我国高等级公路普遍采用半刚性基层沥青路面^[1]，但在实际使用中出现了不少问题，主要表现为路面开裂，且裂缝中相当数量是由于半刚性基层开裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝，半刚性基层沥青路面的使用寿命取决于半刚性基层^[1-2]。

对于半刚性沥青路面的反射裂缝问题，国内外研究人员进行了大量的研究，并提出了众多防止或延缓反射裂缝产生的技术措施。张宏超、孙立军等研究了沥青路面早期损坏的现象^[3]；张宏君研究了半刚性基层的抗裂性能评价方法，并提出了改善抗裂性能的技术措施^[4]；田林提出采用骨架-密实型级配以提高水泥稳定碎石的抗裂性能^[5]；张鹏^[6]、王琼等^[7]研究了半刚性材料的抗裂性能；张红春研究了半刚性基层沥青路面的综合抗裂技术^[8]；刘九正研究了抗裂型水泥稳定碎石基层的应用^[9]；章建龙研究采用振动成型法成型水泥稳定碎石试件，以提高水泥稳定碎石的抗裂性能^[10]；李超分析了抗裂型水泥稳定碎石基层的施工质量控制技术^[11]；李振霞研究了复合式基层沥青路面的基层结构与材料^[12]；柳音研究了在半刚性基层上设置级配碎石柔性基层^[13]；陈尚江等研究了在半刚性基层上设置沥青稳定碎石作为抑制或减缓反射裂缝的措施^[14]。

本研究通过对常见半刚性路面的荷载效应分析，发现2层半刚性基层的材料选择与其所受的拉应力/应变状态不吻合，进而提出将其中的上、下半刚性层进行位置互换，形成一种倒装结构，并进行了进一步的结构分析和复合梁试验，结果表明这种倒装结构可以在不增加结构层厚度、不提高材料技术要求和/或材料用量的基础上，提高半刚性层结构的抗裂能力和使用寿命。

(1) 典型路面结构。如表 1所示的沥青路面结构是我国常见的一种半刚性基层沥青路面结构，该结构采用2层半刚性基层，通常上半刚性基层(简称“上基层”)的原材料、级配组成、水泥用量等均高于下半刚性基层(简称“下基层”)，上基层的材料性能也因此优于下基层。

(2) 分析方法。由于本研究仅是对比分析半刚性基层沥青路面在2层半刚性基层倒装前、倒装后结构荷载效应的不同，分析的是尚未产生开裂的半刚性路面中面层和基层的应力状态，不涉及各结构层的起裂及其扩展过程，且主要是分析半刚性基层的受力状态，所以本研究选用基于弹性层状体系理论的结构分析程序BISAR3.0进行荷载效应分析。申爱琴^[15]、刘福明^[16]对长寿命沥青路面结构的分析均是采用该程序进行分析的。

(3) 典型结构的荷载效应。如表 1所示路面结构在双圆均布垂直荷载BZZ-100^[17]的作用下，各结构层中的各项水平应力、水平应变随深度的变化分别如图 1、图 2所示(各层中的垂直应力σ_z均为压应力、垂直应变ε_z为压应变，与基层开裂无关，故未列出)。

图 1 路面结构中水平应力随深度的变化规律 Fig. 1 Horizontal stress in pavement structure varying with depth

图 2 路面结构中水平应变随深度的变化规律 Fig. 2 Horizontal strain in pavement structure varying with depth

从图 1、图 2可以看出：①在本研究的计算条件下，沥青层处于三向受压状态。因此在半刚性基层完好的情况下，不会产生由层底开始的拉伸疲劳破坏；②上半刚性层处于拉压过渡区：上表面受压、下表面处于受拉状态；③下半刚性层处于受拉状态，且所受的拉应力值、拉应变值均大于上半刚性层的拉应力。申爱琴等^[15]、郑健龙^[18]等的研究也得到了类似的结论。

对照上述结构的荷载效应及其基层的材料组合，可以看出：在这类结构中，性能相对较差的材料要承受较大的拉应力，产生较大的弯拉变形，而相对较好的材料却只承受较小的拉应力，产生较小的拉应变。一般地，半刚性材料的抗压性能较好，而抗拉性能较差，结构的破坏主要是由于拉应力/拉应变作用而引起的，所以该种路面结构的疲劳寿命或结构破坏主要是由处于下基层位置的半刚性材料控制。而且差的下基层产生破坏后，好的上基层也会很快就产生破坏。所以，沥青路面结构的这种基层结构组合、材料设计原则与其荷载效应不吻合，因而不甚合理。

因此，作者提出将这2层半刚性材料的上、下层位置进行互换，形成一种新的倒装结构，并对这种倒装结构进行了进一步的计算分析和试验验证。

将表 1所示结构的上、下半刚性基层的位置进行交换(称为倒装结构，原结构称为正装结构)，采用BISAR对其进行计算，并将计算结果与前述正装结构进行对比，见表 2。

由表 2可见，采用倒装结构并没有改善整个路面结构的基本受力状态：各沥青层仍处于受压状态，上基层处于拉压过渡状态，下基层处于受拉状态，且各层应力值的变化幅度均较小。但是，倒装结构中除下基层层底的拉应力稍有增大外，其他层位的拉应力均减小；且倒装结构半刚性层中的拉应变均小于普通正装结构。

结合各层的材料性能与应力、应变状态一起看，可以发现2种结构其实存在较大的区别：通常的正装结构是让差材料承受较大的拉应力(0.113 9 MPa)和较大的拉应变(74.407 7 με)；而让好材料承受较小的拉应力(0.046 5 MPa)、较小的拉应变(29.529 2 με)；而倒装结构却是让好材料承受较大的拉应力(0.127 1 MPa)和较大的拉应变(71.366 7 με)，让差材料承受较小的拉应力(0.024 9 MPa)、较小拉应变(20.734 6 με)。很明显地，采用倒装结构可以充分发挥各层材料的性能。而且，由于下基层好材料的抗裂、抗疲劳性能均优于差的材料，所以倒装基层结构的整体承载能力和疲劳寿命均会有改善。

为进一步分析倒装结构的荷载效应优势，本研究对半刚性基层的模量在较宽范围内变化时的路面结构荷载效应进行了分析。在计算中，结构模型、荷载等条件与前述计算一致，只是将上基层的模量分别选为500，1 500，2 500，3 500 MPa和5 000 MPa，下基层的模量取为上基层模量的1.5倍、3倍或5倍(下基层的模量始终比上基层的模量值大)。计算结果见表 3。

从表 3可以看出：

(1) 当上基层和下基层的模量值均比较小(上基层模量取500 MPa)时，沥青层层底会处于受拉状态(此时由于2层基层的模量值都偏低，结构的承载能力不足)外，沥青层多处于受压状态。

(2) 随着下基层与上基层的模量比值的增大，下基层层底的拉应力逐渐增大。

(3) 随着下基层与上基层的模量比增大，上基层层底面由受拉状态变为受压状态：仅当上基层的模量与下基层的模量接近时，上基层处于受拉状态(拉应力较小)；而当下基层的模量比上基层模量大3倍以上时，上基层底面将处于受压状态，不存在拉应力，只有下基层处于较大的拉应力状态, 上基层与下基层的模量相差越大，这种现象越明显。这一点与普通正装结构中的上基层与下基层层底同时处于受拉状态的受力模式明显不同。由于半刚性材料和水泥混凝土类材料都是具有较好的抗压性能，而抗拉性能较差，所以倒装结构的这种受力模式对于提高结构的寿命具有重要作用。

为了验证前述结构分析所得到的结论，本研究设计成型了具有上、下两层的复合型梁式试件(为了体现出上、下层材料性能的差异，两种材料的水泥用量、级配相差较大)，然后对其分别进行了正装结构和倒装结构的弯拉强度试验和弯曲疲劳试验。

(1) 材料设计参考《公路沥青路面施工技术规范》^[17]，通过试验，设计了2种水泥稳定碎石的配合比，见表 4，A级配的水泥用量为8.9%，B级配的水泥剂量为3.5%。

(2) 试件及其成型复合型梁式试件采用100 mm×100 mm×400 mm的试模，分上下两层成型，各材料层的压实厚度为50 mm。下层采用B级配，上层采用A级配的称为正装结构试件，反过来的称为倒装结构试件。

试件采用振动成型法^[19]成型：先将下层混合料(混合料重量按体积100 mm×50 mm ×400 mm，压实度98%计算)装入钢模中，刮平后采用振动成型仪振压180 s，用直尺测量下层的压实厚度，当厚度偏大时继续振压，直到压实厚度为50 mm；然后再铺设上层混合料(混合料体积及压实度同下层材料)，再采用振动成型仪振压至设计高度。贴好标签(标明上、下层材料和成型时间)，脱模湿治养生28 d后取出进行试验。

(3) 28 d弯拉强度试验为了对比正装和倒装复合试件的承载能力，采用MTS对养生后的复合试件进行了四点弯曲试验^[20](安装试件时注意上下表面与成型时一致)，各复合试件的弯拉强度见表 5。

从表 5可以看出：倒装结构可以提高复合试件的弯拉强度。

(4) 疲劳寿命采用MTS对复合梁试件进行四点弯曲疲劳试验。因为只对比2种结构的复合试件抗疲劳性能，所以疲劳加载条件相同：波形为半正弦波，荷载峰值统一为7 kN，循环特征值为ρ=P_min/P_max=0.7 kN /7 kN =0.1。不同复合梁试件的疲劳寿命测试结果见表 6。

从表 6可以看出：虽然试件疲劳寿命的离散性较大，但是倒装复合试件的疲劳寿命明显大于正装复合试件。这说明采用倒装结构可显著提高复合试件的疲劳寿命。

在进行路面结构组合与材料设计时，应将结构组合与材料设计结合起来。沥青路面结构组合设计基本原则中有一条是各结构层的材料回弹模量应自上而下递减^[21]。正是基于该原则，通常将性能好的材料放在上层，而将性能差的材料放在结构下层。根据本研究对半刚性路面结构所进行的荷载效应分析、复合梁的强度试验和疲劳试验结果，说明该原则显得不甚合理。

进一步分析该原则的提出缘由，可知它是基于轮载作用于路表面时，结构层压应力与压应变随深度的增大而递减的分布特性出发而提出的，对各层材料的强度和刚度的要求随深度的增大而相应降低^[21]。但是，从前述的结构分析可以看出，这种结构组合原则虽然符合垂直

压应力随深度的变化规律，但却忽略了两个问题：(1)结构下层的水平拉应力、水平拉应变可能高于结构上层；(2)半刚性材料的抗压性能较好，而抗拉性能较差。按照这种结构组合原则，采用抗拉性能较差的结构层去承受较大的拉应力和较大的拉应变，必然导致易于产生受拉破坏，从而会导致整个路面结构的破坏。

而将常见结构中的2层半刚性基层倒装后，结构分析和试验均表明其承载能力和疲劳寿命都得到较大的提高。因此，对于半刚性路面的半刚性基层结构，建议应根据各层的水平拉应力状态或水平拉应变状态来进行结构组合与材料设计，而不是根据垂直压应力状态进行设计，即应将抗拉性能好的材料放在基层结构的下层，而将抗拉性能稍差的材料用作上基层。

本研究通过采用BISAR对具有2层半刚性基层的沥青路面结构及其倒装结构的荷载效应进行了分析，并设计成型具有2种不同材料的复合型梁式试件进行了弯拉强度试验和疲劳试验，取得了以下的结论。

(1) 常见的具有2层半刚性层的沥青路面结构，其上、下基层的底部均处于受拉状态，且下基层所受的拉应力、拉应变比上基层更大，整个结构的承载能力和疲劳寿命取决于下基层的性能。

(2) 指出在路面结构的基层组合与材料设计中通常将好材料用于上层，相对较差的材料用于下层的做法与各结构层的拉应力状态不匹配。

(3) 将上下2层半刚性层进行倒置后，让好材料承受稍大的拉应力，差材料承受较小的拉应力，而且当2层材料的模量相差较大(如>3倍)时，差的材料会处于受压状态。这样，就可以充分发挥各层材料的性能，且可以明显提高整体结构的弯拉强度和疲劳寿命。

(4) 应该根据结构层的水平拉应力状态，而不是仅依据垂直压应力状态来进行基层结构的组合设计，将结构组合与材料设计结合起来。