半刚性基层两阶段设计法.docx

9半刚性路面的两阶段设计方法半刚性材料具有整体强度高、稳定性好、板体性强以及经济效益好等特点，被广泛应用于修建高等级沥青路面的基层或底基层。但是半刚性材料存在如下缺点：易产生温缩、干缩裂缝，路面结构早期开裂严重，导致路面结构强度下降。半刚性材料强度随时间会逐渐降低、衰减，承载力逐渐减弱，对于我国典型的半刚性沥青路面结构，一旦半刚性基层开裂，沥青路面结构就等效为薄沥青面层的柔性结构，剩余的疲劳寿命很低，维修时间间隔较短，长期使用性能得不到保证。但半刚性基层沥青路面结构设计施工在我国积累了很多宝贵经验，在以后很长一段时间里仍将是我国主要的路面结构形式，但程度其自身引起的早期破坏又让人极其困扰，在某种上这也是由于半刚性沥青路面的不合理设计所造成的。因此有必要重新审视半刚性沥青路面结构设计理念，进行半刚性沥青路面的合理结构设计。半刚性基层沥青路面结构早期损坏问题，是由于日前没有对半刚性基层材料在路面结构中的全寿命进行过程分析，只是夸大了其强度高、板体性好的优点，忽视了其开裂性质，因此有必要同时考虑半刚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。这样可以提高半刚性沥青路面的路用性能，延长路面的使用寿命，具有重要的经济和社会意义，充分利用各层材料的承载能力，应是以后半刚性基层沥青路面设计方法发展的主要方向。目前我国沥青路面结构设计规范中，半刚性基层沥青路面结构的强度是足够的，但问题是规范中反映沥青路面结构强度的指标¬¬沥青路面表面弯沉和基层底面弯拉应力得到满足了，并不意味着沥青路面结构的承载能力就能够满足。现有的半刚性基层沥青路面早期损坏问题，意味着半刚性基层沥青路面结构承载能力的不足，故需对现有沥青路面设计方法进行改进。国内外半刚性沥青路面使用现状水稳碎石、二灰碎石半刚性材料成为我国主要的基层材料，面层厚度普遍较薄。通过实际使用情况和调查，发现半刚性基层沥青路面的优点外，也隐藏着一些严重弱点，主要是在多雨潮湿地区，它往往成为这些地区沥青路面早期破坏的重要原因之一。近几年高等级公路尤其是高速公路的使用实践证明，半刚性基层沥青路面客观存在一些不可避免的技术问题，如由于半刚性基层材料收缩特性而导致的沥青路面早期开裂、半刚性基层沥青路面早期破坏现象等已经引起道路界的重视，需要对半刚性沥当前国外高速公路中，半刚性沥青路面使用相对不多，即使使用也是采用较厚的沥青层、较薄半刚性材料作底基层的组合式结构。法国大量采用半刚性基层结构，根据法国对半刚性路面的分类，大致可分为三类:复合式结构、组合式结构、倒装结构。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，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，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(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，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(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，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，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,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渐衰减。AASHT02002设计方法分时段选取模量过于繁琐,南非、澳大利亚的两阶段模量较为合理，因此采用两阶段模量法进行半刚性沥青路面结构的力学计算分析。路面结构是一多层次的复合结构，路表弯沉是整体性、表观性指标，难以反映路而结构和破坏类型的多样化，无法与路面破坏类型建立一致的联系，因此不应把其做为重要(唯一)的设计指标。沥青层底拉应力、半刚性层底拉应力受层间刚度比和层间接触状态的影响较大，受路表弯沉的影响较小，因此路表弯沉不能反映沥青层和半刚性层底的应力大小，也与路基变形没有直接的联系。半刚性基层沥青路面在层间完全连续状态下，沥青面层层底处于完全受压状态，在层间为滑动状态下，沥青层底可能处于受拉状态，但相对于半刚性基层层底来说，其疲劳寿命要大于半刚性基层，因此对于半刚性基层沥青路面来说，其路面厚度设计受控于半刚性基层层底拉应力，沥青面层底拉应力基本不起作用，同时建议采用沥青面层层底拉应变指标限制沥青面层疲劳开裂。对于半刚性材料模量的选用，按照两阶段模量选取法，采用实际状态下，收缩开裂后的有效模量和开裂破坏后的等效粒料材料模量。半刚性材料模量的衰减影响路面各结构层的疲劳寿命，且随模量的衰减各结构层疲劳寿命均有不同程度的降低。一因此在进行路面结构力学分析时，应根据半刚性材料的性状分阶段考虑。路面结构永久变形通过路基顶面的压应变设计指标来控制。对于较厚沥青层的路面结构，有可能产生较大的车辙，同时在材料选择方面可以选取高温抗车辙性较好的沥青混合料。鉴于路面结构的多层次性和破坏类型的多样性，应建立破坏类型与设计指标的对应关系，建立多指标体系，针对主要的破坏类型建立对应的设计指标，各指标相互协调和平衡。路面结构有限元模型在沥青路面结构的设计和计算分析过程中，一般将路面模型简化为半无限层状弹性体系。半无限层状弹性体模型是沥青路面分析较为理想的力学模型，也是目前研究采用最多的模型，其基本假设为:(l)各层均由各向同性的均质线弹性材料组成，材料的弹性模量和泊松比;(2)不计路面结构自重;(3)假定土基在水平方向和向卜的深度方向均为无限，其上的路面各结构层厚度均为有限，但水平方向仍为无限;(4)假定路表面作用有垂直荷载，接触面上的压力为均匀分布;(5)每一层之间的接触面假定为完全连续的。一直以来“强基薄面”的半刚性基层沥青路面都是我国沥青路面结构的主要形式一，它为我国公路建设尤其是高速公路、一级公路的发展起到了重要作用。长期以来它的优点被人们普遍认同，但是由于其半刚性材料自身因素引起的早期破坏又让人及其困扰。沥青路面早期破坏是指沥青路面在设计使用年限前，过早发生各种形式的路面破坏。近年来，由于经济的发展，交通量迅速增加，车辆超载现象严重，只是一些路面使用寿命达不到理想水平，一些新建的半刚性沥青路面使用三五年就发生严重的破坏，这既影响了交通运输，又会给经济的发展造成巨大的损失，因此我国应对早期破坏现象的研究加以重视。路面早期主要破坏模式有以下几种:裂缝、水损坏现象、车辙、推移、沉陷。裂缝裂缝是路面早期破坏的常见病害，按照裂缝排列方向分为：横向裂缝、纵向裂缝和网裂。横向裂缝的方向基本垂直于道路中线。纵向裂缝的方向基本平行于道路中线。网裂是在局部区域裂缝纵横交叉形成的。此外，按照裂缝成因划分，目前与半刚性沥青路面相关的三种典型裂缝模式为:(1)疲劳裂缝:由于结构层受荷载反复作用，使结构层底面的拉应变或拉应力超过材料的疲劳强度，从而导致底面疲劳开裂，并逐渐向上发展;(2)反射裂缝:基层材料由-J几温度、湿度变化产生的横向裂缝反射到面层，在面层相隔-走撇离出现的横向反射裂缝;(3)温缩裂缝:由于路面温差产生的拉应力或拉应变超过了混合料的抗拉强度引起的裂缝。以疲劳开裂作为设计标准时，可用结构层底面的拉应变或拉应力不超过相应材料的容许值来控制设计。反射裂缝的产生跟半刚性基层混合料材料的选择、水泥用量以及施工过程的控制有很大的关系。低温缩裂是一项同交通荷载因素无关的设计指标，控制低温缩裂，可限制低温时结构层材料因收缩而产生的拉应力不大于该温度时材料的容许拉应力。下面分别介绍横向裂缝、纵向裂缝及网裂产生的原因。1)横向裂缝横向裂缝是我国高速公路主要早期病害类型之一，产生的原因主要是纵向不均匀沉降，造成路面结构层底拉应力显著增大，在行车荷载，特别是重载车的作用下，裂缝向上继续延伸并逐渐贯穿整个沥青面层。横向裂缝在我国相当普遍，裂缝间距大多数在1520m，甚至510m。a.不均匀沉降引起路基填筑完成之后，在路基土体自重作用一下，一定深度内的地基土体将发生较大的固结变形。而由于路基为暴露于自然界中的条状结构物，分布范围广，土质特性复杂，当相邻路段土层分布不均匀或与桥涵等结构物相连路段，存在刚度上的差异，同时还会遭受地下水等环境因素的影响，造成纵向不均匀沉降量的发生，引起路面结构层底部产生附加应力，应力值随路基不均匀沉降量增大而增大。虽然二灰碎石或水稳碎石等半刚性基层材料具有强度高、板体性好的优点，但由于协调变形能力不强，不能有效地将不均匀沉降产生的附加应力消散，当附加应力超过路面结构底部的容许应力值时，半刚性基层将产生显著的受拉裂缝，在大量车辆荷载的重复作用下，较薄沥青面层将产生显著的反射裂缝。现场调查表明，横向裂缝分布特点表现为出现时间早、裂缝多。b.温缩裂缝导致在冬季最低温度可达-1020的地区，沥青路面可能存在低温开裂的可能，这是由于气温骤降造成面层温度收缩，在有约束的沥青面层内产生的温度应力，超过沥青混凝土的抗拉强度造成开裂。还有可能发生温度疲劳开裂，即气温的反复升降导致沥青混合料的温度应力疲劳和混合料的极限拉伸应变减小、应力松弛性能降低，进而导致在并不太大的温度应力下即发生开裂。2)纵向裂缝纵向裂缝主要是由于路基承载力不足、地基不均匀沉陷、超载车辆的作用引起的。因此对于纵向裂缝应重视土基强度的提高和减少土基不均匀沉降。a.车辆荷载的作用纵向裂缝沉陷主要分布在行车道上，且裂缝病害程度较超车道严重，沉陷的位置位于轮迹带，且裂缝的活跃期在每年冬末，表明荷载作用和路基的含水量对纵向裂缝的发展有较大影响。纵向裂缝的产生与地基、路基的不均匀沉降、路面基层质量及结构承载力有直接关系。纵向裂缝的发生、发展与超限运输荷载有比较大的影响，虽然设计荷载汽20、挂120,实际荷载远远超出标准轴载，对道路产生极大破坏。b.横向不均匀沉降的影响最易发生横向不均匀沉降的区域是不良地质路段，路基填上作用下，地基将发生固结沉降，一般来说，沉降呈“弯沉盆”式分布，即中间最大，向两侧逐渐减小。除此之外，由于地基和路基填土在横向不可避免的不均匀性，特别在有表面水渗入地基的情况下，地基的横向承载力会发生显著变化，路堤两侧边部产生外倾式沉降，将路面和路基分开，导致路堤产生不均匀沉降，路面密实度常不足，其实际密实度与路堤中部密实度有显著差异。同时，路基变形还受到季节性气候变化的影响。路线从局部汁地通过，在少雨的干旱季节，洼地上部土层常是干的，其承载力较大。由于雨季雨量较大，表面水会向路堤两侧集中，如路堤两侧没有有效的排水边沟，则路堤两侧将有积水。路堤两侧的积水，视积水位的高低，除向地基渗透外，还可能渗入路基下部边部的土层中，并通过毛细作用逐渐向上渗透，使路基上部边部的土层也变湿。由于路堤边部土层的压实质量较中间部分差，一旦边部土层变潮湿，边部土层将产生固结变形，并导致硬路肩产生纵向裂缝。3)网裂网裂主要是由于渗水或施工引起局部混合料离析，水损害引起哪浆从而形成沉陷，路面网裂主要发生在左右轮迹带上，严重的路段表现为网裂裂块小，裂缝大，并伴有明显的坑槽。这些路段豹网裂在行车和雨水的作用下，会逐渐松散并形成大量坑洞，严重影响行车的安全性。疲劳裂缝与网裂是常见的开裂方式，通常以沥青层的层底拉应变(控制疲劳开裂)、土基表面压应变、表面的剪应力（控制车辙和开裂）作为设计评价指标。当沥青层的层底拉应变大于极限拉伸应变时，路面将发生损坏，这是典型的结构损坏，这也是目前世界各国普遍采用路面设计控制指标。调查表明，我国半刚性路面结构形成纵向裂缝及网裂的原因十分复杂。其中，较软的土壤支撑与严重的超载交通等因素造成半刚性基层开裂是沥青路面结构破坏的主导因素。东港路属典型的粉质土地基，毛细水上升显著，路基含水量偏高，路基强度降低，路基承载能力严重偏低，造成东港路在不大的交通条件下仍然出现严重的网裂现象。为减轻半刚性基层沥青路面的横向裂缝，我国采取一系列措施，如：适当降低半刚性材料强度；调整半刚性基层材料级配；改善层间粘结状态；及时封缝和养护；设置级配碎石过渡层延缓开裂等。但是这些措施只能缓解裂缝，不能较好的解决问题。而国外专家认为要解决此问题需从结构角度考虑，进行结构的重新调整，降低半刚性材料的强度，将其下卧置底基层，或采用柔性基层或组合式基层结构。水损害现象沥青路面的水损坏主要是沥青层的坑洞、基层表面唧泥、水对裂缝的加速破坏作用等，而基层表面卿泥、水对裂缝的加速破坏最终导致沥青层坑洞的产生。水对混合料的不利作用还表现在水对混合料的浸润作用，降低了混合料的粘附力，使路血松散，降低路面结构承载力。水损害的发生主要取决于三个因素：一是水源，二是水进入路面结构的通道，三是路面结构抗水损坏的能力。在半刚性沥青路面结构中，路面裂缝会改变结构的受力状况，并不一定引起严重的早期损坏，但是如果伴随发生比较严重的水损坏，那么接下来路面早期损坏的发生就难以避免了。各种不同的路面结构的水损坏有明显的差别，按照水损坏首先发生的位置和顺序，可以分为两大类:自上而下的表面层水损坏和自下而上的水损坏。根据水进入路面结构层内渠道的不同，这种水损害可以分为三种情况：一是由面层的空隙进入结构层；二是面层的裂缝为水的进入提供通道，大量的水容易形成严重的水损害；三是由于路基标高偏低，地下水位高，水位的升高、毛细水作用和水的蒸发，使地下水分在路面结构内积聚。由于致密的半刚性基层渗水性能很差，水滞留在沥青层与基层之间或者沥青层内，不能迅速排出，在汽车荷载的作用下形成有压水；在动水压力的作用下，面层或基层的细集料逐渐被卿浆带走，下部脱空，水损坏便自下而上发生，与此同时，沥青层和基层的界面条件恶化，可能很快转变为滑动的界面条件，沥青层底部承受很大的拉应力，反复荷载的疲劳作用同时发生，并发生拉应力超过极限而开裂，水在孔隙中承受很大的高速汽车荷载的抽吸作用，孔隙率较大下面层将很快出现沥青从集料表面剥离，沥青膜逐渐被水乳化而伤失，集料松散这种情况逐渐向上发展，最后顶破表面，成为坑槽。车辙车辙是沥青路面特有的一种损坏现象，一般表现为在汽车荷载反复作用的轮迹带上产生竖直向下的永久变形。车辙的出现，是行车荷载多次重复作用下路基和路面塑性变形（包括压密和剪切变形）逐步祟计的结果。般车辙的形成分为二个阶段：沥占混合料的压密、沥青混合料的流动、矿质骨架的重排和破坏。根据车辙成因的不同，车辙可以分为以下5种类型:(l)结构型车辙这类车辙是由基层及路基变形引起的，发生在沥青面层以下包括路基在内的结构层的永久变形。车辙的宽度较大，两侧没有隆起，横断面成U字形。(2)失稳型车辙在高温条件荷载的反复作用下，沥青混合料所承受的应力超过了其所能承受的应力极限，发生流动变形不断积累形成车辙。这类车辙两侧伴有隆起现象，横断面成W型。(3)磨耗型车辙在一些冬季较寒冷的地区，由于路面结冰，为保证行车安全，需要使用埋钉轮胎，这样会对路面造成较严重的磨损，这类车辙在我国较少见。(4)再压实型车辙在沥青面层施工时为了片面追求平整度，而没有进行充分压实，而是在降低温度后碾压，造成压实度不足，致使通车后第一个高温季节混合料进一步被压密，形成压密型车辙，这种车辙的特点是只在轮迹下，也呈v或w形，但两侧没有隆起现象。(5)水损害型车辙由于水损害发生在沥青混凝土中下层，致使沥青膜失去了粘结作用，从而