的關(guān)系，如美國(guó)加州承載比法(CBR)、美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)(AASHTO1993)法。力學(xué)一經(jīng)驗(yàn)法應(yīng)用力學(xué)原理分析路面結(jié)構(gòu)在荷載與環(huán)境作用下的力學(xué)響應(yīng)，建立力學(xué)響應(yīng)量與路面使用性能之間的關(guān)系模型，按照使用要求，運(yùn)用關(guān)系模型完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)的方法、美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)(Al)法、殼牌(Shen)法、AAsHToZo02設(shè)計(jì)方法均為力學(xué)一經(jīng)驗(yàn)法。國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法CBR設(shè)計(jì)法CBR設(shè)計(jì)法是以CBR實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，它是一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，全稱為加州承載比，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單明確，適用于重載、低等級(jí)的路面設(shè)計(jì)。CBR設(shè)計(jì)法以土基剪切

17、破壞作為破壞準(zhǔn)則，以抗剪強(qiáng)度為設(shè)計(jì)指標(biāo)。它主要是根據(jù)繪制的CBR設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)順序由面層到底基層進(jìn)行，在確定設(shè)計(jì)輪載和CBR值后根據(jù)相應(yīng)的CBR設(shè)計(jì)曲線確定各層厚度。CBR設(shè)計(jì)法的主要缺陷是其控制的損壞類型在現(xiàn)代瀝青路面上已少出現(xiàn)。AASHTO2002設(shè)計(jì)方法AASHTO設(shè)計(jì)方法是以20世紀(jì)50年代后期至60年代初進(jìn)行的AASHTO道路試驗(yàn)為基礎(chǔ)的，以路面現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)(路面耐用性指數(shù))PSI為設(shè)計(jì)指標(biāo)建立起來(lái)的。設(shè)計(jì)變量主要有:設(shè)計(jì)年限、設(shè)計(jì)荷載、可靠度、環(huán)境影響、服務(wù)能力。AASHTO設(shè)計(jì)方法2002版指出以下幾種損壞類型標(biāo)準(zhǔn):永久變形、疲勞開(kāi)裂、溫度開(kāi)裂、平整度IRI指數(shù)模型。

18、AASHTO2002的主要貢獻(xiàn),是系統(tǒng)展示了力學(xué)一經(jīng)驗(yàn)方法的完整框架，建立了大量的力學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，但此設(shè)計(jì)方法是基于美國(guó)實(shí)驗(yàn)路基礎(chǔ)上的，對(duì)于我國(guó)此方法的適用性有待驗(yàn)證。Shell設(shè)計(jì)方法Shell設(shè)計(jì)法是由殼牌公司提出的一套路面設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)方法中路面結(jié)構(gòu)分為三層:即路基、基層和瀝青層，各層特性用彈性模量、泊松比及厚度來(lái)反映。Shell設(shè)計(jì)方法的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:瀝青層底面的容許拉應(yīng)變(控制開(kāi)裂)、路基頂面的容許壓應(yīng)變(控制路面結(jié)構(gòu)永久變形)。Shell設(shè)計(jì)法的主要一設(shè)計(jì)步驟:l)初擬瀝青層厚度。2)由月平均氣溫計(jì)算年加權(quán)平均氣溫。3)確定路面設(shè)計(jì)壽命。4)按照VanderPoel諾模圖確定瀝青

19、勁度模量。5)確定瀝青混合料的勁度模量。6)確定路基、基層的動(dòng)態(tài)模量。7)確定路面結(jié)構(gòu)類型。8)Bisar程序計(jì)算路面應(yīng)變及疲勞壽命。9)根據(jù)設(shè)計(jì)壽命確定路面結(jié)構(gòu)層厚度。10)瀝青層車(chē)轍深度預(yù)測(cè)。南非設(shè)計(jì)方法南非考慮到半剛性材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)將半剛性基層路面按材料性能分為以下三個(gè)階段，路面結(jié)構(gòu)的總壽命為這幾個(gè)階段疲勞壽命之和。(l)施工后縮裂階段:剛施工完好的半剛性材料模量較高，由于溫度和濕度作用，在使用初期即會(huì)出現(xiàn)收縮裂縫，使結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂成板塊狀。(2)疲勞開(kāi)裂階段:半剛性材料層在交通荷載的反復(fù)作用下出現(xiàn)裂縫，逐漸擴(kuò)展并開(kāi)裂成細(xì)塊，模量也進(jìn)一步降低。(3)疲勞開(kāi)裂成等效的粒料層階段:在荷載反復(fù)

20、作用下最終破裂成小塊，其材料性能接近于粒料材料，不具有抗彎拉的疲勞性能，此后的路面壽命取決于瀝青面層疲勞開(kāi)裂、粒料抗剪破壞和路基的永久變形。澳大利亞設(shè)計(jì)方法澳大利亞設(shè)計(jì)法是將半剛性材料使用狀況看成兩階段:第一階段為半剛性材料在荷載作用下產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂階段，第二階段為半剛性層開(kāi)裂后成為等效粒料層階段。其中第一階段的疲勞壽命由半剛性層層底的彎拉應(yīng)變來(lái)控制，而第二階段路面結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命由瀝青層層底的彎拉應(yīng)變和土基頂?shù)膲簯?yīng)變來(lái)控制。澳大利亞設(shè)計(jì)方法與南非設(shè)計(jì)方法不同的是第一階段，南非考慮的半剛壽命，是考慮溫縮裂縫和干縮裂縫使得半剛性材料衰減后的模量的性能，而澳考慮溫縮裂縫和干縮裂縫對(duì)半剛性層模量的影

21、響，直接采用完好的模量。南非和澳大利亞設(shè)計(jì)方法的共同點(diǎn)是，均考慮到半剛性材料的使用特性，將半剛性基層路面材料按性能分為幾個(gè)階段，然后針對(duì)每個(gè)階段對(duì)各層分別考慮其疲勞壽命，最后這幾個(gè)階段的疲勞壽命之和即為路面結(jié)構(gòu)總疲勞壽命，這樣的分析方法更加接近半剛性瀝青路面實(shí)際狀況，更能準(zhǔn)確預(yù)估路面結(jié)構(gòu)使用壽命，值得我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法借鑒。我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論進(jìn)行計(jì)算，路面結(jié)構(gòu)厚度的確定應(yīng)滿足整體剛度與瀝青層或半剛性基層、底基層抗疲勞開(kāi)裂要求。對(duì)于高速、一級(jí)、二級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)以路表面回彈彎沉值、瀝青混凝土的層底拉應(yīng)力及半剛性材料層的層底拉

22、應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)。為控制路基路面結(jié)構(gòu)的總變形，防止沉降、車(chē)轍等整體強(qiáng)度不足的損壞，采用彎沉設(shè)計(jì)指標(biāo)輪隙中心處實(shí)測(cè)路表彎沉、應(yīng)小于或等于設(shè)計(jì)彎沉值;為防止瀝青混凝土或半剛性基層、底基層的疲勞開(kāi)裂，采用拉應(yīng)力指標(biāo)瀝青混凝土面層或半剛性材料層層底拉應(yīng)力，應(yīng)小于或等于該材料的容許拉應(yīng)力。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(l)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按彎沉或彎拉指標(biāo)分別計(jì)算設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量軸次，確定設(shè)計(jì)交通量和交通等級(jí)，擬定面層、基層類型，并計(jì)算設(shè)計(jì)彎沉值或容許彎拉應(yīng)力。(2)按路基土類型與干濕類型，將路基劃分為若干路段，確定各段路基回彈模量值。(3)擬定幾種可行的路面結(jié)構(gòu)組合和厚度方案，根據(jù)選定材料進(jìn)

23、行配合比實(shí)驗(yàn)，測(cè)定各結(jié)構(gòu)層抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。(4)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)采用多層彈性體系理論設(shè)計(jì)程序計(jì)算或驗(yàn)算路面厚度。(5)對(duì)于季節(jié)性冰凍地區(qū)應(yīng)驗(yàn)算防凍厚度是否符合要求。(6)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，確定路面結(jié)構(gòu)方案。我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中以路表回彈彎沉值、瀝青面層和半剛性層的層底拉應(yīng)力作為控制路面結(jié)構(gòu)總體剛度（承載能力）以及瀝青層和半剛性層疲勞開(kāi)裂損壞的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在應(yīng)用上述指標(biāo)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)時(shí)，都是路表容許彎沉值指標(biāo)起控制作用，對(duì)于半剛性基層瀝青路面，瀝青層和半剛性層的層底拉應(yīng)力指標(biāo)都不起作用，而在控制永久變形方面，除了對(duì)瀝青混合料提出穩(wěn)定度要求外，沒(méi)有其它設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此對(duì)于我國(guó)現(xiàn)行

24、設(shè)計(jì)方法中把路表彎沉作為重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，而其他指標(biāo)基本不起控制作用的問(wèn)題應(yīng)引起重視，借鑒國(guó)外設(shè)計(jì)方法，針對(duì)主要的不同損壞類型，建立多指標(biāo)設(shè)計(jì)體系和相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。在南非和澳大利亞的設(shè)計(jì)方法中，均考慮半剛性材料的強(qiáng)度衰減特性以及在道路施工和使用過(guò)程中的裂縫，對(duì)道路使用壽命的影響問(wèn)題，而在我國(guó)的半剛性瀝青路面設(shè)計(jì)過(guò)程中只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照規(guī)范和實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取材料參數(shù)，并沒(méi)有考慮在使用過(guò)程中強(qiáng)度的降低。國(guó)外設(shè)計(jì)方法中，應(yīng)用土基頂面壓應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)指標(biāo)控制路面結(jié)構(gòu)永久變形，而在我國(guó)的設(shè)計(jì)方法中用路表彎沉這一表觀性指標(biāo)控制永久變形效果不佳，因此在我國(guó)的瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)體系中有必要考慮這一設(shè)計(jì)指標(biāo)。近年來(lái)，我國(guó)公路事業(yè)

25、發(fā)展迅速，在高速公路建設(shè)中，半剛性基層瀝青路面得到較快發(fā)展，但是由于我國(guó)公路建設(shè)技術(shù)儲(chǔ)備力量相對(duì)較薄弱，使得公路早期破壞現(xiàn)象較嚴(yán)重，如車(chē)轍、唧泥、沉陷、裂縫等。早期破壞現(xiàn)象究其原因固然與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件和施工水平有關(guān)，但設(shè)計(jì)方法的不合理與設(shè)計(jì)水平相對(duì)落后也是不容忽視的。我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法是基于線彈性理論進(jìn)行力學(xué)分析的，以路表回彈彎沉值、瀝青面層和半剛性層的層底拉應(yīng)力作為控制路面結(jié)構(gòu)總體剛度(承載能力)以及瀝青層、半剛性層疲勞開(kāi)裂損壞的設(shè)計(jì)指標(biāo)，路面結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)的變化及層間接觸狀態(tài)的變化并沒(méi)有考慮，這樣的設(shè)計(jì)方法無(wú)法真實(shí)反映路面的損壞現(xiàn)象和機(jī)理，道路使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

26、下面從三個(gè)方面對(duì)我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法的不足之處進(jìn)行分析并提出改善措施。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)目前對(duì)于我國(guó)半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)說(shuō)，規(guī)范中要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足要求并不意味著結(jié)構(gòu)承載力就能達(dá)到要求，而且我國(guó)現(xiàn)階段半剛性基層瀝青路面早期破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這也足以說(shuō)明我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，沒(méi)有保證半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用性能和較好的承載能力，故需對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取進(jìn)行重新考慮。路表彎沉指標(biāo)在我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范中，一直以來(lái)都把路表彎沉作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。路表彎沉是路面整體在荷載作用下的豎向位移，它反映了路面整體結(jié)構(gòu)的抗變形能力，是一項(xiàng)綜合性、整體性指標(biāo)。而路面結(jié)構(gòu)是一種多層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)于路面各結(jié)構(gòu)層的組

27、合和材料類型的多樣化，路表彎沉這一綜合性指標(biāo)難以反映路面結(jié)構(gòu)和破壞類型的多樣化，難以協(xié)調(diào)平衡各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)于同一種路面結(jié)構(gòu)(相同的結(jié)構(gòu)層組合和相同的材料類型)，彎沉可以反映出路面結(jié)構(gòu)的抗變形能力，但對(duì)于不同的路面結(jié)構(gòu)，即使彎沉較大，其承載力或疲勞壽命不一定就會(huì)差，因此，不能僅僅依據(jù)這一指標(biāo)來(lái)判斷路面結(jié)構(gòu)的承載能力。由不同路面結(jié)構(gòu)層和材料類型組合的路面結(jié)構(gòu)，在荷載作用和其他因素影響下具有不同的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，結(jié)構(gòu)的損壞類型和臨界破壞狀態(tài)是不同的，路表彎沉也有很大的差異。因此路表彎沉不能作為路面破壞類型設(shè)計(jì)指標(biāo)，它只是一項(xiàng)表觀性、綜合性指標(biāo)，無(wú)法與路面破壞類型建立起一致的關(guān)聯(lián)性?，F(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)方法中，把瀝

28、青面層層底拉應(yīng)力作為控制瀝青層疲勞開(kāi)裂損壞的設(shè)計(jì)指標(biāo)，這一指標(biāo)與瀝青層和半剛性層剛度比及層間接觸狀態(tài)有關(guān)。本節(jié)以彈性層狀體系為基礎(chǔ)，分析在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，半剛性基層瀝青路面在不同剛度比和層間接觸狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變。半剛性層設(shè)計(jì)理念長(zhǎng)期以來(lái)，人們普遍認(rèn)為半剛性基層的主要優(yōu)點(diǎn)是:(l)板體性強(qiáng)，剛度大，傳遞荷載能力強(qiáng)，具有較高的承載能力和抗變形性能;(2)有良好的抗凍性;(3)充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，?jié)省投資。但是由于半剛性材料的溫縮和干縮的材料特性，使得半剛性瀝青路面在使用過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，因此在國(guó)外的道路使用中受到限制。對(duì)于半剛性基層的開(kāi)裂有三種不同認(rèn)識(shí)，因此產(chǎn)生三種不同的半剛性路面設(shè)計(jì)理

29、念。第一種設(shè)計(jì)理念認(rèn)為，半剛性材料在縱向和橫向上細(xì)裂縫的發(fā)展符合細(xì)裂縫擴(kuò)展模型。在半剛性路面厚度設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)榘雱傂圆牧喜荒艿挚估瓚?yīng)力作用，且力學(xué)性能與無(wú)結(jié)合材料極其近似(當(dāng)量回彈模量在1000-2000MPa)，故不考慮其抗彎曲疲勞性能。此時(shí)路面設(shè)計(jì)，按瀝青混合料材料的彎曲疲勞和路基頂面的垂直壓應(yīng)力進(jìn)行，瀝青層較厚，半剛性結(jié)構(gòu)層較薄。一般認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)的反射裂縫不是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，很多情況下會(huì)忽略反射裂縫。第二種設(shè)計(jì)理念認(rèn)為由于干縮、溫度開(kāi)裂使半剛性材料成為一個(gè)有規(guī)則間距的、具有確定寬度的板塊模型，即該層可細(xì)劃為板塊，其裂縫(接縫)的傳荷能力依賴于板寬。該層具有較高的彎曲應(yīng)力和較高的回彈模量，降低

30、了路基土頂而的垂直壓應(yīng)力，同時(shí)提高了抗重交通荷載的能力。因此要求進(jìn)行半剛性材料抗彎曲疲勞性能設(shè)計(jì)，半剛性基層成為主要的承重層，厚度較厚;而瀝青面層較薄，且僅考慮平整、抗滑、低噪音、低濺水等表面性能。此時(shí)必須考慮采取防止反射裂縫的措施;第三種認(rèn)為半剛性材料傾向于按規(guī)則間距開(kāi)裂，且裂縫較窄足夠傳遞交通荷載，因此半剛性材料可以假設(shè)為均勻彈性體。此時(shí)同時(shí)考慮半剛性材料和瀝青混合料的抗疲勞性能，而且兩者都應(yīng)具有適宜的厚度。這種結(jié)構(gòu)的反射裂縫不嚴(yán)重，反射裂縫主要與交通狀況、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件以及瀝青層厚度有關(guān)。第一、二種設(shè)計(jì)理念顯然沒(méi)有正確評(píng)價(jià)半剛性基層和瀝青混合料層的作用，設(shè)計(jì)出來(lái)的路面結(jié)構(gòu)層層厚不夠合理，

31、第三種理念同時(shí)考慮半剛性材料和瀝青混合料的抗疲勞性能，充分利用各層材料的承載能力，這是今后半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念。半剛性材料模量衰變特性及選用方法根據(jù)半剛性材料疲勞特性的研究資料，一般情況下各種半剛性材料的模量衰變大致呈三階段發(fā)展：第1階段模量下降較快，一般占總疲勞壽命的巧15-20；第2階段模量衰減速率基本穩(wěn)定,模量值與循環(huán)次數(shù)基本上呈線性關(guān)系,占總疲勞壽命60-75;第3階段模量值迅速減小，直至疲勞破壞，該階段占總疲勞壽命的10-20。不同半剛性材料模量衰變規(guī)律差異主要體現(xiàn)在初始模量值不同及各階段衰變幅度不同，各階段占總疲勞壽命的比例也有所不同，這主要取決于材料本身的屬性。我國(guó)現(xiàn)行瀝

32、青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)體系中，材料的模量是初始靜態(tài)模量，并非在路面使用過(guò)程中重復(fù)荷載下的有效值。在實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中，由于材料的自身特性及外界環(huán)境條件的影響，在開(kāi)放交通之初便產(chǎn)生一定微小裂縫，在重復(fù)荷載作用下便進(jìn)一步擴(kuò)展，其模量值降低。各國(guó)路面設(shè)計(jì)方法中，針對(duì)半剛性材料模量的選用方法大致分為三種情況:單一模量法、兩階段模量法和衰變模量法。單一模量法單一模量法，即在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮材料在使用過(guò)程中模量的衰減特性，直接采用單一模量。我國(guó)就是采用單一模量法，此方法不能真實(shí)反映路面材料隨時(shí)間和荷載反復(fù)作用力學(xué)性狀，不能正確預(yù)估路面結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命。兩階段模量法南非和澳大利亞均采用兩階段模量法。在南非設(shè)計(jì)方法中

33、，按照半剛性材料在使用過(guò)程中的性狀分為兩個(gè)階段：疲勞開(kāi)裂前階段和疲勞開(kāi)裂后階段。疲勞開(kāi)裂前階段又分為兩個(gè)狀態(tài)；材料完好狀態(tài)(即材料的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ａ?和材料微裂縫狀態(tài)。疲勞開(kāi)裂后階段可分為兩種狀態(tài):裂縫擴(kuò)展階段和材料碎裂為粒料階段。模量衰變法AASHTOZO02采用模量衰變法,半剛性材料模量隨時(shí)間逐漸衰減。AASHT02002設(shè)計(jì)方法分時(shí)段選取模量過(guò)于繁瑣,南非、澳大利亞的兩階段模量較為合理，因此采用兩階段模量法進(jìn)行半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算分析。路面結(jié)構(gòu)是一多層次的復(fù)合結(jié)構(gòu)，路表彎沉是整體性、表觀性指標(biāo)，難以反映路而結(jié)構(gòu)和破壞類型的多樣化，無(wú)法與路面破壞類型建立一致的聯(lián)系，因此不應(yīng)把其做為重要

34、(唯一)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。瀝青層底拉應(yīng)力、半剛性層底拉應(yīng)力受層間剛度比和層間接觸狀態(tài)的影響較大，受路表彎沉的影響較小，因此路表彎沉不能反映瀝青層和半剛性層底的應(yīng)力大小，也與路基變形沒(méi)有直接的聯(lián)系。半剛性基層瀝青路面在層間完全連續(xù)狀態(tài)下，瀝青面層層底處于完全受壓狀態(tài)，在層間為滑動(dòng)狀態(tài)下，瀝青層底可能處于受拉狀態(tài)，但相對(duì)于半剛性基層層底來(lái)說(shuō)，其疲勞壽命要大于半剛性基層，因此對(duì)于半剛性基層瀝青路面來(lái)說(shuō)，其路面厚度設(shè)計(jì)受控于半剛性基層層底拉應(yīng)力，瀝青面層底拉應(yīng)力基本不起作用，同時(shí)建議采用瀝青面層層底拉應(yīng)變指標(biāo)限制瀝青面層疲勞開(kāi)裂。對(duì)于半剛性材料模量的選用，按照兩階段模量選取法，采用實(shí)際狀態(tài)下，收縮開(kāi)裂后的有

35、效模量和開(kāi)裂破壞后的等效粒料材料模量。半剛性材料模量的衰減影響路面各結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命，且隨模量的衰減各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命均有不同程度的降低。一因此在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)半剛性材料的性狀分階段考慮。路面結(jié)構(gòu)永久變形通過(guò)路基頂面的壓應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)控制。對(duì)于較厚瀝青層的路面結(jié)構(gòu)，有可能產(chǎn)生較大的車(chē)轍，同時(shí)在材料選擇方面可以選取高溫抗車(chē)轍性較好的瀝青混合料。鑒于路面結(jié)構(gòu)的多層次性和破壞類型的多樣性，應(yīng)建立破壞類型與設(shè)計(jì)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立多指標(biāo)體系，針對(duì)主要的破壞類型建立對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，各指標(biāo)相互協(xié)調(diào)和平衡。路面結(jié)構(gòu)有限元模型在瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算分析過(guò)程中，一般將路面模型簡(jiǎn)化為半無(wú)限層狀彈

36、性體系。半無(wú)限層狀彈性體模型是瀝青路面分析較為理想的力學(xué)模型，也是目前研究采用最多的模型，其基本假設(shè)為:(l)各層均由各向同性的均質(zhì)線彈性材料組成，材料的彈性模量和泊松比;(2)不計(jì)路面結(jié)構(gòu)自重;(3)假定土基在水平方向和向卜的深度方向均為無(wú)限，其上的路面各結(jié)構(gòu)層厚度均為有限，但水平方向仍為無(wú)限;(4)假定路表面作用有垂直荷載，接觸面上的壓力為均勻分布;(5)每一層之間的接觸面假定為完全連續(xù)的。一直以來(lái)“強(qiáng)基薄面”的半剛性基層瀝青路面都是我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要形式一，它為我國(guó)公路建設(shè)尤其是高速公路、一級(jí)公路的發(fā)展起到了重要作用。長(zhǎng)期以來(lái)它的優(yōu)點(diǎn)被人們普遍認(rèn)同，但是由于其半剛性材料自身因素引起的

37、早期破壞又讓人及其困擾。瀝青路面早期破壞是指瀝青路面在設(shè)計(jì)使用年限前，過(guò)早發(fā)生各種形式的路面破壞。近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量迅速增加，車(chē)輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，只是一些路面使用壽命達(dá)不到理想水平，一些新建的半剛性瀝青路面使用三五年就發(fā)生嚴(yán)重的破壞，這既影響了交通運(yùn)輸，又會(huì)給經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成巨大的損失，因此我國(guó)應(yīng)對(duì)早期破壞現(xiàn)象的研究加以重視。路面早期主要破壞模式有以下幾種:裂縫、水損壞現(xiàn)象、車(chē)轍、推移、沉陷。裂縫裂縫是路面早期破壞的常見(jiàn)病害，按照裂縫排列方向分為：橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)裂。橫向裂縫的方向基本垂直于道路中線。縱向裂縫的方向基本平行于道路中線。網(wǎng)裂是在局部區(qū)域裂縫縱橫交叉形成的。此外，按照

38、裂縫成因劃分，目前與半剛性瀝青路面相關(guān)的三種典型裂縫模式為:(1)疲勞裂縫:由于結(jié)構(gòu)層受荷載反復(fù)作用，使結(jié)構(gòu)層底面的拉應(yīng)變或拉應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致底面疲勞開(kāi)裂，并逐漸向上發(fā)展;(2)反射裂縫:基層材料由-J幾溫度、濕度變化產(chǎn)生的橫向裂縫反射到面層，在面層相隔-走撇離出現(xiàn)的橫向反射裂縫;(3)溫縮裂縫:由于路面溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變超過(guò)了混合料的抗拉強(qiáng)度引起的裂縫。以疲勞開(kāi)裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可用結(jié)構(gòu)層底面的拉應(yīng)變或拉應(yīng)力不超過(guò)相應(yīng)材料的容許值來(lái)控制設(shè)計(jì)。反射裂縫的產(chǎn)生跟半剛性基層混合料材料的選擇、水泥用量以及施工過(guò)程的控制有很大的關(guān)系。低溫縮裂是一項(xiàng)同交通荷載因素?zé)o關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，控

39、制低溫縮裂，可限制低溫時(shí)結(jié)構(gòu)層材料因收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力不大于該溫度時(shí)材料的容許拉應(yīng)力。下面分別介紹橫向裂縫、縱向裂縫及網(wǎng)裂產(chǎn)生的原因。1)橫向裂縫橫向裂縫是我國(guó)高速公路主要早期病害類型之一，產(chǎn)生的原因主要是縱向不均勻沉降，造成路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力顯著增大，在行車(chē)荷載，特別是重載車(chē)的作用下，裂縫向上繼續(xù)延伸并逐漸貫穿整個(gè)瀝青面層。橫向裂縫在我國(guó)相當(dāng)普遍，裂縫間距大多數(shù)在1520m，甚至510m。a.不均勻沉降引起路基填筑完成之后，在路基土體自重作用一下，一定深度內(nèi)的地基土體將發(fā)生較大的固結(jié)變形。而由于路基為暴露于自然界中的條狀結(jié)構(gòu)物，分布范圍廣，土質(zhì)特性復(fù)雜，當(dāng)相鄰路段土層分布不均勻或與橋涵等結(jié)構(gòu)

40、物相連路段，存在剛度上的差異，同時(shí)還會(huì)遭受地下水等環(huán)境因素的影響，造成縱向不均勻沉降量的發(fā)生，引起路面結(jié)構(gòu)層底部產(chǎn)生附加應(yīng)力，應(yīng)力值隨路基不均勻沉降量增大而增大。雖然二灰碎石或水穩(wěn)碎石等半剛性基層材料具有強(qiáng)度高、板體性好的優(yōu)點(diǎn)，但由于協(xié)調(diào)變形能力不強(qiáng)，不能有效地將不均勻沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力消散，當(dāng)附加應(yīng)力超過(guò)路面結(jié)構(gòu)底部的容許應(yīng)力值時(shí)，半剛性基層將產(chǎn)生顯著的受拉裂縫，在大量車(chē)輛荷載的重復(fù)作用下，較薄瀝青面層將產(chǎn)生顯著的反射裂縫。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，橫向裂縫分布特點(diǎn)表現(xiàn)為出現(xiàn)時(shí)間早、裂縫多。b.溫縮裂縫導(dǎo)致在冬季最低溫度可達(dá)-1020的地區(qū)，瀝青路面可能存在低溫開(kāi)裂的可能，這是由于氣溫驟降造成面層溫度收

41、縮，在有約束的瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，超過(guò)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度造成開(kāi)裂。還有可能發(fā)生溫度疲勞開(kāi)裂，即氣溫的反復(fù)升降導(dǎo)致瀝青混合料的溫度應(yīng)力疲勞和混合料的極限拉伸應(yīng)變減小、應(yīng)力松弛性能降低，進(jìn)而導(dǎo)致在并不太大的溫度應(yīng)力下即發(fā)生開(kāi)裂。2)縱向裂縫縱向裂縫主要是由于路基承載力不足、地基不均勻沉陷、超載車(chē)輛的作用引起的。因此對(duì)于縱向裂縫應(yīng)重視土基強(qiáng)度的提高和減少土基不均勻沉降。a.車(chē)輛荷載的作用縱向裂縫沉陷主要分布在行車(chē)道上，且裂縫病害程度較超車(chē)道嚴(yán)重，沉陷的位置位于輪跡帶，且裂縫的活躍期在每年冬末，表明荷載作用和路基的含水量對(duì)縱向裂縫的發(fā)展有較大影響?？v向裂縫的產(chǎn)生與地基、路基的不均勻沉降、路面基

42、層質(zhì)量及結(jié)構(gòu)承載力有直接關(guān)系?？v向裂縫的發(fā)生、發(fā)展與超限運(yùn)輸荷載有比較大的影響，雖然設(shè)計(jì)荷載汽20、掛120,實(shí)際荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)軸載，對(duì)道路產(chǎn)生極大破壞。b.橫向不均勻沉降的影響最易發(fā)生橫向不均勻沉降的區(qū)域是不良地質(zhì)路段，路基填上作用下，地基將發(fā)生固結(jié)沉降，一般來(lái)說(shuō)，沉降呈“彎沉盆”式分布，即中間最大，向兩側(cè)逐漸減小。除此之外，由于地基和路基填土在橫向不可避免的不均勻性，特別在有表面水滲入地基的情況下，地基的橫向承載力會(huì)發(fā)生顯著變化，路堤兩側(cè)邊部產(chǎn)生外傾式沉降，將路面和路基分開(kāi)，導(dǎo)致路堤產(chǎn)生不均勻沉降，路面密實(shí)度常不足，其實(shí)際密實(shí)度與路堤中部密實(shí)度有顯著差異。同時(shí)，路基變形還受到季節(jié)性氣候變

43、化的影響。路線從局部汁地通過(guò)，在少雨的干旱季節(jié)，洼地上部土層常是干的，其承載力較大。由于雨季雨量較大，表面水會(huì)向路堤兩側(cè)集中，如路堤兩側(cè)沒(méi)有有效的排水邊溝，則路堤兩側(cè)將有積水。路堤兩側(cè)的積水，視積水位的高低，除向地基滲透外，還可能滲入路基下部邊部的土層中，并通過(guò)毛細(xì)作用逐漸向上滲透，使路基上部邊部的土層也變濕。由于路堤邊部土層的壓實(shí)質(zhì)量較中間部分差，一旦邊部土層變潮濕，邊部土層將產(chǎn)生固結(jié)變形，并導(dǎo)致硬路肩產(chǎn)生縱向裂縫。3)網(wǎng)裂網(wǎng)裂主要是由于滲水或施工引起局部混合料離析，水損害引起哪漿從而形成沉陷，路面網(wǎng)裂主要發(fā)生在左右輪跡帶上，嚴(yán)重的路段表現(xiàn)為網(wǎng)裂裂塊小，裂縫大，并伴有明顯的坑槽。這些路段豹網(wǎng)

44、裂在行車(chē)和雨水的作用下，會(huì)逐漸松散并形成大量坑洞，嚴(yán)重影響行車(chē)的安全性。疲勞裂縫與網(wǎng)裂是常見(jiàn)的開(kāi)裂方式，通常以瀝青層的層底拉應(yīng)變(控制疲勞開(kāi)裂)、土基表面壓應(yīng)變、表面的剪應(yīng)力（控制車(chē)轍和開(kāi)裂）作為設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)瀝青層的層底拉應(yīng)變大于極限拉伸應(yīng)變時(shí)，路面將發(fā)生損壞，這是典型的結(jié)構(gòu)損壞，這也是目前世界各國(guó)普遍采用路面設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。調(diào)查表明，我國(guó)半剛性路面結(jié)構(gòu)形成縱向裂縫及網(wǎng)裂的原因十分復(fù)雜。其中，較軟的土壤支撐與嚴(yán)重的超載交通等因素造成半剛性基層開(kāi)裂是瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的主導(dǎo)因素。東港路屬典型的粉質(zhì)土地基，毛細(xì)水上升顯著，路基含水量偏高，路基強(qiáng)度降低，路基承載能力嚴(yán)重偏低，造成東港路在不大的交通條

45、件下仍然出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)裂現(xiàn)象。為減輕半剛性基層瀝青路面的橫向裂縫，我國(guó)采取一系列措施，如：適當(dāng)降低半剛性材料強(qiáng)度；調(diào)整半剛性基層材料級(jí)配；改善層間粘結(jié)狀態(tài)；及時(shí)封縫和養(yǎng)護(hù)；設(shè)置級(jí)配碎石過(guò)渡層延緩開(kāi)裂等。但是這些措施只能緩解裂縫，不能較好的解決問(wèn)題。而國(guó)外專家認(rèn)為要解決此問(wèn)題需從結(jié)構(gòu)角度考慮，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，降低半剛性材料的強(qiáng)度，將其下臥置底基層，或采用柔性基層或組合式基層結(jié)構(gòu)。水損害現(xiàn)象瀝青路面的水損壞主要是瀝青層的坑洞、基層表面唧泥、水對(duì)裂縫的加速破壞作用等，而基層表面卿泥、水對(duì)裂縫的加速破壞最終導(dǎo)致瀝青層坑洞的產(chǎn)生。水對(duì)混合料的不利作用還表現(xiàn)在水對(duì)混合料的浸潤(rùn)作用，降低了混合料的粘附力，

46、使路血松散，降低路面結(jié)構(gòu)承載力。水損害的發(fā)生主要取決于三個(gè)因素：一是水源，二是水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)的通道，三是路面結(jié)構(gòu)抗水損壞的能力。在半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)中，路面裂縫會(huì)改變結(jié)構(gòu)的受力狀況，并不一定引起嚴(yán)重的早期損壞，但是如果伴隨發(fā)生比較嚴(yán)重的水損壞，那么接下來(lái)路面早期損壞的發(fā)生就難以避免了。各種不同的路面結(jié)構(gòu)的水損壞有明顯的差別，按照水損壞首先發(fā)生的位置和順序，可以分為兩大類:自上而下的表面層水損壞和自下而上的水損壞。根據(jù)水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)渠道的不同，這種水損害可以分為三種情況：一是由面層的空隙進(jìn)入結(jié)構(gòu)層；二是面層的裂縫為水的進(jìn)入提供通道，大量的水容易形成嚴(yán)重的水損害；三是由于路基標(biāo)高偏低，地下水位

47、高，水位的升高、毛細(xì)水作用和水的蒸發(fā)，使地下水分在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)積聚。由于致密的半剛性基層滲水性能很差，水滯留在瀝青層與基層之間或者瀝青層內(nèi)，不能迅速排出，在汽車(chē)荷載的作用下形成有壓水；在動(dòng)水壓力的作用下，面層或基層的細(xì)集料逐漸被卿漿帶走，下部脫空，水損壞便自下而上發(fā)生，與此同時(shí)，瀝青層和基層的界面條件惡化，可能很快轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)的界面條件，瀝青層底部承受很大的拉應(yīng)力，反復(fù)荷載的疲勞作用同時(shí)發(fā)生，并發(fā)生拉應(yīng)力超過(guò)極限而開(kāi)裂，水在孔隙中承受很大的高速汽車(chē)荷載的抽吸作用，孔隙率較大下面層將很快出現(xiàn)瀝青從集料表面剝離，瀝青膜逐漸被水乳化而傷失，集料松散這種情況逐漸向上發(fā)展，最后頂破表面，成為坑槽。車(chē)轍車(chē)轍是

48、瀝青路面特有的一種損壞現(xiàn)象，一般表現(xiàn)為在汽車(chē)荷載反復(fù)作用的輪跡帶上產(chǎn)生豎直向下的永久變形。車(chē)轍的出現(xiàn)，是行車(chē)荷載多次重復(fù)作用下路基和路面塑性變形（包括壓密和剪切變形）逐步祟計(jì)的結(jié)果。般車(chē)轍的形成分為二個(gè)階段：瀝占混合料的壓密、瀝青混合料的流動(dòng)、礦質(zhì)骨架的重排和破壞。根據(jù)車(chē)轍成因的不同，車(chē)轍可以分為以下5種類型:(l)結(jié)構(gòu)型車(chē)轍這類車(chē)轍是由基層及路基變形引起的，發(fā)生在瀝青面層以下包括路基在內(nèi)的結(jié)構(gòu)層的永久變形。車(chē)轍的寬度較大，兩側(cè)沒(méi)有隆起，橫斷面成U字形。(2)失穩(wěn)型車(chē)轍在高溫條件荷載的反復(fù)作用下，瀝青混合料所承受的應(yīng)力超過(guò)了其所能承受的應(yīng)力極限，發(fā)生流動(dòng)變形不斷積累形成車(chē)轍。這類車(chē)轍兩側(cè)伴有隆

49、起現(xiàn)象，橫斷面成W型。(3)磨耗型車(chē)轍在一些冬季較寒冷的地區(qū)，由于路面結(jié)冰，為保證行車(chē)安全，需要使用埋釘輪胎，這樣會(huì)對(duì)路面造成較嚴(yán)重的磨損，這類車(chē)轍在我國(guó)較少見(jiàn)。(4)再壓實(shí)型車(chē)轍在瀝青面層施工時(shí)為了片面追求平整度，而沒(méi)有進(jìn)行充分壓實(shí)，而是在降低溫度后碾壓，造成壓實(shí)度不足，致使通車(chē)后第一個(gè)高溫季節(jié)混合料進(jìn)一步被壓密，形成壓密型車(chē)轍，這種車(chē)轍的特點(diǎn)是只在輪跡下，也呈v或w形，但兩側(cè)沒(méi)有隆起現(xiàn)象。(5)水損害型車(chē)轍由于水損害發(fā)生在瀝青混凝土中下層，致使瀝青膜失去了粘結(jié)作用，從而在荷載作用下出現(xiàn)了積累變形，形成車(chē)轍。目前，控制車(chē)轍深度的指標(biāo)有兩種:一種是控制路面各結(jié)構(gòu)層包括土基的殘余變形總和;另一種

50、是控制路基表面的垂直壓應(yīng)變。推移當(dāng)瀝青路面在垂直荷載和水平荷載作用下，路表面可能出現(xiàn)推移和擁包現(xiàn)象，在夏季尤為明顯。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩方面：一是由于瀝青混凝土面層和基層之間由于粘結(jié)力不足，在行車(chē)荷載的水平力反復(fù)作用下，發(fā)生層間推移；另一種是由于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足，在夏季高溫時(shí)在行車(chē)荷載作用下產(chǎn)生。一般瀝青面層較薄的路面易產(chǎn)生前一種推移，而后一種推移在瀝青層較厚的路面較易發(fā)生。一般認(rèn)為路面層間推移現(xiàn)象，是由于層間最大剪應(yīng)力超過(guò)了材料的抗剪強(qiáng)度導(dǎo)致的。為分析瀝青混凝土面層與基層之間在荷載作用下所受到的剪應(yīng)力的大小。半剛性瀝青路面兩階段設(shè)計(jì)方法長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)

51、選用材料和擬定路面結(jié)構(gòu)層厚度。過(guò)去由于我國(guó)交通量小，超載現(xiàn)象并不十分嚴(yán)重，我國(guó)經(jīng)濟(jì)條件有限，加之半剛性基層具有較強(qiáng)的荷載分布能力和較高的承載力，所以一直采用強(qiáng)基薄面的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量大幅度增加，超載現(xiàn)象較多，早期破壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重，半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命短、后期維修工作量大，維修間隔時(shí)間短，這一系列問(wèn)題的出現(xiàn)要求對(duì)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法需要重新認(rèn)識(shí)。目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以多層彈性層狀體系為基礎(chǔ)，材料參數(shù)(模量、泊松比、強(qiáng)度等)和結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果有很大影響。在設(shè)計(jì)時(shí)若選用的材料參數(shù)越接近實(shí)際路面結(jié)構(gòu)層材料的工作狀態(tài)，那么設(shè)計(jì)出來(lái)的路面結(jié)構(gòu)使用狀況就越接

52、近實(shí)際荷載作用下的使用狀況。然而按照我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)看作是不變的，但路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中，由于半剛性材料的溫縮特性使得其在投入使用后，強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，因此設(shè)計(jì)出的路面結(jié)構(gòu)實(shí)際所能承受的交通量會(huì)小于設(shè)計(jì)要求的交通量，從而出現(xiàn)目前的使用壽命周期短，這里面雖然有施工質(zhì)量的問(wèn)題，但從根本上講，還是設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法存在某些問(wèn)題，因此研究新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法是必要的。設(shè)計(jì)指標(biāo)體系針對(duì)多層狀的路面復(fù)合結(jié)構(gòu)和損壞類型的多樣性，應(yīng)該選用多指標(biāo)設(shè)計(jì)體系，各指標(biāo)分別控制對(duì)應(yīng)的損壞類型。我國(guó)規(guī)范中用材料強(qiáng)度參數(shù)來(lái)表征結(jié)構(gòu)層的疲勞特性，但無(wú)法用來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)層的疲勞損傷。我國(guó)多采用

53、半剛性材料基層，這類路面的主要破壞類型為：瀝青面層的疲勞開(kāi)裂，瀝青面層的反射裂縫，半剛性基層的疲勞開(kāi)裂，厚瀝青面層的永久變形。因此疲勞開(kāi)裂是路面破壞的主要原因之一，需要對(duì)其疲勞損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算，采用具體的疲勞壽命形式來(lái)進(jìn)行損傷預(yù)估和設(shè)計(jì)。針對(duì)上述損壞類型，擬采用瀝青面層層底的彎拉應(yīng)變指標(biāo)、半剛性層層底的彎拉應(yīng)力指標(biāo)、路基頂面壓應(yīng)變指標(biāo)和瀝青面層的剪切應(yīng)力指標(biāo)為設(shè)計(jì)驗(yàn)算指標(biāo)。瀝青面層底彎拉應(yīng)變指標(biāo)該指標(biāo)的目的是保證瀝青層本身不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，以確保瀝青層的疲勞壽命，不小于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)。半剛性層底彎拉應(yīng)力指標(biāo)半剛性材料作為路面結(jié)構(gòu)基層在實(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)隨環(huán)境因素和荷載

54、作用強(qiáng)度逐漸衰減，產(chǎn)生因半剛性層底的彎拉應(yīng)力較大引起的裂縫，對(duì)各結(jié)構(gòu)層的的使用壽命的影響是不利的。因此應(yīng)采用半剛性層層底的彎拉應(yīng)力設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)半剛性層的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，從而滿足路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。路基頂面垂直壓應(yīng)變指標(biāo)路基的永久變形積累同所承受的重復(fù)應(yīng)力水平有關(guān)。應(yīng)力應(yīng)變水平高時(shí)，永久變形的累積速率隨作用次數(shù)的增加而增長(zhǎng)，在作用不多次數(shù)后會(huì)最終導(dǎo)致破壞。永久變形累積速率隨作用次數(shù)的增加而逐漸減緩，并趨向穩(wěn)定，應(yīng)力應(yīng)變最終達(dá)到平衡。因此控制住傳到路基頂面的應(yīng)力應(yīng)變水平，使它產(chǎn)生的永久變形累積可以最終達(dá)到平衡狀態(tài)，便可以相應(yīng)地控制住路基的永久變形量，使上面的路面結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生由于路基的過(guò)量永久變形

55、而引起的損壞。設(shè)計(jì)步驟路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，是控制或限制其結(jié)構(gòu)特性在預(yù)定的使用年限內(nèi)不至于降低到某一最低程度，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求不僅要求路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大于設(shè)計(jì)要求，而且從充分利用路面結(jié)構(gòu)層材料的角度出發(fā)，應(yīng)使半剛性層疲勞破壞后的路面疲勞壽命占有一定比例，這樣才能真正提高路面結(jié)構(gòu)的使用年限。綜合上述分析，半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)兩階段設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)步驟如下:交通量調(diào)查，并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，確定路面等級(jí)和面層類型，計(jì)算累積標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù);選定路面結(jié)構(gòu)層材料類型及適宜厚度，初步擬定幾種路面結(jié)構(gòu)組合及厚度方案，對(duì)各結(jié)構(gòu)層材料進(jìn)行組成設(shè)計(jì)和性質(zhì)測(cè)定試驗(yàn)，確定各結(jié)構(gòu)層的材料設(shè)計(jì)參數(shù);根據(jù)擬定的路面結(jié)構(gòu)，對(duì)各結(jié)構(gòu)層分階段（半剛性層正常疲勞開(kāi)裂階段和半剛性層疲勞破壞為等效粒料層階段）進(jìn)行受力分析，得出最不利位置處面層層底拉應(yīng)變。面層最大剪應(yīng)力幾、半剛性層底拉應(yīng)力、土基頂面壓應(yīng)變;根據(jù)半剛性瀝青路面兩階段疲勞壽命分析法，分別計(jì)算由各面層層底拉應(yīng)變控制瀝青層疲勞開(kāi)裂的疲勞壽命。以及由土基頂面壓應(yīng)變控制路面結(jié)構(gòu)永久變形的疲勞壽命;比較各方案