【文章內(nèi)容簡介】 瀝青路面的破壞形態(tài)、特征以及原因可將路面的病害主要分為裂縫、車轍、水損害三大類[17]。 裂縫根據(jù)瀝青路面開裂的原因，可把裂縫分為如下幾類：(1) 荷載型裂縫荷載型裂縫主要由行車荷載作用產(chǎn)生，一般首先出現(xiàn)在半剛性基層底部，并逐漸向上擴展，使得瀝青面層也開裂破壞。荷載型裂縫表現(xiàn)在面層上往往不是單獨的、稀疏的裂縫，而是稠密的、互相聯(lián)系甚至是網(wǎng)狀的裂縫（如圖27）。(2) 溫度裂縫溫度裂縫主要是橫向裂縫（如圖28），一般分為兩種。一種是低溫收縮裂縫，當短期氣溫大幅下降時，瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生的收縮拉應力或拉應變大于材料的抗拉強度或極限拉應變，瀝青面層就會開裂；另一種為溫度疲勞裂縫，在日溫差較大的地區(qū)，瀝青面層中存在較大的溫度應力，這種溫度應力日復一日的反復作用，使瀝青路面產(chǎn)生疲勞開裂。實際路面上產(chǎn)生的溫度裂縫為兩者之和。(3) 反射裂縫新建半剛性基層隨著混合料中水分的減少要產(chǎn)生干縮應力，加之由溫度下降引起的溫縮應力的共同作用，使得半剛性基層可能在加鋪面層前就產(chǎn)生收縮開裂。而加鋪面層后，在行車荷載和溫度荷載的共同作用下，基層裂縫引起瀝青面層底部對應位置開裂并逐漸向上傳遞，從而形成反射裂縫（如圖29）。 車轍目前瀝青路面的永久變形主要就是瀝青層車轍問題（如圖210），就其機理上來看，主要有失穩(wěn)型車轍、結構性車轍、磨耗型車轍和壓密性車轍。 水損害路面水損壞問題主要表現(xiàn)在表面層松散，進而出現(xiàn)坑槽；中面層松散，路表泛油，進而出現(xiàn)推移擁包變形類破壞。網(wǎng)裂、松散等繼續(xù)發(fā)展，使得路面上進一步出現(xiàn)坑洞、唧漿等病害（如圖211）。圖27 網(wǎng)狀裂縫 圖28 溫度裂縫圖29 反射裂縫 圖210 車轍圖211 水損壞 多指標設計體系的建立鑒于我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范的路表彎沉指標和層底彎拉應力指標存在諸多的不足，使得設計結果無法真實反映半剛性基層瀝青路面的實際使用性能，所以有必要在借鑒和研究國外瀝青路面設計方法和控制指標的基礎上，根據(jù)半剛性基層瀝青路面的實際工作原理和使用狀況，提出一個新的設計指標體系。 基本原則新的設計指標體系要遵從以下基本原則：(1) 應針對半剛性基層瀝青路面的主要病害，結構設計指標要與路面的實際使用性能相一致；(2) 應做到路面結構和材料一體化設計；(3) 應采用多指標的設計體系，不同指標控制不同的損壞類型，且各指標間應相互協(xié)調(diào)。 主要控制指標根據(jù)路面結構的受力特征和主要破壞形態(tài)，列出了各層位內(nèi)主要的結構和材料的控制因素，以滿足不同層位的功能要求，見表26。新的路面設計控制指標主要針對半剛性基層瀝青路面的兩種主要破壞類型：開裂和永久變形。路面開裂主要考慮基層收縮裂縫、面層反射裂縫和溫度裂縫；而由于一般認為半剛性基層是不可壓縮的，所以永久變形分析中只考慮瀝青面層的車轍深度。表26 各層位結構和材料指標結構層材料參數(shù)要求結構性能要求上面層動穩(wěn)定度、蠕變參數(shù)溫度收縮參數(shù)水穩(wěn)定性表面特性（抗滑、平整度）抗車轍中面層動穩(wěn)定度、蠕變參數(shù)抗車轍下面層疲勞斷裂參數(shù)抗反射裂縫基層強度參數(shù)水穩(wěn)定性抗沖刷性抗收縮裂縫土基變形累積水穩(wěn)定性－新的設計指標體系的基本框架見圖212，主要包括以下的控制指標：瀝青面層車轍深度、反射裂縫擴展壽命、半剛性基層收縮開裂間距以及溫度疲勞壽命。其中，因為溫度疲勞壽命與半剛性基層瀝青路面的結構和厚度無直接關系，主要取決于瀝青混合料本身的溫度收縮性能，所以應通過材料設計來考慮。圖212 設計指標體系基本框架 本章小結本章通過分析半剛性基層瀝青路面的受力特征、結構設計指標以及路面病害，得到以下的結論：(1) 與柔性路面相比，半剛性基層瀝青路面具有較強的荷載擴散能力和抗車轍能力；(2) 現(xiàn)行規(guī)范的路表彎沉指標無法控制半剛性基層瀝青路面結構厚度設計，瀝青面層、半剛性基層和底基層的層底拉應力驗算指標也無法控制路面結構的疲勞壽命；(3) 提出了以基層收縮裂縫、面層反射裂縫、車轍、溫度裂縫為控制指標的半剛性基層瀝青路面的設計體系框架。第三章 半剛性基層收縮開裂分析第三章 半剛性基層收縮開裂分析半剛性基層收縮裂縫的分布通常有一定規(guī)律，一般沿路線方向每隔一段距離就有一道橫向裂縫，裂縫數(shù)量隨時間變化逐漸增多，間距不斷縮短，直到某一狀態(tài)后才趨于穩(wěn)定。為了確定半剛性基層收縮裂縫的控制指標和標準，本章在室內(nèi)試驗獲取的材料參數(shù)基礎上，采用有限元計算方法，分析了不同時期半剛性基層結構內(nèi)收縮應力和收縮開裂間距的變化規(guī)律，為半剛性基層的結構和材料設計提供依據(jù)。 半剛性基層收縮開裂機理由干、溫縮引起的收縮裂縫是半剛性基層板體開裂的主要原因。新鋪半剛性基層隨著混合料中水分的減少要產(chǎn)生干縮和干縮應力。水分減少得愈多和愈快，產(chǎn)生的干縮應力愈大，而且施工期日夜溫差的變化進一步加劇了基層內(nèi)部的收縮作用。在兩者綜合作用下，路面體內(nèi)收縮應力逐漸增長，當應力累積達到水穩(wěn)材料的抗拉強度時，在最大應力處或基層薄弱處就會產(chǎn)生收縮裂縫。有研究表明在無合適養(yǎng)生或經(jīng)受暴曬的情況下，水泥穩(wěn)定類和二灰穩(wěn)定類基層大約經(jīng)過10～30天就會產(chǎn)生收縮裂縫[17]?；鶎油旯こ跗?，半剛性基層的收縮裂縫主要是由干縮應力引起，隨著時間的推移，基層干縮失水基本完成，基層的收縮轉換為主要受溫度應力控制，特別是經(jīng)過一個冬天的降溫影響，基層內(nèi)部收縮裂縫進一步發(fā)展，最終形成穩(wěn)定的規(guī)則裂縫。所以說半剛性基層的收縮開裂前期以干縮為主，后期以溫縮為主。半剛性基層板體收縮引起的開裂受到很多因素的影響，其中以下四個方面是主要影響因素[7] ：（1）由于失水收縮或溫度變化引起的體積變化特性；（2）基層材料的抗拉強度；（3）基層剛度；（4）下層的約束作用。半剛性基層收縮裂縫的發(fā)展過程見圖31?；鶎觿備佒瓿蓵r，是沒有裂縫的板體，由于失水、降溫作用，基層板體向中軸收縮，由于下層的約束作用，板體中將產(chǎn)生應力；當收縮引起的拉應力大于半剛性基層板體的抗拉強度時，板體將產(chǎn)生開裂，在半剛性基層中部出現(xiàn)第一條裂縫，一段分成兩段，并將隨收縮變形的增大，裂縫貫穿整個基層。若基層進一步收縮，則板體中拉應力也隨之增加，超過板體抗拉強度時產(chǎn)生第二次開裂；形成第二批裂縫，如此下去直至收縮應力小于板體材料的抗拉強度，基層被分成等間距的板塊，裂縫便不再增加。圖31 半剛性基層收縮裂縫的發(fā)展過程 有限元計算模型 有限單元法基本原理對于連續(xù)幾何體的有限元應力分析，其基本過程如下[18]：(1) 對連續(xù)幾何體的離散（即劃分網(wǎng)格）： （）式中，－單元。(2) 單元特性分析：分析單元的特性，以形成單元剛度矩陣和結點荷載矩陣，具體包括：a）結點自由度（位移）矩陣：b）選擇位移模式c）由結點條件確定位移模式中的待定系數(shù)，推導出形函數(shù)矩陣： （）式中，－形函數(shù)矩陣。d）單元應變場的表達（由幾何方程得到）： （）式中，－幾何方程算子；－幾何矩陣。e）單元應力場的表達（由物理方程得到）： （）式中，－彈性系數(shù)矩陣；－應力矩陣。f）單元勢能的表達 （） （） （）對單元勢能，應用最小勢能原理，可得到單元的平衡關系 （）式中，－單元剛度矩陣；－單元結點力矩陣；－體積力向量；－面積力向量。(3) 離散單元的裝配和集成幾何的集成 （）結點位移的集成 （）剛度矩陣的集成 （）結點外荷載的集成 （）形成整體剛度矩陣 （）(4) 處理邊界條件并且求解結點位移；(5) 求解單元內(nèi)的應變、應力。 溫度應力求解方法在有限元計算中，由溫度場變化而產(chǎn)生的溫度應力屬于熱－結構耦合問題，處理的方法一般有直接耦合和間接耦合兩種[19]。本文使用的是間接耦合法，一般步驟為：(1) 先進行熱分析，確定路面結構內(nèi)的溫度場分布；(2) 再進行結構分析，將上一步計算得到的路面溫度場施加到結構模型上來，同時設置進行結構計算所需施加的荷載和約束條件，求解即可。 基本假定有限元模型中采用了以下的假定:(1) 各結構層均由均質(zhì)、各向同性的線彈性材料組成，不考慮材料應力松弛的影響；(2) 收縮應變在水平方向均勻分布，可簡化為平面應變問題；(3) 不計路面結構自重的影響。為了方便計算，干縮應變的產(chǎn)生可以通過降低溫度來模擬。 （）式中，ε—應變；αd —干縮系數(shù)，106/％；αT—溫縮系數(shù)，106/℃；ΔT—降溫幅度，℃；Δw—失水率，％。 層間接觸摩擦圖32 摩擦模式由于半剛性基層收縮變形受到下層摩阻約束才會產(chǎn)生收縮應力，所以基層與底基層的粘結狀態(tài)對收縮應力影響很大。有限元模型中層間接觸采用基本的庫侖摩擦模型[20]，即兩個接觸面在開始相互滑動之前，在它們的界面上會有達到某一大小的剪應力產(chǎn)生。這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)（stick）。庫侖摩擦模型定義了一個等效剪應力τ，在這里表面滑動是接觸壓力P的函數(shù)： （）式中：μ－材料屬性中定義的摩擦系數(shù)；COHE－粘聚滑動阻力。一旦剪應力超過此值后，兩個表面之間將開始相互滑動，這種狀態(tài)，即為滑動狀態(tài)（Sliding）。粘合和滑動的判斷決定什么時候一個點從粘合狀態(tài)到滑動狀態(tài)，或從滑動狀態(tài)變到粘合狀態(tài)，如圖32所示。 溫度場模型半剛性基層在養(yǎng)生期間，主要受晝夜溫差的影響，由于日溫差變化周期較短，在路面厚度范圍內(nèi)呈不均勻變化，從而在結構體內(nèi)形成溫度梯度，產(chǎn)生翹曲應力，其最大值出現(xiàn)在基層表面。路面結構中的溫度變化幅值隨著深度逐漸減小，本文采用指數(shù)函數(shù)來模擬路面降溫后結構內(nèi)的溫度場分布[21]，～。 （）式中，Pi －路面結構第i層表面的溫差，且 （）式中，bi －控制溫差隨路面深度變化速度的因子，對于由瀝青面層、半剛性基層和土基組成的三層結構，一般可?。╞1，b2，b3）=（5，4，3）。 路面結構模型進行半剛性基層收縮應力有限元計算時選取的路面結構如圖33，包括半剛性基層、底基層和土基三部分。圖33 路面結構圖34 模型網(wǎng)格劃分有限元模型選取八結點平面等參單元，在基層與底基層之間設置了接觸單元，模擬下層對基層的約束作用，摩擦系數(shù)μ＝，不考慮粘聚滑動阻力。由于路表溫度變化對路面的影響范圍在1m以內(nèi)，所以選取的模型總厚度為1m?？紤]到結構與荷載的對稱性，只取1/2 模型計算即可。根據(jù)半剛性基層收縮機理，收縮應力最大值出現(xiàn)在基層中軸處，所以從中軸到邊緣，有限元網(wǎng)格逐漸由密變疏，底基層和土基的網(wǎng)格也相對疏松，如圖34所示。 計算參數(shù) 結構參數(shù)根據(jù)國內(nèi)典型的半剛性基層瀝青路面的結構組合選取計算參數(shù)，如表31所示。表31 路面結構參數(shù)結構層厚度（cm）彈性模量（MPa）泊松比溫縮系數(shù)（106/℃）半剛性基層30－－底基層30100010土基－6020 半剛性基層材料參數(shù)[22]國內(nèi)外大量研究表明，采用FWD檢測所得彎沉盆數(shù)據(jù)反算得到的結構層彈性模量，可以更準確地反映路面實際的力學特性，所以本文在理論分析時直接采用現(xiàn)場反算所得模量。根據(jù)江蘇省交通科學研究計劃項目－“水泥穩(wěn)定碎石基層合理強度指標及反射裂縫防治技術深化研究”的研究成果，水泥穩(wěn)定碎石基層的現(xiàn)場模量與材料的7天無側限抗壓強度存在較好的相關性，而通過與水泥劑量聯(lián)系起來，即可得到7天無側限抗壓強與平均干、溫縮系數(shù)以及劈裂強度的相關關系，最終推算出水泥穩(wěn)定碎石基層不同模量對應的收縮系數(shù)以及劈裂強度（～）。 （） （） （） （）式中，αd —干縮系數(shù)，106/％；αT—溫縮系數(shù)，106/℃；E－彈性模量，MPa；Rsp－劈裂強度，MPa；Rw為現(xiàn)場穩(wěn)定無側限抗壓強度，MPa。本文借鑒上述研究成果，以水泥穩(wěn)定碎石為例，選取了不同的半剛性基層材料參數(shù)組合，見表32。表32 半剛性基層材料參數(shù)路面結構彈性模量E（MPa）劈裂強度Rsp（MPa）干縮系數(shù)αd（106/％）溫縮系數(shù)αT（106/℃）12000240003600048000512000 收縮應力分析本節(jié)主要分析了半剛性基層養(yǎng)生期間干縮應力和溫縮應力的變化規(guī)