【正文】 .....................................................66 基層收縮裂縫擴(kuò)展規(guī)律 .......................................................................................................66 面層反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律 .......................................................................................................68 不對(duì)應(yīng)反射裂縫 .............................................................................................................................69 層間接觸狀態(tài)對(duì)路面應(yīng)力的影響 .......................................................................................69 不對(duì)應(yīng)反射裂縫形成過(guò)程 ...................................................................................................69 最大應(yīng)力點(diǎn)偏移距離 ...........................................................................................................70 裂縫擴(kuò)展分析 .......................................................................................................................71目錄III 本章小結(jié) .........................................................................................................................................73第六章 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計(jì)..........................................................................74 瀝青路面抗裂設(shè)計(jì)方法 .................................................................................................................74 設(shè)計(jì)流程 ...............................................................................................................................74 設(shè)計(jì)參數(shù) ...............................................................................................................................75 破壞增量法 ...........................................................................................................................75 設(shè)計(jì)實(shí)例 .........................................................................................................................................75 本章小結(jié) .........................................................................................................................................77第七章 結(jié)論與展望..................................................................................................................78 研究結(jié)論 .........................................................................................................................................78 需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題 .................................................................................................................78致 謝.........................................................................................................................................79參考文獻(xiàn).....................................................................................................................................80第一章 緒論1第一章 緒論 研究背景截至 2022 年底，我國(guó)公路總里程已經(jīng)達(dá)到 萬(wàn)公里，高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到 萬(wàn)公里，居世界第二位 [1]。在此期間，我國(guó)修建的高速公路絕大多數(shù)采用了半剛性基層瀝青路面，這些路面大多采用較優(yōu)質(zhì)的重交通瀝青混合料面層和半剛性基層，瀝青面層厚度為 9～23cm，半剛性基層、底基層總厚度介于 45～80cm 之間 [2]。在當(dāng)前和今后一段時(shí)間內(nèi)，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)仍是我國(guó)高等級(jí)路面的主要結(jié)構(gòu)形式。而對(duì)于半剛性基層瀝青路面，反射裂縫特指由于半剛性基層在溫度梯度和濕度變化下先產(chǎn)生收縮開(kāi)裂，而后沿開(kāi)裂基層向上方反射到瀝青面層而形成的裂縫。所以有必要對(duì)反射裂縫進(jìn)行深入研究，從而掌握其形成和擴(kuò)展機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出有效的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。表 11 對(duì)各種瀝青路面設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了歸納。在彈性層狀體系理論提出后的 20 多年中，該理論并沒(méi)用得到廣泛的應(yīng)用。隨著有限元方法開(kāi)始應(yīng)用到路面的荷載響應(yīng)分析，設(shè)計(jì)方法中開(kāi)始考慮粒料材料的非線性響應(yīng)問(wèn)題，從而能夠更加合理的給出彈性層狀體系或粘彈性體系的非線性響應(yīng)。2022 ME設(shè)計(jì)指南通過(guò)力學(xué)－經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算路面的響應(yīng)，運(yùn)用LTPP數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸驗(yàn)證，建立了路面的幾種關(guān)鍵破壞形式和平整度的預(yù)測(cè)模型，得到使用期末的路面性能是否滿足性能標(biāo)準(zhǔn)要求，從而確定路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)半剛性基層瀝青路面中的反射裂縫問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外在對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)的同時(shí)，理論分析研究也在同步進(jìn)行。應(yīng)用斷裂力學(xué)的概念能很好地解釋反射裂縫的擴(kuò)展問(wèn)題。 （2）通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料本身的斷裂參數(shù)（斷裂韌性、A、n 等） 。 （4）預(yù)估裂縫在瀝青面層中的擴(kuò)展壽命。所以深入研究半剛性基層瀝青路面的開(kāi)裂機(jī)理，重新審視其設(shè)計(jì)理念，針對(duì)路面病害情況，確定路面結(jié)構(gòu)的反射裂縫控制指標(biāo)，優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，使其更能反映實(shí)際路用性能，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期健康發(fā)展具有十分重要的實(shí)際意義。(3) 半剛性基層收縮開(kāi)裂分析根據(jù)半剛性基層收縮機(jī)理，建立有限元計(jì)算模型，分別分析失水率、溫差、路面長(zhǎng)度、基層模量、是否加鋪面層等主要因素對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)收縮應(yīng)力和開(kāi)裂間距的影響規(guī)律，并回歸得到半剛性基層收縮開(kāi)裂間距的預(yù)估模型。目前高等級(jí)公路瀝青路面早期破壞嚴(yán)重，按現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ 014－97）無(wú)法對(duì)此做出準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)，因此路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)和方法有待深入研究，以適應(yīng)交通發(fā)展的需要。以彈性層狀體系為基礎(chǔ)，分析在標(biāo)準(zhǔn)軸載（BZZ100）作用下，不同基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。從圖中可以看出，隨著土基深度的增加，土基內(nèi)受到的壓應(yīng)力迅速減??；且隨著基層剛度的增大，壓應(yīng)力逐漸減小。可以看出，隨著基層剛度的增加，路表的彎沉值不斷減小，即路東南大學(xué)碩士論文6面的承載能力不斷增強(qiáng)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著基層剛度由小到大，基層內(nèi)承擔(dān)的荷載應(yīng)力比重逐漸增加，表現(xiàn)為瀝青面層內(nèi)壓應(yīng)力越來(lái)越小，基層內(nèi)的拉應(yīng)力不斷增大。面層內(nèi)剪應(yīng)力沿深度方向呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在路表下 3～6cm 深度處出現(xiàn)最大值，這也從力學(xué)角度解釋了瀝青層內(nèi)車轍病害主要發(fā)生在中面層的現(xiàn)象。從 1958 年交通部制定了《路面設(shè)計(jì)規(guī)范（草案） 》之后，隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的發(fā)展和公路建設(shè)水平的提高，經(jīng)過(guò)幾十年的廣泛研究，我國(guó)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法得到逐步的完善，現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范為《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ 014－97） 》 [12]采用的主要路面結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)為路表彎沉值和各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力。因而，可依據(jù)相同的破壞標(biāo)準(zhǔn)判斷其承載能力。然而，路面是一種多層結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)具有不同的幾何和力學(xué)屬性。(4) 80 年代末，交通部重慶公路科研所通過(guò)半剛性基層材料環(huán)道試驗(yàn)研究認(rèn)為，若基層厚東南大學(xué)碩士論文8度大于 20cm，路表彎沉在經(jīng)受 106 次荷載作用后基本趨于穩(wěn)定。因此半剛性基層條件下瀝青路面的路表彎沉值無(wú)法反映荷載疲勞作用效果。(6) 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以彎沉作為最主要的指標(biāo)，甚至是唯一的指標(biāo)，使基層強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，造成對(duì)基層材料設(shè)計(jì)的誤導(dǎo)。通常情況下我們認(rèn)為面層和基層間的接觸條件為完全連續(xù)，可將這兩層結(jié)構(gòu)近似看作一層組合結(jié)構(gòu)來(lái)分析。從大量設(shè)計(jì)實(shí)例中發(fā)現(xiàn) [16]，半剛性基層、底基層的層底拉應(yīng)力一般均小于允許拉應(yīng)力，第二章 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)9其驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)低于彎沉標(biāo)準(zhǔn)；而且工程實(shí)踐表明，半剛性基層的損壞主要由溫濕循環(huán)下基層的收縮引起，裂縫一般首先出現(xiàn)在基層表面，很少出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的層底疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象。 實(shí)際工程調(diào)查 [16]為了評(píng)價(jià)按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的使用情況，以首都機(jī)場(chǎng)高速公路、京津塘高速公路北京段以及濟(jì)青高速公路淄博段為例，通過(guò)對(duì)路面結(jié)構(gòu)、交通量以及路面損壞程度的調(diào)研，并按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，以此為依據(jù)分析現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)指標(biāo)的適用性。按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，路面均處于良好的使用狀態(tài)，但是實(shí)際調(diào)查表明，路面仍然出現(xiàn)了網(wǎng)裂、橫向反射裂縫、車轍等病害，而且部分路段的病害較為嚴(yán)重。 從各條高速公路的損壞過(guò)程來(lái)看，尤其是京津塘高速，一般為半剛性基層先出現(xiàn)開(kāi)裂，然后逐漸出現(xiàn)橫向反射裂縫以及網(wǎng)裂，其間路表的彎沉。瀝青面層底部均受壓，考慮到現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中半剛性基層的彈性模量普遍取值較小，實(shí)際上瀝青面層底部更不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力；而半剛性基層底部的拉應(yīng)力均小于容許拉應(yīng)力，根本不起控制作用。表 22 路面調(diào)查結(jié)果公路名稱 首都機(jī)場(chǎng)高速 京津塘高速 濟(jì)青高速路面結(jié)構(gòu)4cm 改性瀝青混凝土6cm 中粒式瀝青混凝土8cm 瀝青碎石18cm 水泥穩(wěn)定砂礫16cm 二灰砂礫15cm 石灰土粘性土路基5cm 中粒式瀝青混凝土6cm 粗粒式瀝青混凝土12cm 瀝青碎石20cm 水泥穩(wěn)定砂礫30cm 石灰土粉質(zhì)亞粘土路基4cm 中粒式瀝青混凝土6cm 粗粒式瀝青混凝土8cm 瀝青碎石38cm 二灰穩(wěn)定碎石18cm 二灰土20cm 天然砂躒粉質(zhì)中液限粘土設(shè)計(jì)容許彎沉（mm） 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)（萬(wàn)次） 3140 1124 800累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)（萬(wàn)次） （彎沉等效）（彎拉等效）（彎沉等效）（彎拉等效）（彎沉等效）（彎拉等效）路面使用狀況通車三年后出現(xiàn)橫向反射裂縫，五年后增多，并陸續(xù)出現(xiàn)網(wǎng)裂等病害通車七年后出現(xiàn)大量橫向裂縫，并有相當(dāng)數(shù)量的局部網(wǎng)裂通車一年后陸續(xù)出現(xiàn)橫向反射裂縫，局部路段車轍明顯，超過(guò) 20mm2. 驗(yàn)算分析按現(xiàn)行瀝青路面的設(shè)計(jì)規(guī)范分別對(duì)這三種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表 23～25 。綜上所述，瀝青面層、半剛性基層和底基層的層底拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)均對(duì)半剛性基層瀝青路面使用壽命不起控制作用。面層厚度通常較薄，一般不超過(guò) 18 cm，基層厚度則一般不低于 20 cm，且基層模量多數(shù)情況下更大，因此兩者組合的中性面位置應(yīng)處于基層范圍內(nèi)，整個(gè)面層處于中性面以上，各點(diǎn)應(yīng)當(dāng)受壓，整個(gè)面層結(jié)構(gòu)在任意級(jí)別荷載作用下，底面極少出現(xiàn)拉應(yīng)力狀況，瀝青面層拉應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)實(shí)際上在設(shè)計(jì)時(shí)不起作用。2. 層底拉應(yīng)力現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，對(duì)高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路的瀝青混凝土面層和半剛性基層、底基層應(yīng)進(jìn)行拉應(yīng)力驗(yàn)算。那么，使用路表彎沉指標(biāo)的主要目的，只剩下控制路基或路基和粒料層的變形量了。即使在 105 次作用以內(nèi)，彎沉的變化規(guī)律也不明顯。重復(fù)荷載和環(huán)境因素的繼續(xù)作用，使該破壞點(diǎn)不斷延伸、擴(kuò)展，路面結(jié)構(gòu)便隨之出現(xiàn)不同形態(tài)的破壞，反映到