（道路与铁道工程专业论文）沥青稳定碎石基层抗裂机理研究.pdf

摘要 随着半刚性基层沥青路面的广泛使用，半刚性基层沥青路面也出现了严重的 反射裂缝及水损害等早期破坏现象，严重影响道路的服务能力。与半刚性基层相 比，沥青稳定碎石基层能与面层牢固粘结保证层间连续接触，避免沥青层内部出 现较大的剪应力和弯拉应力，不会产生干缩开裂，可以有效抑制和减少沥青路面 反射裂缝的产生，具有水稳定性好、施工速度快、维修养护费用低、使用寿命长 等优点。本文在研究沥青稳定碎石基层的材料和结构特点的基础上，针对沥青稳 定碎石基层路面结构和普通沥青混凝土路面结构在基层有裂缝和没有裂缝两种情 况下路面各层应力应变状况进行了深入研究。 。， 通过了解沥青稳定碎石基层原材料的技术性质和配合比设计、施工工艺，分 析了沥青稳定碎石基层的强度原理、应力分布、破坏模式、低温抗裂性能。并介 绍了路面力学和弹性层状体系理论、有限元法的基本原理及计算方法。 利用弹性层状体系理论、a n s y s 有限元和断裂力学原理分析了半刚性基层未 开裂和开裂时沥青稳定碎石基层在温度应力和荷载作用下的应力应变状况。研究 结果表明：沥青稳定碎石基层能使各面层的最大拉应力和最大拉应变都有所降低， 受力更加均匀，沥青稳定碎石基层可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，消弱拉应力 和拉应变的传递能力，并有能消散和吸收有交通荷载及环境温度变化所产生的荷 载应力和温度应力。此外，柔性基层路面结构的a t b 3 0 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，减小应 力集中现象。有效缓解了由于基层开裂引起的反射裂缝对路面的破坏作用。 关键词：柔性基层；反射裂缝：应力；应变；有限元法 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n tw i t hs e m i - r i g i dt y p eb a s eo f t e np r o d u c e sr e f l e c t i v ec r a c ka n d w a t e rd a m a g e ，e t cp r e m a t u r ed a m a g e ，a n dt h ed a m a g es t r o n g l yr e d u c e su s e f u lt i m eo f t h ea s p h a l tp a v e m e n t a s p h a l tt r e a t e db a s eb e l o n g st ot h ec a t e g o r yo f f l e x i b l eb a s e i t d o e s n tp r o d u c ec r a c kd u et o d r y i n gs h r i n k a g ea n de n s u r e sc o n t i n u o u sc o n t a c tt o u p p e ra s p h a l tc o u r s e ，w h i c hr e d u c e ss h e a ra n db e n ds t r e s s e si na s p h a l tc o u r s e s t h u s e f f e c t i v e l yr e d u c e sr e f l e c t i o nc r a c ki na s p h a l tp a v e m e n tc o m p a r ew i t hs e m i r i g i db a s e a s p h a l tt r e a t e db a s em a t e r i a ls h o w ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ei nm o i s t u r es u s c e p t i b i l i t y r a p i d n e s si nc o n s t r u c t i o n ，l o wr e p a i rc o s ta n dl o n gl i f e ，t o o b a s e do nt h es t u d yo fa m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sc h a r a c t e r i s t i c so nt h eb a s i so ft h ep a p e ri n t e n s i v e l ys t u d i e d a s p h a l tt r e a t e db a s ea n dg r a s s r o o t so r d i n a r ya s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ts t r u c t u r ea t t h eg r a s s r o o t sl e v e l ，t h e r ea r en oc r a c k sa n dc r a c k su n d e rt h es u r f a c el a y e r sb o t hs t r e s s a n ds t r a i ns t a t u soft h ei n d e p t hs t u d y b yu n d e r s t a n d i n gr a wm a t e r i a l sa n dt h et e c h n i c a ln a t u r eo fm i x d e s i g n ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fa s p h a l tt r e a t e db a s e ，a s p h a l ts t a b i l i z e d g r a v e lo ft h e s t r e n g t ho ft h eg r a s s r o o t sp r i n c i p l e ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，t h ef a i l u r em o d e t h e1 0 w t e m p e r a t u r ec r a c k i n gp e r f o r m a n c e o nt h er o a da n dt h em e c h a n i c a la n de l a s t i cl a y e r e d s y s t e mt h e o r y , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so f c a l c u l a t i o n t h ep a p e ra n a l y z e dt h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t eo fa s p h a l t t r e a t e db a s ew i t h s e m i r i g i db a s ec r a c k i n go ru n c r a e k i n go nt h et r a f f i cl o a da n dt h et e m p e r a t u r es t r e s s w i t ht h ev i s c o e l a s t i c l a y e r ss y s t e mt h e o r y , t h ea n s y sp r o g r a ma n dt h ef r a c t u r e m e c h a n i ct h e o r y t h er e s u l t ss h o w e e dt h a t ：a s p h a l ts t a b i l i z e d g r a v e ls u r f a c eo ft h e g r a s s 。r o o t sm a k et h em a x i m u mt e n s i l es t r e s sa n dm a x i m u mt e n s i l es t r a i nh a sa l s o b e e nr e d u c e db ym o r eu n i f o r mo ft h ea s p h a l ts t a b i l i z e dg r a v e lg r a s s r o o t sr e s i s t a n c e t ob ee f f e c t i v ei nt h ee x p a n s i o no fa d v a n c e df r a c t u r e p a t h ，w e a k e n i n gt e n s l i es t r e s s a n ds t r a i no ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , a n dc a na b s o r ba n dd i s p e r s et h et r a f f i cl o a da n d t e m p e r a t u r ec h a n g e si nt h el o a ds t r e s sa n dt e m p e r a t u r es t r e s s i n a d d i t i o n ，t h e s t r u c t u r eo fa s p h a l tt r e a t e db a s es m a l l e rc o n t r a c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h es i z ea n d s t r u c t u r e o ft h eg a pm o r et h a nt h el a r g e rp l a s t i cd e f o r m a t i o na b i l i t yt o f u l l ya b s o r bt h es t r a i n e n e r g yr e l e a s ec r a c k s ，r e d u c es t r e s sc o n c e n t r a t i o n a sp r i m a r yc r a c k i n gc a u s e dc r a c k s o nt h es u r f a c er e f l e c t i o no f t h ed a m a g ew a s e f f e c t i v e l ye a s e d h k e yw o r d s ：a s p h a l tt r e a t e db a s e ；r e f l e c t i v ec r a c k ；s t r e s s ； s t r a i n ； f i n i t e e l e m e n tm e t h o d i l l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 名：呻生 魄b 晖9 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 别帷锯z 。、 日期f 夕辟够月；、日 日期：夕芳年够月；a 日 1 1 课题研究背景 第一章绪论 沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用中均遇到的主要病害之一，其分布十 分普遍，无论是冰冻地区，还是非冰冻地区，只是各自的裂缝严重程度不同而已。 根据沥青路面开裂的主要原因，裂缝可以分为两大类，即荷载型裂缝和非荷载型 裂缝。荷载型裂缝，即主要由于交通荷载作用下产生的疲劳裂缝。研究表明n 矗3 ； 荷载型裂缝的开裂方式主要体现为剪切式。非荷载型裂缝，既不是交通荷载引起 的裂缝，主要为温度型裂缝。沥青路面的温缩型开裂包括低温收缩开裂与温度疲 劳开裂，均体现为张开型开裂方式。两种裂缝分类见下表： 表1 裂缝分类 破损分类 裂缝类型 裂缝产生的主要原因 网状( 疲劳) 裂缝荷载引起的沥青、基层疲劳破坏 荷载型裂缝 路面边缘裂缝冻胀，荷载过重 坑槽荷载 纵向裂缝施工缝，温缩，老化，反射裂缝 横向裂缝温缩，沥青p i 值，反射裂缝 非荷载型裂缝 块状裂缝温缩 层间拉裂 上下层粘结，表层强度差 行车道和路肩接缝开裂路肩的侧向位移 接缝反射裂缝水泥混凝土板的位移 按沥青面层裂缝开裂部位，裂缝开裂的方式，路面体中的裂缝又可分为基层 反射裂缝、表面裂缝。基层反射裂缝，即半刚性基层开裂后，在裂缝尖端产生应 力集中，导致裂缝自下而上持续发展，直至贯通至路表面；表面裂缝表现为自上 而下的开裂方式，一般为温缩型裂缝或在交通荷载的作用下，在轮载边缘产生较 大的拉应力所产生的。对沥青路面结构裂缝的类型进行划分是必要的。因为导致 裂缝的主要成因不同，预防和处置的相应措施也会有所区别。沙庆林院士在其专 著中哺1 给出了几点重要结论：有一较厚沥青面层的半刚性路面，裂缝主要是面 层本身产生的以低温缩裂为主的温度裂缝；半刚性基层上为较薄沥青面层时，面 层中有相当一部分是反射裂缝。 沥青路面的开裂一般与路面材料的特性、结构组成及形式以及交通荷载和各 类环境因素的作用有关。 归纳起来心3 _ 4 1 ，引起路面开裂的主要由以下几个方面的原因： 1 、道路结构温度场的影响 道路结构温度场对路面裂缝的产生具有十分重要的影响，道路结构温度场随 外界气温而呈周期性变化，路面结构内部温度亦随不同深度而变化，各结构层由 温度变化产生的伸缩变形受阻即产生温度应力。沥青面层所产生的温度应力主要 来自两个部分：一部分是由于气温降低使路面结构产生收缩变形，沥青面层受边 界及层间的约束使变形受阻产生温度应力：另一部分是由于昼夜温差使沥青面层 及半刚性基层内部存在温度梯度，造成各结构层的翘曲变形而产生的温度应力。 无论是表面裂缝还是基层反射裂缝，道路结构温度场的变化对其生成和发展均产 生十分重要的影响。 2 、交通荷载 我国沥青路面结构设计的基本理念是通过控制路表弯沉、层底拉应力推算结 构厚度达到控制使用性能衰减的目的，因此在完好的路面结构情况下，一般能保 证路面的设计寿命。但由于半刚性基层材料不可避免的开裂特性，使在交通荷载 的作用下，裂缝顶端产生很大的应力集中，将促使基层反射裂缝的向上延伸。对 于表面裂缝，由于超重车的增加，轮胎胎压的增大，路面结构的变形，将在轮迹 侧面产生拉应力，导致产生表面裂缝。 3 、路面结构的材料特性 沥青的品种和质量，这是沥青面层本身产生温度裂缝的原因，沥青的温度敏 感性是影响裂缝的重要因素，针入度指数p i 愈高，粘度愈大，沥青的温度敏感性 就愈低：基层材料种类与裂缝率的大小有明显关系，组成基层的材料收缩性大时 ( 如石灰、水泥等) 裂缝率就大，反之就小；半刚性基层材料碾压时的含水量，当 含水量大时，收缩变形就大，含水量小时，收缩变形就小；基层的暴晒时间，半 刚性基层施工后，如不及时铺筑面层，而让基层暴晒，或不及时覆盖养生，就会 产生较大的干缩裂缝，这种干缩裂缝迟早会反映到沥青面层上，形成对应裂缝或 反射裂缝。 ， 4 、设计或施工控制不当 路面开裂也可能因路面设计的某些缺陷，或基层或多层路面结构的施工不当 而引起的。 根据支配裂缝产生和扩展贯穿道路结构的机理的因素不同，沥青路面裂缝存 在许多不同的形态。随着公路交通建设的发展，以无机结合料稳定粒料( 土) 类 为基层，沥青混凝土为面层的所谓”半刚性路面”被大量用于高等级公路路面，如 何减少半刚性路面裂缝，国内外道路界也进行了大量研究工作，了解半刚性路面 裂缝的成因及机理，掌握有关的分析方法与设计方法。 然而，随着半刚性沥青路面的大量使用，逐步发现半刚性沥青路面也存在着 2 一些严重的问题阳7 1 3 t 2 e 3 钉，主要表现在： ( 1 ) 半刚性沥青路面裂缝严重 在我国已建高速公路使用调查表明，基层基本上都是石灰、水泥稳定粒料的 半刚性基层，半刚性基层几乎难以抗拒干缩而引起收缩裂缝，进而在沥青面层上出 现反射裂缝。半刚性沥青路面裂缝问题日益突出，并已成为该结构的主要病害。 调查表明，不论是在南方还是在北方，这些反射裂缝通车后一年后均陆续出现。 沈大高速公路沈鞍段1 9 8 6 年竣工，1 9 8 7 年3 月在一段8 5 4 m 长的路面上出现裂 缝1 0 条，沪嘉高速公路1 9 8 8 年底竣工，1 9 9 0 年2 月即发现裂缝，至19 9 4 年1 6 公里道路发现裂缝1 2 6 7 条，广佛高速公路19 8 9 年7 月竣工，1 9 9 0 年2 月全线1 5 公里共发现裂缝3 1 8 0 条。由此可见，不论是北方冰冻区还是南方非冰冻区，半刚 性沥青路面裂缝严重的事实是一致的。现场钻芯取样观察表明，裂缝中相当数量 是半刚性基层先裂而导致的沥青面层开裂，这比例常常超过5 0 ( 尤其是温、 湿变化剧烈地区) 。大量裂缝的产生，在一定程度上导致了结构强度的削弱。经过 对裂缝的调查研究，我们可将裂缝分为以下几种形式：( 1 ) 铺筑在未开裂半刚性 基层上的厚沥青面层的裂缝，主要是沥青本身的温缩裂缝；( 2 ) 铺筑在未开裂半刚 性基层上的薄沥青面层的裂缝，既有基层温缩裂缝和干缩裂缝，还有面层的反射裂 缝，在不利条件下，反射裂缝可能占5 0 以上；( 3 ) 铺筑在已开裂的半刚性基层的 沥青面层，反射裂缝不可避免，而且沥青面层越薄，反射裂缝越多。 ( 2 ) 半刚性沥青路面结构排水条件差 半刚性沥青路面严重的裂缝，为雨水进入路面结构提供了通道。这些水部分 可能顺着基层裂缝继续下渗以软化土基，而大部分水份却由于缺乏适当的排水通 道而滞留于面层与基层间，在高速行车下产生极大的动水压力而冲刷基层造成唧 浆。这一过程的反复作用最终导致基层丧失支撑以及与面层的联结，从而导致沥 青面层出现网裂等破坏。 造成半刚性沥青路面裂缝较严重的因素是复杂的，其中有沥青面层低温缩裂、 有荷载疲劳开裂( 通常应很少) ，还有来自半刚性基层的反射裂缝。半刚性基层材 料在外界温度、湿度变化下产生干温缩裂，这种具有裂缝的基层在干、温收缩应 力进一步作用下，裂缝顶端产生较大拉应力集中是造成基层裂缝沿面层底部向上 反射直至贯通的主要原因。 研究表明：各类半刚性基层在最不利温度段( t = 0 1 0 ) ，平均温缩系数 夏f ( o c ) 变化于( 5 - 3 5 ) 1 0 击，而平均干缩系数口d ( ) 则变化于( 2 0 1 7 0 ) 1 0 。6 a c 0 1 ， 如以f t l 和【】分别表示温缩和干缩抗裂系数，则： 【t 】= m 5 ，( c ) ( 1 1 ) 【】- m 口d ( ) ( 1 2 ) 式中：广半刚性基层材料极限拉应变( 嶂) ； 3 口卯c ) 、口d ( ) 半刚性基层材料平均温缩、干缩系数。 根据上式，如以抗温缩最好的二灰砂砾( 砂砾含量7 5 ) 而言， t = 1 2 ，【】 = 5 7 ，即温差1 2 或含水量损失5 7 足以使其开裂；若以抗干缩最好的二灰砂 砾( 砂砾含量2 0 ) 为例，n t = l o 4 ，【c o l = 6 4 ，这一温度和湿度变化对于我国 大部分地区的半刚性基层( 尤其是较薄面层下的基层) 是容易达到的，更何况干 缩和温缩往往是同时起作用。因此，由半刚性基层开裂而引起的沥青面层开裂对 于半刚性沥青路面来说事实上是难以避免和固有的。 沥青稳定碎石基层在我国研究起步较晚，但已成为众多国家的公路典型基层 结构类型。沥青稳定碎石基层属柔性结构层材料，它具有较高的抗剪强度、抗弯 拉强度和耐疲劳特性；与传统的用于面层的沥青混凝土相比，它是针对于基层用 的，粒径偏大，级配偏粗，沥青用量偏少，对原材料的要求相对于面层要低；与 沥青碎石相比，有较多的细集料和填料，级配和原材料要求相对较高；与半刚性 基层相比，则不易产生收缩开裂，同沥青面层一起构成全厚式沥青路面( 厚度在 2 0 c m 以上) ，从而使得整个沥青面层具有修筑时间短、路面结构均匀、受水与冰 冻影响较小、维修费用低、路面材料能够全部被重复利用和使用寿命被延长等优 点。 采用沥青稳定碎石基层的沥青路面将具有半刚性基层沥青路面所不具备的许 多优越性口，主要有： ( 1 ) 沥青稳定碎石基层沥青路面，由于面层和基层材料结构的相似性，路面结 构受力、变形更为协调： ( 2 ) 设计优良的沥青稳定基层混合料能保证一定的空隙率，使水分顺畅地通过 基层排出，不会滞留在路面结构中造成路面的水稳性破坏； ( 3 ) 沥青混合料对于水份的变化不敏感，受水和冰冻影响较小，不会因为干缩 裂缝而导致面层出现反射裂缝； ( 4 ) 沥青稳定碎石基层同沥青面层一起构成全厚式沥青面层，从而使得整个沥 青面层的修筑时间减少。 对于半刚性基层的沥青路面，有完整的设计和施工方法，在这方面的研究也 比较深入。但对于在国外已得到广泛应用的柔性基层( 尤其是a t b 基层) 沥青路 面涉足不深，而随着我国交通基础设施建设的迅猛发展以及研究的深入，单一的 半刚性基层沥青路面已不能适应形势的需要，特别是半刚性材料的收缩开裂不能 得到有效的防治，给道路交通造成很不利的影响，急需要研究和发展柔性基层沥 青路面，经国内外研究柔性基层在沥青稳定碎石基层材料具有较高的抗剪强度和 耐疲劳特性，能够有效抑制和减少沥青路面反射裂缝的产生，有着良好的经济效 益和路用性能。本项课题针对柔性基层沥青路面抗裂机理进行研究有重要意义。 4 1 2 国内外沥青稳定碎石基层及其抗裂性能研究概况 1 2 1国内外沥青稳定碎石基层的研究现状 ， 在国外柔性基层沥青路面已经得到了广泛的应用阳 1 l 】“卜2 羽，不论是在设计还 是施工方法都是比较完善的，欧美国家广泛采用沥青稳定基层，尤其在交通量较 大的道路上都是铺筑沥青稳定碎石基层，但各国的做法各有所小同。英国道路采 用的沥青稳定基层材料基木上是热拌沥青混合料，主要有密级配沥青碎石混合料 ( b d m ) 、热拌沥青混凝上( h r a ) 、密级配煤沥青碎石混合料( d b m ) 、以及多碎石 沥青混合料( h d m ) 等。沥青材料通常使用1 0 0 # 沥青，但也使用5 0 # 硬质沥青。以 获得较高的弹性模量路面结构大致是表面层为4 5 c m 热拌沥青混凝土( h r a ) 或 多孔性排水沥青混合料( p a ) ，下面层为常采用6 c mh r a 、d b m 、d b m5 0 或 h d m 不设中面层，沥青层厚度根据交通量不同厚度从2 0 - - 5 0 c m 不等。法国采用 热拌热铺沥青稳定处理基层，其级配通常为0 ，1 4 和0 2 0 两种。粒料基层只应用 于中、低交通量道路沥青面层的上面层厚度按结构要求约为2 - - 9 c m ，中面层厚度 根据交通量大小约为6 1 4 c m ，下面层一般厚度为5 7 c m ，这样沥青面层的总厚 度约为1 2 , - - ，3 0 c m 。 。在国内，由于经济基础及技术基础的特点所限，长期以来，各级公路大多是 用半刚性材料修筑路面基层和底基层，并取得了良好的经济和技术效益。我国高 速公路的基层几乎全部采用了半刚性基层类型( 水泥稳定类和石灰稳定类) ，面层 通常采用上、中、下三层结构类型，其总厚度一般不超过1 8 c m ( 除京津塘和广深 高速外) 。在我国把在半刚性基层与沥青面层之间设置一层柔性基层称这种路面为 复合型柔性基层，国外称之为倒装路面或夹层路面，或者直接采用沥青碎石柔性 基层来代替半刚性基层，称之为全厚式沥青路面。沥青碎石层作为改善半刚性基 层路面的排水和防止反射裂缝的柔性基层正受到普遍关注和研究。 1 2 2 沥青路面抗裂性的研究 在各国沥青稳定碎石基层不断地发展，但是关于沥青稳定基层的抗裂机理研 究却很少。国内外已经研究出了一些针对沥青路面开裂分析的理论和方法h 引， a r e ( a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ) 的m c c u l l o u g h 等人运用静力学平衡方法对影响 温度型、剪切型反射裂缝产生的各路面结构层特性也进行了分析，分析结果显示 ，影响温度型反射裂缝的主要因素包括罩面层( 蠕变) 模量、罩面层与旧路面的粘 结应力、旧路面板的线收缩系数、罩面层厚度、接缝宽度、混凝土板的弹性模量 及其厚度；影响剪切型反射裂缝的主要因素有接缝传载能力、罩面层的( 动态) 模 量、罩面层厚度、罩面层泊松比，其中罩面层厚度既影响温度型反射裂缝，又影 响剪切型反射裂缝。美国人诺林( l t n o i i n g ) 在总结了水泥稳定土基层上的沥青路 面使用性能和裂缝的基础上得出水泥稳定体的收缩主要是于缩，其产生的反射裂 缝很少导致沥青路面结构的破坏。在加拿大试验路的基础上，麦克劳德( m c l e o d ) 建议将野外条件下的最低温度和沥青混合料的劲度模量结合起来作为确定沥青路 面是否开裂的依据。为了防止和估计温度开裂，美国战略公路研究计划( s h r p ) 提 出对于以低温弯曲蠕变劲度模量来评价沥青低温抗裂性能最重要的指标。 评价沥青路面开裂的方法出现了很多种乜j 3 ，诸如有开裂统计法、预估开裂温 度法、松弛理论法、能量法等。其中的预估开裂温度法以及能量法是大家较常使 用的。预估开裂温度法是由希尔斯( h i l l s ) 和波恩( b r i e n ) 根据温度应力和抗拉温 度之间的平衡为基础提出的评价不同沥青混和料抗裂性能的方法，该方法认为沥 青路面上出现横向裂缝的原因( 简称t 氏破裂温度) 是面层收缩应力随着温度下降 产生的应力累计超过了混合料本身的极限抗拉强度。 对于反射裂缝的产生和发展，目前形成了共识，一般认为由于温度变化引起 混凝土板收缩和交通荷载驶过接缝裂缝，使得缝端附近的沥青混凝土材料内产生 应力集中，导致反射裂缝的产生和发展。温度变化时基层长度发生变化，在接缝 裂缝处诱发拉伸应力。若此处的沥青面层拉伸强度不足则很快出现裂缝。 关于沥青路面断裂分析的理论及抗裂，国内外已开展了大量的研究工作。早 期的研究，大多基于经验公式或传统的层状结构力学计算方法。目前国外已广泛 采用了基于断裂力学的疲劳寿命预测方法。我国也开展了相应的研究工作。但总 体上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影响沥青路面裂缝扩展的机理研 究尚不系统，也未提出合适的沥青混合料断裂韧性参数等材料性能指标以及沥青 路面抗裂设计方法，有关的试验测试方法也不成熟。 1 传统的沥青路面结构破坏理论与设计方法 自从人们在道路上开始使用沥青路面结构形式以来，就开始了对沥青路面破 坏形态及其原因的探讨，并根据当时所掌握的认识水平与方法对沥青路面结构破 坏进行研究，并提出相应的抗裂设计方法。在早期，人们主要基于对不同类型数 据的调查采集，经过数据整理分析，总结提出经验性的公式和方法，计算或预测 沥青路面结构相应结构破坏的使用寿命。后来随着塑性力学与传统的疲劳强度理 论的发展与推广应用，关于沥青路面结构破坏的研究开始进入理论分析阶段。塑 性力学在道路中的应用，主要是确保结构的承载力，即利用材料的抗剪强度指标， 运用塑性破坏理论，分析道路结构层的屈服破坏，并在材料选择和结构设计上防 止这种破坏的出现，如根据早期美国各州公路工作者协会实施的实地性能测试结 果指出了提高结构层内粘聚力的重要性。随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们 认识到，路面的破坏是由于荷载在路面材料中引起的重复加载疲劳应力超过了路 面混合料的抗拉强度而发生的。美、英、苏、前联邦德国等国，根据十多年的大 量实验，相继进行了基于疲劳强度理论的设计上的重大改革。并且，目前各国沥 6 青路面设计仍主要沿用这种疲劳强度理论。只是由于各国情况不同，在取得结论 的方法上也各有不同，各国分别确定了自己的设计方法。 2 基于断裂力学的沥青路面破坏理论与应用 传统的疲劳强度理论承载的循环作用而对材料造成的损伤的累积，但相关的 分析是针对连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没考虑材料、结构内部先天 存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这种得运 用传统疲劳力学理论与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实际情况存 在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但使设计结果仍带有较大程度 的不确定性。按照后来发展的断裂力学及其疲劳断裂力学的观点，结构的破坏正 是由于其内部存在的缺陷引起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，就造成了内部缺陷的发展，并导致结构的 破坏。断裂力学及其疲劳断裂力学在工程上的应用与发展，引起或即将引起有关 结构设计的革命性改革，包括其中的设计理论、计算方法、设计和验算指标等方 面。基于结构内部存在裂缝之类缺陷的断裂力学理论与方法在沥青路面工程中的 应用，大约开始于世纪年代末、年代初，至今为止，依次经历了线弹性断裂力学、 疲劳断裂力学与粘弹性断裂力学等几类断裂力学理论与方法的应用发展阶段。 1 3本文主要研究内容与思路 本文在国内外现有的对柔性基层沥青路面抗裂性研究的基础上，借鉴最新的 研究方法，对柔性基层沥青路面开裂的特点及机理进行深入研究。具体内容如下： ( 1 ) 国内外柔性基层沥青路面开裂研究l 此部分主要通过查阅相关文献和搜索网上资源，获取相关资料，旨在参考国 内外已研究的沥青稳定碎石基层沥青路面应用及抗裂取得的成功经验。 ( 2 ) 柔性基层沥青路面特点的研究 本研究通过对柔性基层路面结构材料配合比设计进行分析，对柔性基层沥青 路面抗裂特点进行深入探讨。 ( 3 ) 柔性基层沥青路面开裂机理的研究 考虑沥青稳定碎石基层没有反射裂缝和有反射裂缝下的开裂机理分析。 首先建立两种路面结构模型，考虑模型在温度作用下利用a n s y s 有限元程 序计算出不同温度( 1 5 、5 c 、5 、1 5 ) 条件下两种( 一种结构采用a t b 3 0 ， 另一种为普通沥青混凝土路面结构) 路面结构在各层层底最大拉应力和应变。并 对两种结构进行对比分析，从而得出沥青稳定碎石基层在抗裂方面的优越性。 然后研究沥青稳定碎石基层缓解反射裂缝的机理，采用有限元法( 各计算条 件同上) 对两种柔性基层( 或下面层) 沥青路面结构在半刚性基层已开裂的情况 下进行力学分析，最后考虑在荷载和温度耦合作用下结构各层最大拉应力和应变， 7 以比较普通基层和柔性基层缓解反射裂缝的能力。 3 第二章沥青稳定碎石基层沥青路面抗裂特点的研究 2 1 沥青稳定碎石基层特征 本文依托许平南高速公路项目第2 5 - 3 0 合同段实体工程的铺筑，研究沥青稳 定碎石基层的组成结构和强度原理。 许( 昌) 平( 顶山) 南( 阳) 高速公路是国家新规划的日照至南阳国家重点干线公 路的重要组成部分，是河南省“米”字形高速公路主骨架的重要组成部分。该公路 北连京珠国道主干线，南接规划中的南阳至襄樊高速公路。起点位于京珠国道主 干线许昌南立交南2 3 k m 处，终点在南阳市宛城区新店乡张敏庄东南6 0 0 m 处， 路线全长1 6 2 7 9 4 8 6 8k m 。 许平南高速公路第2 5 3 0 合同段项目区位于许昌、平顶山境内，属于温带大 陆性半湿润半干旱季风气候区，四季分明，一般冬季受大陆性气团控制，夏季受 海洋性气团控制，春秋两季为交替过渡季节。年平均气温1 4 6 1 5 0 ，绝对 最低气温1 7 4 ，绝对最高气温4 2 4 。年平均降雨量7 3 5 2 8 1 1 8 m m ，集中在 7 、8 、9 三个月，全年无霜期2 1 5 - - 2 3 5 天。南阳市地处亚热带暖温带过渡地带， 属于典型的季风性大陆半湿润气候，四季分明。路线经过的方城县气候特征为： 年平均气温1 4 4 ，历年最高气温4 1 1 5 ，历年最低气温1 7 2 。降雨量 8 0 3 3 m m ，多集中在7 、8 、9 三个月，全年无霜期2 2 2 天。南阳市气候特征为： 年平均气温1 4 8 ，历年最高气温4 1 6 5 ，历年最低气温1 7 2 。年降雨量 8 0 4 2 m m ，多集中在7 、8 、9 三个月，全年无霜期2 2 8 天。根据我国的公路自然 区划公路自然区划标准( j t j0 0 3 8 6 ) ，许昌、平顶山属于i i5 区( 鲁诲轻冻区) ， 南阳属于2 区( 江淮丘陵、山地湿润区) 。 6 e l 院0 1 l e aa t b 3 0 i t e m 水泥稳定碎石 1 6 c a 水泥稳定碎石 2 0 e l 水泥稳定砂砾 土基 图2 1 许平南高速公路第2 5 - 3 0 合同段路面结构 9 许平南高速公路沥青路面结构设计全线采用采用的路面结构如图2 1 所示，其 中沥青稳定碎石基层为a t b 3 0 ，厚度为l l c m ，既作为下面层又作为部分柔性基 层使用。 2 1 1a t b 3 0 原材料的技术性质 ( 1 ) 沥青 本课题所采用的沥青为韩国s ka h 7 0 沥青，按公路工程沥青及沥青混合 料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 进行各项常规指标测试，试验结果见表2 1 。根据“重 交通道路石油沥青技术指标要求”进行评价，均满足要求。 表2 1韩国s k a h 7 0 沥青的技术性质 试验项目单位试验方法 试验结果 规范要求 针入度( 2 5 ，5 s ，1 0 0 9 ) 0 1 m mt 0 6 0 4 - 2 0 0 0 7 4 6 0 8 0 延度( 1 5 ，5 c m m i n ) c mt 0 6 0 5 1 9 9 3 1 0 0 1 0 0 软化点( 环球法) t 0 6 0 6 2 0 0 04 7 24 4 5 4 闪点t 0 6 11 1 9 9 3 3 3 le 2 3 0 溶解度( 三氯乙烯)t 0 6 0 7 - 1 9 9 39 9 7 4 9 9 密度( 1 5 ) c m 3 t 0 6 0 3 1 9 9 3 1 0 3 6实测 含蜡量( 蒸馏法)t 0 6 15 2 0 0 0 1 0 4 2 集冲击值 1 1 1 0 5 8 2 0 0 0t 0 3 2 2 2 0 0 01 9 8 1 2 8 科 软弱颗粒含量 j l l 0 58 2 0 0 0t 0 3 2 0 2 0 0 0s 3 2s 5 0 石料抗压强度等级 j t j 0 5 4 - 19 9 4t 0 2 1 3 1 9 9 4 i 级 i n 级 细视密度 g c m 3 1 1 j 0 58 - 2 0 0 0t 0 3 2 8 2 0 0 02 7 0 1芝2 5 0 集吸水率 1 1 3 0 5 8 2 0 0 0t 0 3 3 0 2 0 0 01 2 - 5 0 视密度 g c m 3 j t j 0 5 8 2 0 0 0t 0 3 5 2 2 0 0 02 6 9 4 之2 5 0 含水量 j t j 0 58 - 2 0 0 0t 0 3 3 2 - 1 9 9 4 0 4 2 - 1 0 6 r a ml o o1 0 0 矿 粒度 9 3 6 9 0 l o o 粉o 1 5 m m 3 飞j 0 5 8 2 0 0 0t 0 3 5 1 2 0 0 0 范围 51 5 4 0 2 1 3a t b 3 0 施工工艺研究 从施工的角度来看，沥青层的厚度对沥青混合料级配最大粒径或者最大公称 粒径有着重要的影响。一般来说，在一定厚度下，混合料粒径偏大，则容易造成 离析、压实困难、集料压碎等现象，从而导致路面整体强度的降低：如果粒径偏 小，则混合料的内摩阻力减小，高温稳定性降低。对于沥青混合料的层厚，我国 a t b 3 0 c a v f 3 0 s u p 3 0 s a c p b 3 0 a t p b 3 0 。以破坏应 变为评价指标，六种级配沥青稳定碎石混合料的低温抗裂性能的优劣排序为： b l f 3 0 s u p 3 0 c a v f 3 0 a t b 3 0 s a c p b 3 0 a t p b 3 0 。采用这两种评价指标评价沥 青稳定碎石混合料的低温抗裂性能并不完全相关，这是因为在低温下沥青稳定碎 石混合料的抗弯拉强度主要取决于沥青胶浆含量和空隙率，而破坏应交主要取决 于沥青胶浆含量和粉胶比。 ( 5 ) 以破坏劲度模量为评价指标，六种级配沥青稳定碎石混合料的低温抗裂 性能的优劣排序为：六种级配沥青稳定碎石混合料的由大到小排列顺序为： s a c p b 3 0 a t p b 3 0 b l f 3 0 s u p 3 0 c a v f 3 0 a t b 3 0 。对于密级配沥青稳定碎石混 合料，破坏劲度模量与破坏应变的相关性很好；但对于六种级配沥青稳定碎石混 合料，破坏劲度模量与抗弯拉强度、破坏应变相关性很差。这是因为破坏劲度模 量是应力与应变的比值，是反映材料刚度大小的指标，但实际上低温开裂不仅与 材料强度有关，而且与材料的变形能力有关，如材料有很强的伸长能力，即使其 强度不很高。它也不易发生开裂，因此采用破坏劲度模量来评价沥青稳定碎石混合 料的低温抗裂性是不合适的。 ( 6 ) 以弯曲应变能为评价指标，六种级配沥青稳定碎石混合料的低温抗裂性 能的优劣排序为：b l f 3 0 c a v f 3 0 s u p 3 0 a t b 3 0 s a c p b 3 0 a t p b 3 0 。弯曲应变 能同时考虑了抗弯拉强度和破坏应变抵御低温开裂的作用，是一个更加合理、有 效的评价指标。 2 3 研究沥青路面抗裂性的理论与方法 随着力学领域道路破坏理论的研究发展，关于沥青路面结构开裂破坏研究经 历了由经验性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一半力学公式，即根据所 建立的沥青路面结构开裂破坏的结构和理论，经过力学理论计算与分析，建立简 化的理论公式或图表，结合实际工程检验与修正，最终提出比较符合实际的修正 公式与相应的计算方法。在此基础上，提出相应的沥青路面抗裂设计方法。 2 3 1 路面力学计算理论 路面力学经过了半个世纪的发展