摘 要
我国高速公路的建设与运营一方面促进了经济的快速增长，同时也面临着繁重的交通和复杂的环境导致的病害频发，路用性能逐年下降。本研究依托冀西南地区的邢临高速公路沥青路面检测项目，在国内外已有研究成果的基础上，通过对冀西南地区的自然地理、交通特征、路面结构与材料等进行调查研究，基于层状体系理论对典型路面结构进行力学响应分析，同时结合多尺度界面理论选择不同界面尺寸下影响路面结构性能的指标进行室内外实验和检测分析，最终建立冀西南地区高速公路沥青路面结构性能衰变模型，具体开展的研究工作包括：
1.依托邢临高速公路检测项目，对其自然地理概况、区域交通特征、路面结构与材料以及路面病害特征进行汇总，分析发现该地区典型路面病害为裂缝、车辙和松散病害，其中整体路网最为突出的为裂缝病害，主要与路用材料和交通量有关，而车辙病害主要与高温和重载交通有关。
2.采用 BISAR3.0 软件对冀西南地区高速公路沥青路面典型结构进行力学分析可知，面层的各力学响应值变化幅度比基层的明显，其中最大剪应力出现在中面层处，在层间粘结不完全状态下剪应力值约为连续状态下的 3 倍，同时在超过标准轴载 80%以后上面层表面的竖向变形急剧增加。
3.选取不同尺度下的沥青路面结构性能评价指标进行实验和检测分析，发现前期温度对于各指标的影响远大于湿度的影响，级配对沥青混合料的抗变形能力影响较大，其中细粒式的抗变形能力最小，中粒式和粗粒式的大体相同；在超过 60℃和 0.9MPa的环境中，沥青混合料的车辙变形速度急剧增加，总变形量也增大一倍多。
4.采用灰色关联分析法对各指标进行关联度分析得到各分项指标与车辙深度指数的关联性：车辙变形量＞路面结构强度＞沥青膜厚度＞集料棱角性，回归分析得到冀西南高速公路沥青路面的衰变模型为
关键词：沥青路面 结构性能 多尺度评价 衰变规律
Abstract
On the one hand, the construction and operation of China's expressways has promotedrapid economic growth. At the same time, it is also facing frequent diseases caused byheavy traffic and complex environments, and road performance has declined year byyear.This study relies on the asphalt pavement detection project of the Xing lin Expresswayin the southwest of Hebei. Based on the existing research results at home and abroad, theresearch is basedon the investigation of the physical geography, traffic characteristics,pavement structure and materials in the southwest of Hebei. The mechanical system is usedto analyze the mechanical response of typicalpavement structure, and the multiscaleinterface theory is used to select the indicators that affect the performance of pavementstructure under different interface sizes.Specific research work includes:
1.Relying on the Xing lin Expressway Inspection Project, it summarizes itsphysical geographic profile, regional traffic characteristics, pavement structure andmaterials, and pavement disease characteristics, and analyzes and finds that typicalpavement diseases in the area are cracks, ruts, and loose diseases. The most prominentnetwork is crack disease, which is mainly related to road materials and traffic volume, whilerut disease is mainly related to heavy traffic.
2.Using BISAR 3.0 software to perform a mechanical analysis on the typical structureof the asphalt pavement of the expressway in the southwest of Hebei, it can be seen that thechanges in the mechanical response values of the surface layer are more obvious than thoseof the base layer. The maximum shear stress occurs at the mid-surface layer and is bondedbetween layers In the incomplete state, the shear stress value is about three times that in thecontinuous state, and the vertical deformation of the upper layer surface increases sharplyafter exceeding 80% of the standard axial load.
3.Selecting asphalt pavement structural performance evaluation indexes at differentscales for experiments and detection analysis, it is found that the effect of early temperatureon each index is far greater than the influence of humidity, and the resistance to deformationof graded asphalt mixtures has a greater impact. The deformation ability is the smallest, andthe medium-grain type and the coarse-grain type are almost the same; in the environmentexceeding 60 ℃ and 0.9 MPa, the rutting deformation speed of the asphalt mixtureincreases sharply, and the total deformation amount is more than double.
4. The grey correlation analysis was used to analyze the correlation of each index toobtain the correlation between each sub-index and the rut depth index: rut deformationpavement structure strength> asphalt film thickness> aggregate angularity, and regressionanalysis obtained Jixi Southwest Expressway asphalt The road decay model.
Keywords: Asphalt pavement Structural performance Multi-scale evaluationDecay law。
目 录
第一章 绪论 ............................................................... 1
1.1 研究背景及必要性 .................................................. 1
1.2 国内外研究现状与存在的问题 ........................................ 2
1.2.1 国外研究现状 ................................................ 2
1.2.2 国内研究现状 ................................................ 4
1.2.3 存在的问题 .................................................. 5
1.3 主要研究内容 ...................................................... 5
1.4 技术路线 .......................................................... 7
第二章 冀西南地区高速公路沥青路面病害特征及成因分析 ....................... 8
2.1 自然地理概况 ...................................................... 8
2.1.1 地质条件 .................................................... 8
2.1.2 气候特点 .................................................... 9
2.2 高速公路交通特征 .................................................. 9
2.2.1 交通量 ..................................................... 10
2.2.2 轴载特性 ................................................... 11
2.3 高速公路路面结构及材料 ........................................... 17
2.3.1 路面结构 ................................................... 18
2.3.2 路面材料 ................................................... 19
2.4 高速公路沥青路面性能分析 ......................................... 20
2.4.1 指标选取 ................................................... 20
2.4.2 评价情况 ................................................... 20
2.5 高速公路沥青路面病害特性及成因分析 ............................... 24
2.5.1 路面病害特性分析 ........................................... 24
2.5.2 高速公路沥青路面病害成因分析 ............................... 26
2.6 本章小结 ......................................................... 29
第三章 高速公路沥青路面结构性能研究理论及指标分析 ........................ 31
3.1 沥青路面性能研究理论概述 ......................................... 31
3.1.1 沥青路面设计理论 ........................................... 31
3.1.2 沥青路面结构性能衰变研究 ................................... 32
3.2 高速公路沥青路面结构响应分析 ..................................... 33
3.2.1 沥青路面基本力学模型 ....................................... 33
3.2.2 沥青路面结构响应分析 ....................................... 34
3.2.3 不同轴载作用下沥青路面结构响应分析 ......................... 39
3.2.4 不同层间接触状态下沥青路面结构响应分析 ..................... 41
3.3 基于力学响应的沥青路面结构性能指标选择 ........................... 43
3.3.1 微观尺度下沥青路面的指标选择 ............................... 43
3.3.2 细观尺度下沥青路面的指标选择 ............................... 45
3.3.3 宏观尺度下沥青路面的指标选择 ............................... 46
3.4 本章小结 ......................................................... 47
第四章 多尺度的沥青路面结构性能衰变研究 .................................. 49
4.1 项目概况 ......................................................... 49
4.1.1 气候及交通概况 ............................................. 49
4.1.2 结构设计及材料配比 ......................................... 51
4.1.3 路面性能与病害情况 ......................................... 54
4.2 多尺度的沥青路面性能实验方法 ..................................... 55
4.3 多尺度的沥青路面实验设计 ......................................... 57
4.3.1 温度变化设计 ............................................... 57
4.3.2 湿度变化设计 ............................................... 59
4.3.3 荷载变化设计 ............................................... 60
4.4 多尺度的沥青路面实验 ............................................. 61
4.4.1 室内实验 ................................................... 61
4.4.2 室外检测 ................................................... 62
4.5 多尺度的沥青路面结构性能衰变分析 ................................. 63
4.5.1 微观尺度下沥青路面性能衰变分析 ............................. 63
4.5.2 细观尺度下沥青路面性能衰变分析 ............................. 68
4.5.3 宏观尺度下沥青路面性能衰变分析 ............................. 73
4.6 本章小结 ......................................................... 75
第五章 冀西南地区高速公路沥青路面性能衰变模型研究 ........................ 77
5.1 沥青路面性能衰变模型研究 ......................................... 77
5.2 沥青路面性能衰变模型的确定 ....................................... 80
5.2.1 模型比选 ................................................... 80
5.2.2 参数确定 ................................................... 81
5.3 基于结构性能衰变的车辙仿真分析 ................................... 85
5.3.1 分析模型及参数选取 ......................................... 85
5.3.2 沥青路面结构模型建立 ....................................... 86
5.3.3 结果分析 ................................................... 88
5.4 本章小结 ......................................................... 89
第六章 主要研究结论 ...................................................... 90
参考文献 ................................................................. 91
致谢 ..................................................................... 95
第一章 绪论
1.1 研究背景及必要性
高速公路网的建设与运营极大地促进了我国人员流动和货物运输的快速增长。我国国土幅员辽阔，资源丰富，在国民经济建设中，高速公路作为运输系统的大动脉，承担了最主要的旅物运输的任务，因此高速公路路面所面临的损坏也最为严重[1-2]。再加上天气、交通荷载、人为等因素的影响，高速公路在运营一段时间后往往会出现车辙、坑槽、裂缝、表层剥落、路面磨光等问题，这些都是路面早期病害的体现形式。如果在出现早期病害的时候不及时处理，路面很快就会严重损坏，直至影响交通，则不得不进行大修。高速公路大修需要消耗大量人力、物力，而且影响交通的正常出行，造成巨大的经济损失。
半刚性基层沥青路面是我国高速公路普遍采用的结构形式，由于沥青路面施工过程的复杂性以及后期运营的多因素影响，导致很难判断高速公路沥青路面质量尤其是长期运营下的质量的优劣[3]。毫无疑问，判定路面质量优劣的主要依据是路面的使用性能，，路面实践中所暴露的大量问题便是由于我们对路面使用性能认识的不充分造成的，实际上路面使用性能的影响因素复杂且多变，涉及到设计、施工和运营各个环节。高速公路沥青路面建造过程中的路用结构厚度、路用材料，运营过程中的车辆荷载、温湿度变化以及养护水平等都对路面性能有着不同程度的影响，因此必须从分析影响路面性能的各个因素出发，建立科学可靠的路面性能评价方程。
从 1987 京石高速公路开工建设到 2019 年河北省推进太行山高速等 18 条路段，总计 1172 公里续建项目建设，河北省高速公路建设经过近 30 年的建设实现了跨越式发展[4]。目前全省高速公路通车里程达到 7480 公里，位居全国第二位。但随着经济快速发展展带动的重载交通增加和高速公路服役时间的延长，高速公路路面各类病害不断增加，病害发展速度不断加快，严重影响河北省内高速公路的使用性能[5]。纵观河北省高速公路的发展历程，正是我国高速公路发展历程的典型代表，无论是从高速公路路面结构类型、气候环境、交通特征以及高速公路养护水平等方法，河北省高速公路都能很大程度上反映了我国高速公路的普遍特点，其中冀南地区由于其地缘优势又兼具华北平原高速公路建设特点。因此本文依托邢临高速检测项目，以沥青混合料为研究对象，采用室内试验和实地检测相结合的研究方法，分析各影响因素对高速公路半刚性沥青路面性能的影响，研究基于温度和荷载作用下的沥青路面结构强度变化规律，并构建冀南地区高速公路沥青路面结构行为方程，为保障河北省沥青路面预防性养护提供技术支持，具有重要的现实意义。
1.2 国内外研究现状与存在的问题
路面性能泛指路面可提供的各项技术行为。1962 年 Caray 和 Irick 将“路面服务能力的演变历程”定义为路面性能，并提出 PSI（Present Serviceability Index）这一指标，之后该含义不断扩大细化，包括路面破损状况、行驶质量、行驶安全性以及结构强度等方面，其性能主要由其结构行为决定，因此对路面性能的研究都主要是对路面结构行为的研究[6-7]。
1.2.1 国外研究现状
美国 AASHO 在 1960 年提出第一个系统的路面使用性能评价模型 PSI，其多公里建设养护和管理系统有着深远的影响，并对全球路面性能研究起到了巨大的促进作用。
之后，以美国 AASHTO 的模型为范例，日本、澳大利亚、加拿大以及我国等诸多国家建立了不同形式的路面使用性能评价模型[8-10]。随着对路面性能各评价指标的统计分析，各个国家和地区发现现有的评价指标过于粗糙，并不能表征路面的实际运营状况，需要探寻更合理的评价指标或评价方法。1989 年美国联邦公路局（FHWA）制定并开展了公路路面长期性能研究项目（LTPP），该项目通过搜集北美地区多条实验道路和常规道路的评价数据来确定其使用性能，同时结合环境因素和交通状况分析呈现不同性能的原因，利用所得结论和成果对路面设计方案、管养系统等进行优化和修正，从而达到延长路面服役寿命的目的。由于 LTPP 计划涉及美国、加拿大等国在内的 900条正在使用的道路和 200 多条试验路段信息采集，数据量多、影响因素复杂，导致数据分析相当困难，迄今为止 LTPP 尚未发表一份较为完整的分析报告或模型报告。
针对实验路面进行长期有效的监测和分析是最为直接和有效研究路面性能变化情况的研究手段，但由于该方法费用投入巨大、耗时长和干扰因素过多等缺点无法大面积推广。为了在缩短实验周期和加快路面衰变进程，研究人员开发出路面加速试验系统 APT（Accelerated Pavement Test），该系统可在特定环境和较短实验周期内研究不同路面材料和结构的整体性能，从而加快了新型路面材料和结构的研发进度。目前国内外比较典型的加速加载实验见表 1-1 和 1-2 所示。
表 1-1 国内外比较典型的 APT 设备/设施（直线型试验道）
表 1-2 国内外比较典型的 APT 设备/设施（环形试验道）
表 1-2 国内外比较典型的 APT 设备/设施（环形试验道）（续）
1.2.2 国内研究现状
我国第一个公路路面使用性能评价模型 RIOH 是交通部公路科学研究院于上世纪80 年代提出的。之后众多道路研究人员在结合国外模型特征和国内路面特色的基础上不断加深研究，姚祖康教授[11]在“七五”国家重点攻关科技项目中建立了北京市和广广东省的路面状况评价模型，由于该模型主要基于专家系统扣分法，评判结果过于经验化并不适用其他地区；谢峰[12]基于模糊神经网络算法提出了高速公路路面使用性能评价方法，该方法拓展了性能评价的领域，提高了综合评价的效果；潘怀兵[13]为解决现存路面性能评价中指标权重过于经验化的问题，在评价模型建立过程中引入主分量分析法，该方法在引进多方面变量的同时将复杂因素归结为几个主成分，使问题简单化，同时得到的结果更加科学有效的数据信息；曾江洪、许佳等[14]分析了目前我国高速公路沥青路面破损状况评价模型采用的加权平均法适用性差的现状，提出了基于灰色聚类法的沥青路面破损状况评估模型，该模型针检测数据较少的路段评价结果较为精准；胡霞光、王秉钢[15]利用遗传算法计算时间少、鲁棒性高和收敛性好的特点，建立了路面使用性能评价的 GANN 模型；新颁布的公路沥青路面养护技术规范[16]为了方便对公路进行科学的养护和管理，建立了高等级沥青路面使用性能综合评价模型。
为了更为准确地评价沥青路面使用性能，国内的研究人员也逐渐开展路面加速试验。1990 年 3 月，交通部公路研究所首次利用 ALF 设备在正定京深高等级公路上开展了不同路面结构类型的实验研究，之后又在国内多条高速公路以及虎门大桥、重庆鹅公岩大桥上开展了加速加载桥面铺装的动载实验研究[17]；周志刚教授[18]采用小型加型加速加载设备分别对不同类型沥青路面结构进行加速加载试验研究，分析温拌阻燃沥青混凝土路面实际使用效果；黄晓明教授[19]基于室内环道试验分析车辙影响因素及预故模型，并提出了不同保证率下的沥青路面车辙预故模型。
1.2.3 存在的问题
无论是 LTPP，APT 还是其他的路面或材料试验，其投入的资金和时间成本都是十分巨大的，虽然各国研究人员利用现有的试验条件和设备在道路设计方法的改进，力学研究的验证和罩面设计等方面取得了卓有成效的研究，但也正是因为此类研究方法耗费过大，较难应用在地区性高速公路沥青路面性能分析工作，而仅从依据路面性能检测规范的各项数据又具有较大的偏差。
我国《公路技术状况评价评定标准》将路面损坏、行驶质量、车辙深度、跳车指数、磨耗指数、抗滑性能和结构强度七个单项评价指标和路面技术状况综合评价指标作为路面使用性能的评价指标。在应用过程中发现，受制于检测方案、时间和设备等诸多因素的干扰，并且各单项指标与综合指标的关联性也因高速的不同而有区别，导致依据标准评价的路面状况与实际路况差别较大，无法准确地反映路面的使用性能。
因此如何利用常规的高速公路沥青路面性能检测数据，与常规路面材料实验手段和仿真模拟结合构建地区性高速公路沥青路面结构行为方程是解决目前路面长期性能研究难题的重要手段之一。
1.3 主要研究内容
目前路面性能的相关研究大多集中于裂缝或者车辙等单一病害的形成机理及防治措施方面，而对沥青路面结构性能的研究相对较少。为了科学合理地评价路面结构的承载能力，本研究依托邢临高速公路沥青路面检测项目，在国内外已有研究成果的基础上，通过对冀西南地区的自然地理概况、区域交通特征、路面结构与材料等进行调查研究，基于层状体系理论对典型路面结构进行力学响应分析，同时结合多尺度界面理论选择不同界面尺寸下影响路面结构性能的指标进行室内外实验和数值仿真，最终建立冀西南地区高速公路沥青路面结构性能衰变模型，具体研究内容如下所示：
（1）依托邢临高速公路检测项目，对冀西南地区高速公路的自然地理概况、区域交通特征、路面结构与材料以及路面病害特征进行汇总，分析该地区典型路面病害的形成机理。
（2）采用 Bisar 软件对冀西南地区典型路面结构进行力学响应分析，结合路面病害特征以及各结构层的应力应变变化规律选择不同界面下的结构性能评价指标。
（3）在不同界面尺度下进行室内外实验与检测，如微观尺度下沥青膜的厚度变化趋势、细观尺度下沥青混合料的高温稳定性衰变规律和宏观尺度下沥青路面的性能检测等，分析不同因素对结构性能指标的影响。
（4）采用灰度关联理论对不同尺度下的结构性能评价指标的相关性进行对比分析，建立基于冀西南地区沥青路面特征的结构性能衰变模型，并对车辙病害的发展进行仿真分析。
第二章 冀西南地区高速公路沥青路面病害特征及成因分析冀西南地区是河北省与山西、河南和山东三省交界之处，无论是西煤东运还是南货北上，都将选择经过该地区，公路旅客运输量和货物运输量都排全省前列，同时该地区路面病害也较为突出，地区路网评价指数较低。本章针对冀西南地区的自然地理概况、交通特征、路用材料情况和路面典型病害等进行详细调研，并对该地区沥青路面性能影响因素进行分析，确定典型路面病害的成因。
2.1 自然地理概况
2.1.1 地质条件
冀西南地区高速公路分布于华北平原西南部，区域为古河道冲积平原区，整体地形平坦，地势无较大起伏，工程地质条件良好，局部为软土地基但占比面积较小。本研究选取了冀西南地区分布较为典型的 8 个县市进行高程调查，调查结果如表 2-1 和图 2-1 所示。
表 2-1 冀西南地区县市高程分布表
图 2-1 冀西南地区地形地貌图
冀西南地区的地表河渠较为发育，河渠内大都有地表径流，同时该区的地下水属河北平原孔隙潜水。浅层地下水，主要由大气降水，河渠渗透补给，年水位变幅在 2~4m之间，水位埋深在 3~7m 之间。深层地下水储存在第四系松散砂层的孔隙和土层的裂缝之中，为多层结构的孔隙潜水，厚度在 200~400m 之间，水文地质条件复杂，其砂层岩性、水质、水量变化很大，且深层淡水埋深愈往东愈深，咸水分布起伏不平，自西向东倾斜。
2.1.2 气候特点
冀西南地区为暖温带半干旱季风气候，四季分明。春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季晴朗气爽，冬季寒冷少雪。本研究选取了冀西南地区分布较为典型的 8 个县市进行了 30 年气温和降雨量调查，调查结果如图 2-2 所示。
图 2-2 冀西南地区气候特征图
由图 2-2 可知，冀西南地区年平均气温 13.6℃；七月份平均气温 27.2℃，极端最高气温 38.5℃；十二至一月份平均气温-3.50℃，极端最低气温-12.1℃，根据沥青路面使用气候分区可知其属于典型的夏热冬冷区；冀西南地区年平均降雨量为 486.5mm，年内分配不均，7、8 月份降雨量占全年的 52.8%，其中 7 月中旬为暴雨集中期，暴雨天数占全月的 45%。
2.2 高速公路交通特征
冀西南地区是河北与山西、山东两省物资运输和交通往来的要道，同时由于河北省地处环京津地理位置，过境交通繁重。冀西南地区内有京港澳高速、大广高速、青银高速、太行山高速和青兰高速等十余条高速公路交织成网，其中邢汾、邢临高速是沟通三省最为便捷的通道。
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第六章 主要研究结论
本研究依托邢临高速公路沥青路面检测项目，在国内外已有研究成果的基础上，通过对冀西南地区的自然地理概况、区域交通特征、路面结构与材料等进行调查研究，基于层状体系理论对典型路面结构进行力学响应分析，同时结合多尺度分析理论选择不同界面尺寸下影响路面结构性能的指标进行室内外实验和数值仿真，最终建立冀西南地区高速公路沥青路面结构性能衰变模型，主要研究结论有：
（1）冀西南地区高速公路路网普遍出现的病害为裂缝、车辙和松散病害，其中整体路网最为突出的为裂缝病害，主要与路用材料和交通量有关，而车辙病害主要与高温和重载交通有关，松散病害主要与路面所用的沥青和交通量有关。
（2）采用 BISAR3.0 软件对冀西南地区高速公路沥青路面典型结构进行力学分析可知，面层的各力学响应值变化幅度比基层的明显，其中最大剪应力出现在中面层处，在层间粘结不完全状态下剪应力值约为连续状态下的 3 倍，同时在不同轴载作用下上面层表面的竖向变形急剧增加。
（3）室内实验前期温度对于各指标的影响远大于湿度的影响，其中沥青膜厚度在前 8 天减少的沥青膜厚度为初始值的 61.8%，而后沥青膜厚度减少变缓，基本在50~100μm 范围内；（4）沥青混合料车辙变形量总体变化趋势是先急后缓，其中温度、荷载的作用效果比湿度的作用效果明显，在超过 60℃和 0.9MPa 的环境中，混合料变形速度急剧增加，总变形量也增大 1.5 倍。
（5）采用灰色关联分析法对各指标进行关联度分析得到各分项指标与车辙深度指数的关联性：车辙变形量＞路面结构强度＞沥青膜厚度＞集料棱角性，回归分析得到冀西南高速公路沥青路面的衰变模型为
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