半剛性基層兩階段設(shè)計法

1、9半剛性路面的兩階段設(shè)計方法半剛性材料具有整體強度高、穩(wěn)定性好、板體性強以及經(jīng)濟效益好等特點，被廣泛應(yīng)用于修建高等級瀝青路面的基層或底基層。但是半剛性材料存在如下缺點：易產(chǎn)生溫縮、干縮裂縫，路面結(jié)構(gòu)早期開裂嚴重，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強度下降。半剛性材料強度隨時間會逐漸降低、衰減，承載力逐漸減弱，對于我國典型的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，一旦半剛性基層開裂，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，維修時間間隔較短，長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)計施工在我國積累了很多寶貴經(jīng)驗，在以后很長一段時間里仍將是我國主要的路面結(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)計理念，進行半剛性瀝青路面的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)早期損壞問題，是由于日前沒有對半剛性基層材料在路面結(jié)構(gòu)中的全壽命進行過程分析，只是夸大了其強度高、板體性好的優(yōu)點，忽視了其開裂性質(zhì)，因此有必要同時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，延長路面的使用壽命，具有重要的經(jīng)濟和社會意義，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)計方法發(fā)展的主要方向。目前我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的強度是足夠的，但

3、問題是規(guī)范中反映瀝青路面結(jié)構(gòu)強度的指標(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?，F(xiàn)有的半剛性基層瀝青路面早期損壞問題，意味著半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)承載能力的不足，故需對現(xiàn)有瀝青路面設(shè)計方法進行改進。國內(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主要的基層材料，面層厚度普遍較薄。通過實際使用情況和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)半剛性基層瀝青路面的優(yōu)點外，也隱藏著一些嚴重弱點，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。近幾年高等級公路尤其是高速公路的使用實踐證明，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，需要對半剛性瀝當(dāng)前國外高速公路中，半剛性瀝青路面使用相對不多，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)。法國大量采用半剛性基層結(jié)構(gòu)，根據(jù)法國對半剛性路面的分類，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)護和維修的一個非常棘手的問題，為了緩解半剛性基層反射裂縫問題，

5、八十年代法國逐漸采用組合式結(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、意大利、比利時、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裂的機會，在一定程度上提高瀝青路面的使用性能，增強了路面結(jié)構(gòu)的耐久性。八十年代末，部分國家路面結(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)生的機會，但不增加瀝青層厚度。粒料層厚度要適當(dāng)，太厚會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)力得到有效地擴散，其厚度一般為10cm，如法國一般為12cm，澳大利亞為10cm，南非為15cm。但是，后來國際上較發(fā)達國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: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，半剛性基層開裂引起的反射裂縫仍不能徹底解決。此外，我國路面設(shè)計主要以設(shè)計彎沉作為承載能力設(shè)計指標(biāo)，雖然容許彎沉不斷減小，但相應(yīng)的基層強度則要求不斷提高，基層強度越高致使基層開裂及反射裂縫問題就會越嚴重。半剛性基層材料壓實后透水性較差，通過路面裂縫和瀝青混合料

7、較大空隙滲入的水進入基層后難以排出，只能沿瀝青層和半剛性層界面積聚、擴散，改變了界面連續(xù)的邊界條件，對路面結(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)生較嚴重的水損壞現(xiàn)象。我國公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范(JTGD50一2006)中規(guī)定，路面設(shè)計應(yīng)按照界面完全連續(xù)進行考慮，但是在多雨及潮濕的地區(qū)，當(dāng)水透過面層進入基層后就難以擴散排出時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)榛瑒訝顟B(tài)或半連續(xù)半滑動狀態(tài)，從而容易發(fā)生彎拉開裂破壞，并逐漸向上擴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，在使用過程中其強度隨時

8、間和荷載作用會降低，模量逐漸衰減。而在我國設(shè)計方法中沒有考慮模量的衰減，導(dǎo)致路面早期破壞較嚴重，因此在設(shè)計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，沒有其他更好的辦法。這就會給半剛性基層瀝青路面的維修養(yǎng)護帶來很大的困難，從經(jīng)濟角度來說也造成人力和財力的極大浪費。雖然半剛性基層瀝青路面存在如此多的問題和不足，但是我國畢竟經(jīng)濟條件有限，再加上長期以來對基層類型的認識小足，要求其完個改變路面基層結(jié)構(gòu)類型是不現(xiàn)實的也是不合理的，因此要在借鑒國外瀝青路面設(shè)計方法和路面結(jié)構(gòu)的同時，對現(xiàn)有半剛性瀝青路面進行重新認識和研究，努力克服一些不合理因素，改進和完善設(shè)計方法

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，延長其使用壽命。主要研究內(nèi)容如下:比較國內(nèi)外半剛性瀝青路面設(shè)計方法的異同點，指出我國現(xiàn)行半剛性瀝青路面設(shè)計方法和設(shè)計指標(biāo)的不足之處。調(diào)查我國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)計指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合國外設(shè)計方法中設(shè)計指標(biāo)選取，針對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，采用多設(shè)計指標(biāo)體系，各指標(biāo)分別控制對應(yīng)的損壞類型;按照使用要求和結(jié)構(gòu)層組合特性，針對主要損壞類型選擇相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn);各項指標(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)計規(guī)范和相關(guān)資料指定各階段的材料設(shè)計參數(shù)是必要的。半剛性材料的模量隨時間、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)計應(yīng)按材料性狀分為幾個階段，結(jié)合澳大利亞設(shè)計方法按照兩階段設(shè)計方法選取參數(shù)。由于室內(nèi)試驗材料的彈性模量與實際路面結(jié)構(gòu)層彈性模量，開始衰變的初始模量不同，室內(nèi)衰變是從材料完好狀態(tài)開始，而實際路面結(jié)構(gòu)層中基層是從收縮微裂縫狀態(tài)開始的衰變的，因此路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中半剛性基層模量，應(yīng)選用實際路面使用狀態(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，對半剛性瀝青路面進行位移、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，采用我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的設(shè)計方法對擬定的路面結(jié)構(gòu)進行分析驗算;看結(jié)果是否滿足設(shè)計彎沉和容許拉應(yīng)力的要求，若不滿足驗算要求需對路面結(jié)構(gòu)厚度進行調(diào)整，直至滿足要求為止。借鑒國外設(shè)計方法，提出半剛性瀝青路面兩階段疲勞壽命預(yù)估模型，對半剛性瀝青路面按照半剛性材料的性狀分兩階段進行疲勞壽命的分析研究。在進行疲勞壽命分析時一可借鑒AASHTO設(shè)計方法采用Miner累計損傷原理?；谏鲜龇治?，針對新的半剛性瀝青路面的設(shè)計理念，提出半剛性瀝青路面兩階段設(shè)計方法。擬采取的研究方法、

12、技術(shù)路線擬采用的研究方法：利用有限元軟件對擬定的路面結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)分析。針對擬定的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，采用我國現(xiàn)行規(guī)范路面設(shè)計方法和兩階段設(shè)計方法兩種方法，進行疲勞壽命預(yù)估分析對比，根據(jù)分析結(jié)果提出半剛性瀝青路面兩階段設(shè)計方法。技術(shù)路線:(l)比較國內(nèi)外半剛性瀝青路面設(shè)計方法的異同點，指出我國現(xiàn)行半剛性瀝青路面設(shè)計方法和設(shè)計指標(biāo)的不足之處。(2)對現(xiàn)階段我國半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)特點和工作狀態(tài)進行分析，揭示半剛性基層瀝青路面設(shè)計使用中存在的問題?，F(xiàn)階段我國半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)在使用過程中存在以下問題:(a)半剛性基層的收縮開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。這種裂縫會導(dǎo)

13、致2種后果:一是裂縫進水;二是車輪從裂縫的一側(cè)經(jīng)過到達裂縫的另一側(cè)時，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，確保不過早引起開裂，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在于選擇合理的表面層混合料類型，加強碾壓，減小施工的離析和不均勻性，做好路面排水設(shè)計;(c)半剛性基層有很好的整體性，但是在使用過程中，半剛性基層材料的強度、模量會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)計路面是偏于不安全的。因此在進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮半剛性材料的衰減特性;(d)半剛性基層損壞后沒有愈合能力，且無法進行修補?；鶎右坏┢茐?，只能挖掉重建，這給瀝青路面的維修養(yǎng)護造成很大的困難。通常所說進行“補強”實際上是不現(xiàn)實的，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度、模量、抗疲勞性能等會因為重復(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)計壽命，基層將會逐漸喪失功能，需要重鋪，因此半剛性基層瀝青路面的使用壽命不可能無限制地延長下去?？紤]上述半剛性瀝青路面使用中出現(xiàn)的問題，需對其設(shè)計方法重新審視，推薦一種適合我國具體

15、情況的設(shè)計方法。(3)依據(jù)現(xiàn)有的研究資料和參考文獻，提出半剛性材料隨時間和荷載作用模量的衰減規(guī)律。(4)采用我國現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計方法進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和各項指標(biāo)的驗算，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，針對路面不同使用狀況下材料參數(shù)的不同，分階段進行路面結(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，對半剛性基層瀝青路面兩階段疲勞壽命進行分析研究。(7)依據(jù)以上研究結(jié)果，針對新的半剛性基層瀝青路面的設(shè)計理念，提出半剛性基層瀝青路面的兩階段設(shè)計方法。世界各國的瀝青路面設(shè)計方法，可分為經(jīng)驗法和力學(xué)經(jīng)驗法兩大類。經(jīng)驗法主要通過對試驗路或使用道路的

16、實驗觀測，建立路面結(jié)構(gòu)、車輛荷載和路面使用性能三者之間的關(guān)系，如美國加州承載比法(CBR)、美國各州公路和運輸工作者協(xié)會(AASHTO1993)法。力學(xué)一經(jīng)驗法應(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，運用關(guān)系模型完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計的方法、美國瀝青學(xué)會(Al)法、殼牌(Shen)法、AAsHToZo02設(shè)計方法均為力學(xué)一經(jīng)驗法。國外瀝青路面設(shè)計方法CBR設(shè)計法CBR設(shè)計法是以CBR實驗為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，它是一種經(jīng)驗設(shè)計法，全稱為加州承載比，設(shè)計過程簡單明確，適用于重載、低等級的路面設(shè)計。CBR設(shè)計法以土基剪切

17、破壞作為破壞準(zhǔn)則，以抗剪強度為設(shè)計指標(biāo)。它主要是根據(jù)繪制的CBR設(shè)計曲線進行設(shè)計，設(shè)計順序由面層到底基層進行，在確定設(shè)計輪載和CBR值后根據(jù)相應(yīng)的CBR設(shè)計曲線確定各層厚度。CBR設(shè)計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)計方法AASHTO設(shè)計方法是以20世紀50年代后期至60年代初進行的AASHTO道路試驗為基礎(chǔ)的，以路面現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)(路面耐用性指數(shù))PSI為設(shè)計指標(biāo)建立起來的。設(shè)計變量主要有:設(shè)計年限、設(shè)計荷載、可靠度、環(huán)境影響、服務(wù)能力。AASHTO設(shè)計方法2002版指出以下幾種損壞類型標(biāo)準(zhǔn):永久變形、疲勞開裂、溫度開裂、平整度IRI指數(shù)模型。

18、AASHTO2002的主要貢獻,是系統(tǒng)展示了力學(xué)一經(jīng)驗方法的完整框架，建立了大量的力學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停嗽O(shè)計方法是基于美國實驗路基礎(chǔ)上的，對于我國此方法的適用性有待驗證。Shell設(shè)計方法Shell設(shè)計法是由殼牌公司提出的一套路面設(shè)計方法，在設(shè)計方法中路面結(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、泊松比及厚度來反映。Shell設(shè)計方法的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為:瀝青層底面的容許拉應(yīng)變(控制開裂)、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)計法的主要一設(shè)計步驟:l)初擬瀝青層厚度。2)由月平均氣溫計算年加權(quán)平均氣溫。3)確定路面設(shè)計壽命。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、基層的動態(tài)模量。7)確定路面結(jié)構(gòu)類型。8)Bisar程序計算路面應(yīng)變及疲勞壽命。9)根據(jù)設(shè)計壽命確定路面結(jié)構(gòu)層厚度。10)瀝青層車轍深度預(yù)測。南非設(shè)計方法南非考慮到半剛性材料的特點，設(shè)計時將半剛性基層路面按材料性能分為以下三個階段，路面結(jié)構(gòu)的總壽命為這幾個階段疲勞壽命之和。(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，在使用初期即會出現(xiàn)收縮裂縫，使結(jié)構(gòu)層開裂成板塊狀。(2)疲勞開裂階段:半剛性材料層在交通荷載的反復(fù)作用下出現(xiàn)裂縫，逐漸擴展并開裂成細塊，模量也進一步降低。(3)疲勞開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裂、粒料抗剪破壞和路基的永久變形。澳大利亞設(shè)計方法澳大利亞設(shè)計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)生疲勞開裂階段，第二階段為半剛性層開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)變來控制。澳大利亞設(shè)計方法與南非設(shè)計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)計方法的共同點是，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階段，然后針對每個階段對各層分別考慮其疲勞壽命，最后這幾個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，值得我國瀝青路面設(shè)計方法借鑒。我國瀝青路面設(shè)計方法我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論進行計算，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、底基層抗疲勞開裂要求。對于高速、一級、二級公路路面結(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)計指標(biāo)。為控制路基路面結(jié)構(gòu)的總變形，防止沉降、車轍等整體強度不足的損壞，采用彎沉設(shè)計指標(biāo)輪隙中心處實測路表彎沉、應(yīng)小于或等于設(shè)計彎沉值;為防止瀝青混凝土或半剛性基層、底基層的疲勞開裂，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)計內(nèi)容包括以下幾個方面:(l)根據(jù)設(shè)計要求，按彎沉或彎拉指標(biāo)分別計算設(shè)計年限內(nèi)一個車道累計標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量軸次，確定設(shè)計交通量和交通等級，擬定面層、基層類型，并計算設(shè)計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

23、行配合比實驗，測定各結(jié)構(gòu)層抗壓回彈模量、劈裂強度，確定設(shè)計參數(shù)。(4)根據(jù)設(shè)計指標(biāo)采用多層彈性體系理論設(shè)計程序計算或驗算路面厚度。(5)對于季節(jié)性冰凍地區(qū)應(yīng)驗算防凍厚度是否符合要求。(6)進行經(jīng)濟技術(shù)比較，確定路面結(jié)構(gòu)方案。我國現(xiàn)行設(shè)計規(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裂損壞的設(shè)計指標(biāo)。在應(yīng)用上述指標(biāo)進行路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計時，都是路表容許彎沉值指標(biāo)起控制作用，對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，除了對瀝青混合料提出穩(wěn)定度要求外，沒有其它設(shè)計指標(biāo)，因此對于我國現(xiàn)行

24、設(shè)計方法中把路表彎沉作為重要的設(shè)計指標(biāo)，而其他指標(biāo)基本不起控制作用的問題應(yīng)引起重視，借鑒國外設(shè)計方法，針對主要的不同損壞類型，建立多指標(biāo)設(shè)計體系和相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)。在南非和澳大利亞的設(shè)計方法中，均考慮半剛性材料的強度衰減特性以及在道路施工和使用過程中的裂縫，對道路使用壽命的影響問題，而在我國的半剛性瀝青路面設(shè)計過程中只是根據(jù)經(jīng)驗按照規(guī)范和實驗來獲取材料參數(shù)，并沒有考慮在使用過程中強度的降低。國外設(shè)計方法中，應(yīng)用土基頂面壓應(yīng)變設(shè)計指標(biāo)控制路面結(jié)構(gòu)永久變形，而在我國的設(shè)計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，因此在我國的瀝青路面設(shè)計指標(biāo)體系中有必要考慮這一設(shè)計指標(biāo)。近年來，我國公路事業(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，但是由于我國公路建設(shè)技術(shù)儲備力量相對較薄弱，使得公路早期破壞現(xiàn)象較嚴重，如車轍、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)計方法的不合理與設(shè)計水平相對落后也是不容忽視的。我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計方法是基于線彈性理論進行力學(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、半剛性層疲勞開裂損壞的設(shè)計指標(biāo)，路面結(jié)構(gòu)在使用過程中結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)的變化及層間接觸狀態(tài)的變化并沒有考慮，這樣的設(shè)計方法無法真實反映路面的損壞現(xiàn)象和機理，道路使用壽命達不到設(shè)計要求。

26、下面從三個方面對我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計方法的不足之處進行分析并提出改善措施。結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)目前對于我國半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范來說，規(guī)范中要求的設(shè)計指標(biāo)滿足要求并不意味著結(jié)構(gòu)承載力就能達到要求，而且我國現(xiàn)階段半剛性基層瀝青路面早期破壞現(xiàn)象較為嚴重，這也足以說明我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范，沒有保證半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)的長期使用性能和較好的承載能力，故需對設(shè)計指標(biāo)的選取進行重新考慮。路表彎沉指標(biāo)在我國的設(shè)計規(guī)范中，一直以來都把路表彎沉作為主要設(shè)計指標(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)平衡各項指標(biāo)，對于同一種路面結(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差，因此，不能僅僅依據(jù)這一指標(biāo)來判斷路面結(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，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)計指標(biāo)，它只是一項表觀性、綜合性指標(biāo)，無法與路面破壞類型建立起一致的關(guān)聯(lián)性。現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計方法中，把瀝

28、青面層層底拉應(yīng)力作為控制瀝青層疲勞開裂損壞的設(shè)計指標(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)計理念長期以來，人們普遍認為半剛性基層的主要優(yōu)點是:(l)板體性強，剛度大，傳遞荷載能力強，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程中不可避免會出現(xiàn)開裂問題，因此在國外的道路使用中受到限制。對于半剛性基層的開裂有三種不同認識，因此產(chǎn)生三種不同的半剛性路面設(shè)計理

29、念。第一種設(shè)計理念認為，半剛性材料在縱向和橫向上細裂縫的發(fā)展符合細裂縫擴展模型。在半剛性路面厚度設(shè)計時，因為半剛性材料不能抵抗拉應(yīng)力作用，且力學(xué)性能與無結(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。此時路面設(shè)計，按瀝青混合料材料的彎曲疲勞和路基頂面的垂直壓應(yīng)力進行，瀝青層較厚，半剛性結(jié)構(gòu)層較薄。一般認為這種結(jié)構(gòu)的反射裂縫不是一個嚴重問題，很多情況下會忽略反射裂縫。第二種設(shè)計理念認為由于干縮、溫度開裂使半剛性材料成為一個有規(guī)則間距的、具有確定寬度的板塊模型，即該層可細劃為板塊，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，同時提高了抗重交通荷載的能力。因此要求進行半剛性材料抗彎曲疲勞性能設(shè)計，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。此時必須考慮采取防止反射裂縫的措施;第三種認為半剛性材料傾向于按規(guī)則間距開裂，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。此時同時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)計理念顯然沒有正確評價半剛性基層和瀝青混合料層的作用，設(shè)計出來的路面結(jié)構(gòu)層層厚不夠合理，

31、第三種理念同時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。我國現(xiàn)行瀝

32、青路面設(shè)計指標(biāo)體系中，材料的模量是初始靜態(tài)模量，并非在路面使用過程中重復(fù)荷載下的有效值。在實際路面結(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)荷載作用下便進一步擴展，其模量值降低。各國路面設(shè)計方法中，針對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)計時不考慮材料在使用過程中模量的衰減特性，直接采用單一模量。我國就是采用單一模量法，此方法不能真實反映路面材料隨時間和荷載反復(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)計方法中

33、，按照半剛性材料在使用過程中的性狀分為兩個階段：疲勞開裂前階段和疲勞開裂后階段。疲勞開裂前階段又分為兩個狀態(tài)；材料完好狀態(tài)(即材料的室內(nèi)試驗?zāi)Ａ?和材料微裂縫狀態(tài)。疲勞開裂后階段可分為兩種狀態(tài):裂縫擴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間逐漸衰減。AASHT02002設(shè)計方法分時段選取模量過于繁瑣,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行半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算分析。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)，在層間為滑動狀態(tài)下，瀝青層底可能處于受拉狀態(tài)，但相對于半剛性基層層底來說，其疲勞壽命要大于半剛性基層，因此對于半剛性基層瀝青路面來說，其路面厚度設(shè)計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裂。對于半剛性材料模量的選用，按照兩階段模量選取法，采用實際狀態(tài)下，收縮開裂后的有

35、效模量和開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。一因此在進行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時，應(yīng)根據(jù)半剛性材料的性狀分階段考慮。路面結(jié)構(gòu)永久變形通過路基頂面的壓應(yīng)變設(shè)計指標(biāo)來控制。對于較厚瀝青層的路面結(jié)構(gòu)，有可能產(chǎn)生較大的車轍，同時在材料選擇方面可以選取高溫抗車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)計指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，建立多指標(biāo)體系，針對主要的破壞類型建立對應(yīng)的設(shè)計指標(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)計和計算分析過程中，一般將路面模型簡化為半無限層狀彈

36、性體系。半無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“強基薄面”的半剛性基層瀝青路面都是我國瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要形式一，它為我國公路建設(shè)尤其是高速公路、一級公路的發(fā)展起到了重要作用。長期以來它的優(yōu)點被人們普遍認同，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)計使用年限前，過早發(fā)生各種形式的路面破壞。近年來，由于經(jīng)濟的發(fā)展，交通量迅速增加，車輛超載現(xiàn)象嚴重，只是一些路面使用壽命達不到理想水平，一些新建的半剛性瀝青路面使用三五年就發(fā)生嚴重的破壞，這既影響了交通運輸，又會給經(jīng)濟的發(fā)展造成巨大的損失，因此我國應(yīng)對早期破壞現(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、車轍、推移、沉陷。裂縫裂縫是路面早期破壞的常見病害，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)力超過材料的疲勞強度，從而導(dǎo)致底面疲勞開裂，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)變超過了混合料的抗拉強度引起的裂縫。以疲勞開裂作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，可用結(jié)構(gòu)層底面的拉應(yīng)變或拉應(yīng)力不超過相應(yīng)材料的容許值來控制設(shè)計。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程的控制有很大的關(guān)系。低溫縮裂是一項同交通荷載因素?zé)o關(guān)的設(shè)計指標(biāo)，控

39、制低溫縮裂，可限制低溫時結(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，在行車荷載，特別是重載車的作用下，裂縫向上繼續(xù)延伸并逐漸貫穿整個瀝青面層。橫向裂縫在我國相當(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，同時還會遭受地下水等環(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度高、板體性好的優(yōu)點，但由于協(xié)調(diào)變形能力不強，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)力超過路面結(jié)構(gòu)底部的容許應(yīng)力值時，半剛性基層將產(chǎn)生顯著的受拉裂縫，在大量車輛荷載的重復(fù)作用下，較薄瀝青面層將產(chǎn)生顯著的反射裂縫。現(xiàn)場調(diào)查表明，橫向裂縫分布特點表現(xiàn)為出現(xiàn)時間早、裂縫多。b.溫縮裂縫導(dǎo)致在冬季最低溫度可達-1020的地區(qū)，瀝青路面可能存在低溫開裂的可能，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，超過瀝青混凝土的抗拉強度造成開裂。還有可能發(fā)生溫度疲勞開裂，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，進而導(dǎo)致在并不太大的溫度應(yīng)力下即發(fā)生開裂。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、超載車輛的作用引起的。因此對于縱向裂縫應(yīng)重視土基強度的提高和減少土基不均勻沉降。a.車輛荷載的作用縱向裂縫沉陷主要分布在行車道上，且裂縫病害程度較超車道嚴重，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。縱向裂縫的發(fā)生、發(fā)展與超限運輸荷載有比較大的影響，雖然設(shè)計荷載汽20、掛120,實際荷載遠遠超出標(biāo)準(zhǔn)軸載，對道路產(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，一般來說，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，導(dǎo)致路堤產(chǎn)生不均勻沉降，路面密實度常不足，其實際密實度與路堤中部密實度有顯著差異。同時，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，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，表面水會向路堤兩側(cè)集中，如路堤兩側(cè)沒有有效的排水邊溝，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，并通過毛細作用逐漸向上滲透，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、裂在行車和雨水的作用下，會逐漸松散并形成大量坑洞，嚴重影響行車的安全性。疲勞裂縫與網(wǎng)裂是常見的開裂方式，通常以瀝青層的層底拉應(yīng)變(控制疲勞開裂)、土基表面壓應(yīng)變、表面的剪應(yīng)力（控制車轍和開裂）作為設(shè)計評價指標(biāo)。當(dāng)瀝青層的層底拉應(yīng)變大于極限拉伸應(yīng)變時，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普遍采用路面設(shè)計控制指標(biāo)。調(diào)查表明，我國半剛性路面結(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重的超載交通等因素造成半剛性基層開裂是瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的主導(dǎo)因素。東港路屬典型的粉質(zhì)土地基，毛細水上升顯著，路基含水量偏高，路基強度降低，路基承載能力嚴重偏低，造成東港路在不大的交通條

45、件下仍然出現(xiàn)嚴重的網(wǎng)裂現(xiàn)象。為減輕半剛性基層瀝青路面的橫向裂縫，我國采取一系列措施，如：適當(dāng)降低半剛性材料強度；調(diào)整半剛性基層材料級配；改善層間粘結(jié)狀態(tài)；及時封縫和養(yǎng)護；設(shè)置級配碎石過渡層延緩開裂等。但是這些措施只能緩解裂縫，不能較好的解決問題。而國外專家認為要解決此問題需從結(jié)構(gòu)角度考慮，進行結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，降低半剛性材料的強度，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、水對裂縫的加速破壞作用等，而基層表面卿泥、水對裂縫的加速破壞最終導(dǎo)致瀝青層坑洞的產(chǎn)生。水對混合料的不利作用還表現(xiàn)在水對混合料的浸潤作用，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)生主要取決于三個因素：一是水源，二是水進入路面結(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，路面裂縫會改變結(jié)構(gòu)的受力狀況，并不一定引起嚴重的早期損壞，但是如果伴隨發(fā)生比較嚴重的水損壞，那么接下來路面早期損壞的發(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入結(jié)構(gòu)層；二是面層的裂縫為水的進入提供通道，大量的水容易形成嚴重的水損害；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，在汽車荷載的作用下形成有壓水；在動水壓力的作用下，面層或基層的細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，瀝青層和基層的界面條件惡化，可能很快轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒拥慕缑鏃l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發(fā)生，并發(fā)生拉應(yīng)力超過極限而開裂，水在孔隙中承受很大的高速汽車荷載的抽吸作用，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。車轍車轍是

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。車轍的出現(xiàn)，是行車荷載多次重復(fù)作用下路基和路面塑性變形（包括壓密和剪切變形）逐步祟計的結(jié)果。般車轍的形成分為二個階段：瀝占混合料的壓密、瀝青混合料的流動、礦質(zhì)骨架的重排和破壞。根據(jù)車轍成因的不同，車轍可以分為以下5種類型:(l)結(jié)構(gòu)型車轍這類車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。車轍的寬度較大，兩側(cè)沒有隆起，橫斷面成U字形。(2)失穩(wěn)型車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)力超過了其所能承受的應(yīng)力極限，發(fā)生流動變形不斷積累形成車轍。這類車轍兩側(cè)伴有隆

49、起現(xiàn)象，橫斷面成W型。(3)磨耗型車轍在一些冬季較寒冷的地區(qū)，由于路面結(jié)冰，為保證行車安全，需要使用埋釘輪胎，這樣會對路面造成較嚴重的磨損，這類車轍在我國較少見。(4)再壓實型車轍在瀝青面層施工時為了片面追求平整度，而沒有進行充分壓實，而是在降低溫度后碾壓，造成壓實度不足，致使通車后第一個高溫季節(jié)混合料進一步被壓密，形成壓密型車轍，這種車轍的特點是只在輪跡下，也呈v或w形，但兩側(cè)沒有隆起現(xiàn)象。(5)水損害型車轍由于水損害發(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，形成車轍。目前，控制車轍深度的指標(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，在夏季高溫時在行車荷載作用下產(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。一般認為路面層間推移現(xiàn)象，是由于層間最大剪應(yīng)力超過了材料的抗剪強度導(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)計方法長期以來，我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計都是根據(jù)經(jīng)驗來

51、選用材料和擬定路面結(jié)構(gòu)層厚度。過去由于我國交通量小，超載現(xiàn)象并不十分嚴重，我國經(jīng)濟條件有限，加之半剛性基層具有較強的荷載分布能力和較高的承載力，所以一直采用強基薄面的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。但隨著我國經(jīng)濟的發(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，維修間隔時間短，這一系列問題的出現(xiàn)要求對現(xiàn)行的設(shè)計理念和設(shè)計方法需要重新認識。目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以多層彈性層狀體系為基礎(chǔ)，材料參數(shù)(模量、泊松比、強度等)和結(jié)構(gòu)層厚度對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果有很大影響。在設(shè)計時若選用的材料參數(shù)越接近實際路面結(jié)構(gòu)層材料的工作狀態(tài)，那么設(shè)計出來的路面結(jié)構(gòu)使用狀況就越接

52、近實際荷載作用下的使用狀況。然而按照我國現(xiàn)行設(shè)計方法進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)看作是不變的，但路面結(jié)構(gòu)在實際使用過程中，由于半剛性材料的溫縮特性使得其在投入使用后，強度會逐漸衰減，因此設(shè)計出的路面結(jié)構(gòu)實際所能承受的交通量會小于設(shè)計要求的交通量，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)量的問題，但從根本上講，還是設(shè)計理念和設(shè)計方法存在某些問題，因此研究新的設(shè)計理念和設(shè)計方法是必要的。設(shè)計指標(biāo)體系針對多層狀的路面復(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)計體系，各指標(biāo)分別控制對應(yīng)的損壞類型。我國規(guī)范中用材料強度參數(shù)來表征結(jié)構(gòu)層的疲勞特性，但無法用來預(yù)測結(jié)構(gòu)層的疲勞損傷。我國多采用

53、半剛性材料基層，這類路面的主要破壞類型為：瀝青面層的疲勞開裂，瀝青面層的反射裂縫，半剛性基層的疲勞開裂，厚瀝青面層的永久變形。因此疲勞開裂是路面破壞的主要原因之一，需要對其疲勞損傷進行預(yù)測和計算，采用具體的疲勞壽命形式來進行損傷預(yù)估和設(shè)計。針對上述損壞類型，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)計驗算指標(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產(chǎn)生疲勞破壞，以確保瀝青層的疲勞壽命，不小于設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(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)基層在實際使用過程中，會隨環(huán)境因素和荷載

54、作用強度逐漸衰減，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)計指標(biāo)，對半剛性層的疲勞壽命進行預(yù)估，從而滿足路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。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，永久變形的累積速率隨作用次數(shù)的增加而增長，在作用不多次數(shù)后會最終導(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)不會產(chǎn)生由于路基的過量永久變形

55、而引起的損壞。設(shè)計步驟路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的，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)計的要求不僅要求路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大于設(shè)計要求，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)計方法設(shè)計步驟如下:交通量調(diào)查，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，確定路面等級和面層類型，計算累積標(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，對各結(jié)構(gòu)層材料進行組成設(shè)計和性質(zhì)測定試驗，確定各結(jié)構(gòu)層的材料設(shè)計參數(shù);根據(jù)擬定的路面結(jié)構(gòu)，對各結(jié)構(gòu)層分階段（半剛性層正常疲勞開裂階段和半剛性層疲勞破壞為等效粒料層階段）進行受力分析，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，分別計算由各面層層底拉應(yīng)變控制瀝青層疲勞開裂的疲勞壽命。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