半刚性基层两阶段设计法文档格式.docx

1、20世纪六七十年代早期采用的主要结构形式是复合式结构，该结构同我国现在半刚性路面大体相同，沥青层较薄，816cm，半刚性层较厚，2842cm。但是大量的半刚性沥青路面的裂缝成为道路养护和维修的一个非常棘手的问题，为了缓解半刚性基层反射裂缝问题，八十年代法国逐渐采用组合式结构代替复合式结构。组合式结构沥青的层厚度为1927cm，半刚性底基层为1825cm，德国、意大利、比利时、西班牙及日本均以183Ocm沥青层下卧1530cm半刚性底基层作为主要的半刚性路面结构类型。由于增加了沥青层厚度，降低了半刚性层厚度，并下卧为底基层，从而有利于降低和延缓沥青路面开裂的机会，在一定程度上提高沥青路面的使用性

2、能，增强了路面结构的耐久性。八十年代末，部分国家路面结构采用倒装式结构，此结构是在沥青层和半刚性层之间设置粒料夹层，主要是为了减少反射裂缝产生的机会，但不增加沥青层厚度。粒料层厚度要适当，太厚会降低沥青面层在荷载下的弯曲半径，加速沥青层的疲劳破坏;但也不能太薄，足以使应力得到有效地扩散，其厚度一般为10cm，如法国一般为12cm，澳大利亚为10cm，南非为15cm。但是，后来国际上较发达国家很少采用半刚性基层沥青路面结构，越是重交通的道路越是不采用，究其原因，主要有以下几点:半刚性基层干缩和温缩特性引起的路面反射裂缝。虽然我国采取各种措施使得反射裂缝有所减少，但是沥青面层较薄时，半刚性基层开裂

3、引起的反射裂缝仍不能彻底解决。此外，我国路面设计主要以设计弯沉作为承载能力设计指标，虽然容许弯沉不断减小，但相应的基层强度则要求不断提高，基层强度越高致使基层开裂及反射裂缝问题就会越严重。半刚性基层材料压实后透水性较差，通过路面裂缝和沥青混合料较大空隙渗入的水进入基层后难以排出，只能沿沥青层和半刚性层界面积聚、扩散，改变了界面连续的边界条件，对路面结构受力非常不利。如果沥青层越薄，作用到基层表面的压力越大，其越容易破坏成为灰浆，产生较严重的水损坏现象。我国公路沥青路面设计规范（JTGD50一2006）中规定，路面设计应按照界面完全连续进行考虑，但是在多雨及潮湿的地区，当水透过面层进入基层后就难

4、以扩散排出时滞留在基层表面的水使基层松散成为泥浆，将层间接触条件由理想状态下的完全连续变为滑动状态或半连续半滑动状态，从而容易发生弯拉开裂破坏，并逐渐向上扩展至面层引起面层反射裂缝的产生。由于半刚性材料自身固有的材料特性，在使用过程中其强度随时间和荷载作用会降低，模量逐渐衰减。而在我国设计方法中没有考虑模量的衰减，导致路面早期破坏较严重，因此在设计中有必要考虑其特性的影响。半刚性基层一旦发生疲劳破坏后便不再有愈合能力，除了挖除重建，没有其他更好的办法。这就会给半刚性基层沥青路面的维修养护带来很大的困难，从经济角度来说也造成人力和财力的极大浪费。虽然半刚性基层沥青路面存在如此多的问题和不足，但是

5、我国毕竟经济条件有限，再加上长期以来对基层类型的认识小足，要求其完个改变路面基层结构类型是不现实的也是不合理的，因此要在借鉴国外沥青路面设计方法和路面结构的同时，对现有半刚性沥青路面进行重新认识和研究，努力克服一些不合理因素，改进和完善设计方法的不足之处，尽量避免或减少半刚性沥青路面的早期破坏，延长其使用寿命。主要研究内容如下:比较国内外半刚性沥青路面设计方法的异同点，指出我国现行半刚性沥青路面设计方法和设计指标的不足之处。调查我国典型半刚性沥青路面结构早期损坏状况，指出损坏特征与设计指标的关联性，结合国外设计方法中设计指标选取，针对沥青路面为多层次的层状复合结构和损坏类型多样化特点，采用多设

6、计指标体系，各指标分别控制对应的损坏类型;按照使用要求和结构层组合特性，针对主要损坏类型选择相应的设计指标和标准;各项指标的标准之间应相互协调和平衡。拟定半刚性沥青路面结构，选取各层材料参数。由于半刚性沥青路面结构，在不同使用阶段随时间及荷载作用半刚性材料参数是变化的，因此根据设计规范和相关资料指定各阶段的材料设计参数是必要的。半刚性材料的模量随时间、温度、湿度以及荷载的反复作用而逐渐衰减，因此半刚性基层沥青路面设计应按材料性状分为几个阶段，结合澳大利亚设计方法按照两阶段设计方法选取参数。由于室内试验材料的弹性模量与实际路面结构层弹性模量，开始衰变的初始模量不同，室内衰变是从材料完好状态开始，

7、而实际路面结构层中基层是从收缩微裂缝状态开始的衰变的，因此路面结构设计中半刚性基层模量，应选用实际路面使用状态下的有效模量。根据拟定的路面结构应用有限元分析软件，对半刚性沥青路面进行位移、应力、应变分析。以弹性层状体系理论为基础，采用标准荷载（BZZ100）作用，不考虑水平荷载，利用有限元软件建立路面结构模型，进行半刚性沥青路面结构层层底应力应变分析。根据得出的响应分析结果，采用我国现行规范规定的设计方法对拟定的路面结构进行分析验算;看结果是否满足设计弯沉和容许拉应力的要求，若不满足验算要求需对路面结构厚度进行调整，直至满足要求为止。借鉴国外设计方法，提出半刚性沥青路面两阶段疲劳寿命预估模型，

8、对半刚性沥青路面按照半刚性材料的性状分两阶段进行疲劳寿命的分析研究。在进行疲劳寿命分析时一可借鉴AASHTO设计方法采用Miner累计损伤原理。基于上述分析，针对新的半刚性沥青路面的设计理念，提出半刚性沥青路面两阶段设计方法。拟采取的研究方法、技术路线拟采用的研究方法：利用有限元软件对拟定的路面结构进行应力应变响应分析。针对拟定的半刚性沥青路面结构，采用我国现行规范路面设计方法和两阶段设计方法两种方法，进行疲劳寿命预估分析对比，根据分析结果提出半刚性沥青路面两阶段设计方法。技术路线:（l）比较国内外半刚性沥青路面设计方法的异同点，指出我国现行半刚性沥青路面设计方法和设计指标的不足之处。（2）对

9、现阶段我国半刚性基层沥青路面的结构特点和工作状态进行分析，揭示半刚性基层沥青路面设计使用中存在的问题。现阶段我国半刚性沥青路面结构在使用过程中存在以下问题:（a）半刚性基层的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝轻重不同程度地存在。这种裂缝会导致2种后果:一是裂缝进水;二是车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的另一侧时，荷载变化不再连续使路面裂缝两侧发生大的应力突变，还形成很大的上下剪切和表面受拉。针对此种情况应该控制半刚性层层底的弯拉应力，确保不过早引起开裂，从而减少由此引起的沥青层的反射裂缝;（b）半刚性基层排水性能差，容易导致水损害此种损害重点在于选择合理的表面层混合料类型，加强碾压，减小施工的

10、离析和不均匀性，做好路面排水设计;（c）半刚性基层有很好的整体性，但是在使用过程中，半刚性基层材料的强度、模量会由于干湿和冻融循环、在反复荷载的作用下因疲劳而逐渐衰减。根据南非的理论，半刚性基层的状态是由整块向大块、小块、碎块变化，按照整体结构设计路面是偏于不安全的。因此在进行路面结构设计时需考虑半刚性材料的衰减特性;（d）半刚性基层损坏后没有愈合能力，且无法进行修补。基层一旦破坏，只能挖掉重建，这给沥青路面的维修养护造成很大的困难。通常所说进行“补强”实际上是不现实的，也是不可能的，在半刚性基层上加铺基层也不能结合成为整体。由于半刚性基层的强度、模量、抗疲劳性能等会因为重复荷载的作用及环境（

11、干湿、冻融等）的影响而不断衰减，总是有一定使用寿命的，只要到了设计寿命，基层将会逐渐丧失功能，需要重铺，因此半刚性基层沥青路面的使用寿命不可能无限制地延长下去。考虑上述半刚性沥青路面使用中出现的问题，需对其设计方法重新审视，推荐一种适合我国具体情况的设计方法。（3）依据现有的研究资料和参考文献，提出半刚性材料随时间和荷载作用模量的衰减规律。（4）采用我国现行规范的设计方法进行路面结构设计和各项指标的验算，直至满足要求为止。（5）利用有限元软件建立上述路面结构模型，针对路面不同使用状况下材料参数的不同，分阶段进行路面结构应力应变的分析。（6）依据相关资料提出半刚性基层沥青路面两阶段疲劳寿命模型，

12、对半刚性基层沥青路面两阶段疲劳寿命进行分析研究。（7）依据以上研究结果，针对新的半刚性基层沥青路面的设计理念，提出半刚性基层沥青路面的两阶段设计方法。世界各国的沥青路面设计方法，可分为经验法和力学经验法两大类。经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构、车辆荷载和路面使用性能三者之间的关系，如美国加州承载比法（CBR）、美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO1993）法。力学一经验法应用力学原理分析路面结构在荷载与环境作用下的力学响应，建立力学响应量与路面使用性能之间的关系模型，按照使用要求，运用关系模型完成结构设计。我国现行沥青路面设计的方法、美国沥青学会（Al）法、壳牌（

13、Shen）法、AAsHToZo02设计方法均为力学一经验法。国外沥青路面设计方法CBR设计法CBR设计法是以CBR实验为基础发展起来的，它是一种经验设计法，全称为加州承载比，设计过程简单明确，适用于重载、低等级的路面设计。CBR设计法以土基剪切破坏作为破坏准则，以抗剪强度为设计指标。它主要是根据绘制的CBR设计曲线进行设计，设计顺序由面层到底基层进行，在确定设计轮载和CBR值后根据相应的CBR设计曲线确定各层厚度。CBR设计法的主要缺陷是其控制的损坏类型在现代沥青路面上已少出现。AASHTO2002设计方法AASHTO设计方法是以20世纪50年代后期至60年代初进行的AASHTO道路试验为基础

14、的，以路面现时服务能力指数（路面耐用性指数）PSI为设计指标建立起来的。设计变量主要有:设计年限、设计荷载、可靠度、环境影响、服务能力。AASHTO设计方法2002版指出以下几种损坏类型标准:永久变形、疲劳开裂、温度开裂、平整度IRI指数模型。AASHTO2002的主要贡献,是系统展示了力学一经验方法的完整框架，建立了大量的力学经验模型，但此设计方法是基于美国实验路基础上的，对于我国此方法的适用性有待验证。Shell设计方法Shell设计法是由壳牌公司提出的一套路面设计方法，在设计方法中路面结构分为三层:即路基、基层和沥青层，各层特性用弹性模量、泊松比及厚度来反映。Shell设计方法的主要设计

15、标准为:沥青层底面的容许拉应变（控制开裂）、路基顶面的容许压应变（控制路面结构永久变形）。Shell设计法的主要一设计步骤:l）初拟沥青层厚度。2）由月平均气温计算年加权平均气温。3）确定路面设计寿命。4）按照VanderPoel诺模图确定沥青劲度模量。5）确定沥青混合料的劲度模量。6）确定路基、基层的动态模量。7）确定路面结构类型。8）Bisar程序计算路面应变及疲劳寿命。9）根据设计寿命确定路面结构层厚度。10）沥青层车辙深度预测。南非设计方法南非考虑到半刚性材料的特点，设计时将半刚性基层路面按材料性能分为以下三个阶段，路面结构的总寿命为这几个阶段疲劳寿命之和。（l）施工后缩裂阶段:刚施工

16、完好的半刚性材料模量较高，由于温度和湿度作用，在使用初期即会出现收缩裂缝，使结构层开裂成板块状。（2）疲劳开裂阶段:半刚性材料层在交通荷载的反复作用下出现裂缝，逐渐扩展并开裂成细块，模量也进一步降低。（3）疲劳开裂成等效的粒料层阶段:在荷载反复作用下最终破裂成小块，其材料性能接近于粒料材料，不具有抗弯拉的疲劳性能，此后的路面寿命取决于沥青面层疲劳开裂、粒料抗剪破坏和路基的永久变形。澳大利亚设计方法澳大利亚设计法是将半刚性材料使用状况看成两阶段:第一阶段为半刚性材料在荷载作用下产生疲劳开裂阶段，第二阶段为半刚性层开裂后成为等效粒料层阶段。其中第一阶段的疲劳寿命由半刚性层层底的弯拉应变来控制，而第

17、二阶段路面结构的剩余疲劳寿命由沥青层层底的弯拉应变和土基顶的压应变来控制。澳大利亚设计方法与南非设计方法不同的是第一阶段，南非考虑的半刚寿命，是考虑温缩裂缝和干缩裂缝使得半刚性材料衰减后的模量的性能，而澳考虑温缩裂缝和干缩裂缝对半刚性层模量的影响，直接采用完好的模量。南非和澳大利亚设计方法的共同点是，均考虑到半刚性材料的使用特性，将半刚性基层路面材料按性能分为几个阶段，然后针对每个阶段对各层分别考虑其疲劳寿命，最后这几个阶段的疲劳寿命之和即为路面结构总疲劳寿命，这样的分析方法更加接近半刚性沥青路面实际状况，更能准确预估路面结构使用寿命，值得我国沥青路面设计方法借鉴。我国沥青路面设计方法我国沥青

18、路面结构设计，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算，路面结构厚度的确定应满足整体刚度与沥青层或半刚性基层、底基层抗疲劳开裂要求。对于高速、一级、二级公路路面结构以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。为控制路基路面结构的总变形，防止沉降、车辙等整体强度不足的损坏，采用弯沉设计指标轮隙中心处实测路表弯沉、应小于或等于设计弯沉值;为防止沥青混凝土或半刚性基层、底基层的疲劳开裂，采用拉应力指标沥青混凝土面层或半刚性材料层层底拉应力，应小于或等于该材料的容许拉应力。主要设计内容包括以下几个方面:（l）根据设计要求，按弯沉或弯拉指标分别计算设计

19、年限内一个车道累计标准当量轴次，确定设计交通量和交通等级，拟定面层、基层类型，并计算设计弯沉值或容许弯拉应力。（2）按路基土类型与干湿类型，将路基划分为若干路段，确定各段路基回弹模量值。（3）拟定几种可行的路面结构组合和厚度方案，根据选定材料进行配合比实验，测定各结构层抗压回弹模量、劈裂强度，确定设计参数。（4）根据设计指标采用多层弹性体系理论设计程序计算或验算路面厚度。（5）对于季节性冰冻地区应验算防冻厚度是否符合要求。（6）进行经济技术比较，确定路面结构方案。我国现行设计规范中以路表回弹弯沉值、沥青面层和半刚性层的层底拉应力作为控制路面结构总体刚度（承载能力）以及沥青层和半刚性层疲劳开裂损

20、坏的设计指标。在应用上述指标进行路面结构厚度设计时，都是路表容许弯沉值指标起控制作用，对于半刚性基层沥青路面，沥青层和半刚性层的层底拉应力指标都不起作用，而在控制永久变形方面，除了对沥青混合料提出稳定度要求外，没有其它设计指标，因此对于我国现行设计方法中把路表弯沉作为重要的设计指标，而其他指标基本不起控制作用的问题应引起重视，借鉴国外设计方法，针对主要的不同损坏类型，建立多指标设计体系和相应的设计参数。在南非和澳大利亚的设计方法中，均考虑半刚性材料的强度衰减特性以及在道路施工和使用过程中的裂缝，对道路使用寿命的影响问题，而在我国的半刚性沥青路面设计过程中只是根据经验按照规范和实验来获取材料参数

21、，并没有考虑在使用过程中强度的降低。国外设计方法中，应用土基顶面压应变设计指标控制路面结构永久变形，而在我国的设计方法中用路表弯沉这一表观性指标控制永久变形效果不佳，因此在我国的沥青路面设计指标体系中有必要考虑这一设计指标。近年来，我国公路事业发展迅速，在高速公路建设中，半刚性基层沥青路面得到较快发展，但是由于我国公路建设技术储备力量相对较薄弱，使得公路早期破坏现象较严重，如车辙、唧泥、沉陷、裂缝等。早期破坏现象究其原因固然与当地的环境条件和施工水平有关，但设计方法的不合理与设计水平相对落后也是不容忽视的。我国现行沥青路面设计方法是基于线弹性理论进行力学分析的，以路表回弹弯沉值、沥青面层和半刚

22、性层的层底拉应力作为控制路面结构总体刚度（承载能力）以及沥青层、半刚性层疲劳开裂损坏的设计指标，路面结构在使用过程中结构层材料参数的变化及层间接触状态的变化并没有考虑，这样的设计方法无法真实反映路面的损坏现象和机理，道路使用寿命达不到设计要求。下面从三个方面对我国现行沥青路面设计方法的不足之处进行分析并提出改善措施。结构设计指标目前对于我国半刚性沥青路面结构设计规范来说，规范中要求的设计指标满足要求并不意味着结构承载力就能达到要求，而且我国现阶段半刚性基层沥青路面早期破坏现象较为严重，这也足以说明我国现行沥青路面设计规范，没有保证半刚性沥青路面结构的长期使用性能和较好的承载能力，故需对设计指标

23、的选取进行重新考虑。路表弯沉指标在我国的设计规范中，一直以来都把路表弯沉作为主要设计指标。路表弯沉是路面整体在荷载作用下的竖向位移，它反映了路面整体结构的抗变形能力，是一项综合性、整体性指标。而路面结构是一种多层的复合结构，对于路面各结构层的组合和材料类型的多样化，路表弯沉这一综合性指标难以反映路面结构和破坏类型的多样化，难以协调平衡各项指标，对于同一种路面结构（相同的结构层组合和相同的材料类型），弯沉可以反映出路面结构的抗变形能力，但对于不同的路面结构，即使弯沉较大，其承载力或疲劳寿命不一定就会差，因此，不能仅仅依据这一指标来判断路面结构的承载能力。由不同路面结构层和材料类型组合的路面结构，

24、在荷载作用和其他因素影响下具有不同的应力应变场，结构的损坏类型和临界破坏状态是不同的，路表弯沉也有很大的差异。因此路表弯沉不能作为路面破坏类型设计指标，它只是一项表观性、综合性指标，无法与路面破坏类型建立起一致的关联性。现行规范设计方法中，把沥青面层层底拉应力作为控制沥青层疲劳开裂损坏的设计指标，这一指标与沥青层和半刚性层刚度比及层间接触状态有关。本节以弹性层状体系为基础，分析在标准荷载作用下，半刚性基层沥青路面在不同刚度比和层间接触状态下的应力应变。半刚性层设计理念长期以来，人们普遍认为半刚性基层的主要优点是:（l）板体性强，刚度大，传递荷载能力强，具有较高的承载能力和抗变形性能;（2）有良

25、好的抗冻性;（3）充分利用当地材料，节省投资。但是由于半刚性材料的温缩和干缩的材料特性，使得半刚性沥青路面在使用过程中不可避免会出现开裂问题，因此在国外的道路使用中受到限制。对于半刚性基层的开裂有三种不同认识，因此产生三种不同的半刚性路面设计理念。第一种设计理念认为，半刚性材料在纵向和横向上细裂缝的发展符合细裂缝扩展模型。在半刚性路面厚度设计时，因为半刚性材料不能抵抗拉应力作用，且力学性能与无结合材料极其近似（当量回弹模量在1000-2000MPa），故不考虑其抗弯曲疲劳性能。此时路面设计，按沥青混合料材料的弯曲疲劳和路基顶面的垂直压应力进行，沥青层较厚，半刚性结构层较薄。一般认为这种结构的反

26、射裂缝不是一个严重问题，很多情况下会忽略反射裂缝。第二种设计理念认为由于干缩、温度开裂使半刚性材料成为一个有规则间距的、具有确定宽度的板块模型，即该层可细划为板块，其裂缝（接缝）的传荷能力依赖于板宽。该层具有较高的弯曲应力和较高的回弹模量，降低了路基土顶而的垂直压应力，同时提高了抗重交通荷载的能力。因此要求进行半刚性材料抗弯曲疲劳性能设计，半刚性基层成为主要的承重层，厚度较厚;而沥青面层较薄，且仅考虑平整、抗滑、低噪音、低溅水等表面性能。此时必须考虑采取防止反射裂缝的措施;第三种认为半刚性材料倾向于按规则间距开裂，且裂缝较窄足够传递交通荷载，因此半刚性材料可以假设为均匀弹性体。此时同时考虑半刚

27、性材料和沥青混合料的抗疲劳性能，而且两者都应具有适宜的厚度。这种结构的反射裂缝不严重，反射裂缝主要与交通状况、当地的气候条件以及沥青层厚度有关。第一、二种设计理念显然没有正确评价半刚性基层和沥青混合料层的作用，设计出来的路面结构层层厚不够合理，第三种理念同时考虑半刚性材料和沥青混合料的抗疲劳性能，充分利用各层材料的承载能力，这是今后半刚性沥青路面结构的设计理念。半刚性材料模量衰变特性及选用方法根据半刚性材料疲劳特性的研究资料，一般情况下各种半刚性材料的模量衰变大致呈三阶段发展：第1阶段模量下降较快，一般占总疲劳寿命的巧15-20；第2阶段模量衰减速率基本稳定,模量值与循环次数基本上呈线性关系,

28、占总疲劳寿命60-75;第3阶段模量值迅速减小，直至疲劳破坏，该阶段占总疲劳寿命的10-20。不同半刚性材料模量衰变规律差异主要体现在初始模量值不同及各阶段衰变幅度不同，各阶段占总疲劳寿命的比例也有所不同，这主要取决于材料本身的属性。我国现行沥青路面设计指标体系中，材料的模量是初始静态模量，并非在路面使用过程中重复荷载下的有效值。在实际路面结构中，由于材料的自身特性及外界环境条件的影响，在开放交通之初便产生一定微小裂缝，在重复荷载作用下便进一步扩展，其模量值降低。各国路面设计方法中，针对半刚性材料模量的选用方法大致分为三种情况:单一模量法、两阶段模量法和衰变模量法。单一模量法单一模量法，即在路面结构设计时不考虑材料在使用过程中模量的衰减特性，直接采用单一模量。我国就是采用单一模量法，此方法不能真实反映路面材料随时间和荷载反复作用力学性状，不能正确预估路面结构层的疲劳寿命。两阶段模量法南非和澳大利亚均采用两阶段模量法。在南非设计方法中，按照半刚性材料在使用过程中的性状分为两个阶段：疲劳开裂前阶段和疲劳开裂后阶段。疲劳开裂前阶段又分为两个状态；材料完好状态（即材料的室内试验模量）和材料微裂缝状态。疲劳开裂后阶段可分为两种状态:裂缝扩展阶段和材料碎裂为粒料阶段。模量衰变法AASHTOZO02采用模量衰变法,半刚性材料模量随时间逐