随着道路交通数量迅猛增加，国省干线公路路面频繁出现各种病害，如裂缝、车辙、坑槽等。为探寻干线公路破坏的主要原因，对湖南省即将进入大修的10余条干线公路沥青路面开展了调研与检测，半刚性基层是我省干线公路路面基层的主要类型，通过路面钻芯研究发现，产生病害路段的基层几乎都产生了破坏，最主要的是基层断裂、松散等现象。目前对半刚性基层沥青路面破坏研究已有很多，原因归结起来主要有：沥青面层与基层间的非连续性, 半刚性基层的抗裂性差、水损害、超载等^[1-5]。这些研究主要是针对高速公路，由于工程造价低，普通干线公路与高速公路路面相比结构厚度偏薄，且施工水平较低，因此干线公路半刚性基层破坏的原因需要进一步研究，从而探寻提高干线公路耐久性的措施。

普通干线公路通行车辆以货车为主，大货车和特大货车对路面结构受力影响最大，因此本研究利用BISAR计算软件对干线公路重载作用下典型沥青路面结构的力学响应进行研究，揭示半刚性基层破坏的力学机理，进而提出干线公路路面结构改进措施。

湖南省普通干线公路沥青路面结构普遍为两层沥青面层：3 cm AC-13+5 cm AC-20，下面为20～30 cm厚度不等的水泥稳定碎石半刚性基层和底基层。对干线公路病害较严重的路段进行钻芯取样，芯样结果整理如表 1所示，典型芯样破坏如图 1所示。

图 1 路面芯样 Fig. 1 Pavement core sample

路面病害处芯样均产生断裂，根据统计可以看出：

(1) 面层下约6～11 cm处半刚性基层容易产生断桩，大的裂缝使得芯样断成两截，小的裂缝仍能使芯样保持完整。

(2) 基面层间联结较好，受荷载大的轮迹带(或车辙)处基层完全断裂，甚至松散。

(3) 轮迹带处除了基层芯样断桩，基层底部还产生了由下而上的纵向拉裂缝。

为了分析上述病害的原因，选取沥青路面典型结构进行力学分析。湖南省即将进入大修的干线公路沥青路面已有6～8 a的使用年限，交通等级均为重交通。路面典型结构是：双层沥青面层厚8 cm+20 cm水稳碎石基层+15 cm级配碎石底基层。

沥青路面结构层厚度及各层材料参数如表 2所示。

半刚性基层沥青路面计算模型如图 2所示。

图 2 路面结构分析模型及计算点示意图 Fig. 2 Pavement structure analysis model and calculation diagram

考虑到干线公路通行的大货车多，轮胎充气压力常常高达0.9 MPa，因此竖向荷载采用标准轴载和超载30%两种情况下的受力状态分析^[1]。具体计算参数为：轴载100 kN和130 kN当量圆半径均为10.65 cm，两荷载圆中心间距为31.95 cm，轮胎接地压强分别为0.7 MPa和0.9 MPa。车辆行驶时，路面不仅受到竖向荷载的作用，也受到水平荷载的作用，干线公路只考虑在换挡和刹车时水平制动力，水平力系数f取0.3。

根据图 1路面钻取的芯样来看，绝大部分芯样两层沥青混合料面层结合较好，这是因为两层沥青混合料面层都比较薄，3 cm和5 cm，碾压时容易形成整体。根据参考文献[4]，进行路面结构力学指标计算时，层间接触状态取：上下沥青层完全连续，面层与基层按完全连续、半连续和滑动3种接触状态下, 分别计算对沥青路面力学指标的影响，其中，半连续状态较为复杂，参考文献[6]的研究成果：洒布透层油和不做处理试件的基面层黏结百分率分别为54%, 45%，计算时取基面层间半连续状态的滑动系数α=0.5。

采用BISAR3.0计算软件分析计算沥青面层、水泥稳定碎石基层的最大拉应力、拉应变、剪应力等力学参数变化情况。计算时分别取双轮轮隙中心(A)、轮迹中心(B)、单轮内侧(C)和B、C点的中点(D)为计算点，计算受力最不利点应力、应变结果如图 3、图 4所示。

图 3 路面应力应变随路面深度变化规律 Fig. 3 Pavement stress and strain varying with pavement depth

图 4 竖向剪应力随路面深度变化图 Fig. 4 Vertical shear stress varying with pavement depth

(1) 路面应力应变变化规律

分析时分别考虑3种工况，工况一为基-面层层间完全连续，工况二为基-面层层间半连续，工况三为基-面层层间滑动。在标准轴载作用下，沥青路面内的纵向、横向和竖向的应力应变见图 3，基-面层层间在连续和半连续时(工况1、2)，应力应变曲线相差不大。沿路面深度总体趋势是应力、应变均逐渐减小，特别是面层下15 cm范围内，z方向应力、应变值均大于其余两个方向，说明在路表下应变以竖向压缩变形为主。

x、y方向应力在路表下15～16 cm有一个由压应力转为拉应力的过程，在基层底部达到最大拉应力。两种工况下基底x方向拉应力均大于y方向，最大拉应力值分别为0.27 MPa和0.28 MPa。根据《公路沥青路面设计规范(JTG D50—2006)》(下简称规范)^[7]，水稳基层的容许拉应力σ_R=σ_sp/K_s(其中K_s为抗拉强度结构系数，对水泥碎石K_s=0.35N_e^0.11/A_c，重载交通N_e取2.0×10⁷，A_c取1.1)，根据规范推荐的劈裂强度取值：水泥稳定碎石为0.4～0.6 MPa，计算得到水稳基层的容许拉应力为0.2～0.29 MPa。基层底部拉应力接近水泥碎石的容许拉应力值。这也是图 1芯样基底产生自下而上的疲劳裂缝的主要原因，而且最先出现的是横向裂缝。

基面层在滑动界面时(工况3)，基层与沥青面层接触处产生应力集中，应力、应变急剧变化，x、y方向拉应变均大于300 με，拉应力大于0.29 MPa，沥青层底已经达到拉裂破坏，也就是说，沥青层在基层破坏之前已经产生了破坏。观察图 1芯样，沥青面层底部很少出现拉裂破坏，说明实际工程基面层间一般处于连续或半连续状态，按光滑界面计算是与实际不相符的。

(2) 剪应力变化曲线

考虑到连续与半连续时应力应变曲线相差不大，下面按基-面层处于连续时计算标准轴载和超载作用下竖向剪应力随路面深度的变化曲线，见图 4。

在不同轴载水平作用下，水平荷载作用时最大剪应力都出现在路面表面，随路面深度变化表现出先减小后增大的趋势，车辆超载不影响最大剪应力出现的位置，但最大剪应力值增大，说明随着垂直荷载越大，剪应力水平越高。

(3) 破坏机理分析

半刚性基层断桩破坏的位置在面层下8～11 cm处，根据图 3的受力分析，这个位置的基层主要受到竖向压应力和剪应力，这与文献[8]的结论“距路表 2～10cm的区域属于承受高剪应力区域”是相符的。根据参考文献研究成果^[9]，沥青面层的容许抗剪强度τ_m范围在0.25～0.33 MPa之间。由图 4得到，标准轴载作用下路面最大剪应力峰值为0.221 MPa，超载作用下为0.228 MPa，均小于沥青面层的抗剪强度，若持续高温季节面层混合料强度降低将在路面表面产生车辙、波浪等剪切破坏。

目前关于半刚性基层抗剪强度的研究很少，还没有直接参考的数据。考虑到混合料的劈裂强度主要反映材料中黏结料的黏聚力c和骨料间的内摩阻角φ，因此可以通过比较两种材料的劈裂强度参数来间接反映两者抗剪强度大小。根据规范^[7]推荐的劈裂强度取值：水泥稳定碎石为0.4～0.6 MPa，中粒式沥青混合料为0.8～1.2 MPa，沥青混合料几乎是水泥稳定碎石强度的2倍，可以判断水泥稳定碎石的抗剪强度一定低于沥青混合料。由图 4可以看到，最大剪应力峰值出现在路表下9 cm处，即与面层相接的基层位置附近。综合图 3分析可知，高剪应力区域同时产生较大的竖向压缩，竖向受剪超过结构层抗剪强度就形成断裂。高速公路较少出现基层剪切破坏，是因为高速公路沥青面层厚度一般大于15 cm，高剪应力区在中面层附近，传到的半刚性基层抗剪强度就大大降低。

综上所述，沥青面层小于10 cm的薄层路面结构，高剪应力区位于半刚性基层上，半刚性基层抗剪强度低于承受的剪应力从而引起基层断裂破坏，随着基层强度急剧下降，逐渐产生裂缝、车辙等病害。

目前，干线公路受资金条件限制面层普遍偏薄，而根据受力分析，为避免在半刚性基层处发生剪切破坏，需要加大沥青面层厚度，将现沥青面层厚度由8 cm增加到12 cm，同时改变基层厚度，拟定了3种路面结构，具体结构见表 3。按不利轴载130 kN进行受力计算，参数取值同表 2，分别计算基面层连续和半连续时最大剪应力和基层层底拉应力，结果见表 3，分析最大剪应力随深度的变化情况，如图 5所示。

图 5 最大剪应力随路面深度变化图 Fig. 5 Maximum shear stress varying with pavement depth

与原结构相比，结构1、2的最大剪应力峰值逐渐降低，特别是基层受到的最大剪应力下降明显，这说明沥青面层厚度增加对减小基层剪应力贡献大。现增大基层厚度得到结构3，与结构2比，两者最大剪应力峰值相差不大，说明基层厚度增加对减小结构层剪应力峰值作用不大。比较这3种结构：与原结构相比面层剪应力峰值降低幅度分别为3.0%，3.4%，4.5%；基层剪应力峰值降低幅度分别为5.9%，14.6%，12.6%，说明只有面层厚度增大到10～12 cm才能明显减小作用在基层上的剪应力，避免水稳基层开裂破坏。

再比较结构1～3基层底部受到的拉应力：结构1、2与原结构相比，由于半刚性基层厚度增加，刚度变大，基底应力反而有所增大；结构2与结构3相比基底应力降低幅度达到17.2%，说明面层厚度相同时，基层厚度增加将明显减小基底应力，这与文献[10-11]的结论是一致的。

通过计算比较，结构3方案受到的剪应力和半刚性基层层底拉应力大大降低，使路面具有更长的疲劳寿命。因此，重载作用下干线公路沥青面层厚度应至少提高到12 cm，同时半刚性基层厚度要提高到35 cm。

路面结构作为一个整体承受车辆荷载，沥青路面主要承重层是基层，层间联结的处理直接影响各结构层的受力，完整性好的面基层能共同受力，应力变化是连续的。从表 3可以看出，基面层半连续状态下，面层剪应力峰值比连续状态下大，基层剪应力峰值反而比连续状态下低，分析原因是由于应力在向下传递过程中，基面层间应力不连续，在基面层间产生应力的突变，应力得到释放，传到基层的力反而减小。因此基面层界面上应力的突变，必然会产生明显的相对位移，重复荷载作用下容易产生疲劳破坏，从而导致路面出现早期病害。

为探究干线公路路面结构实际受力状况，对新建公路进行现场检测，图 6是通车半年后对干线公路的钻芯检测。可以看出6(a)图层间黏结良好，6(b)层间完全分离，随着荷载的增加，分离状态的基面层只能靠基层与面层之间的磨阻力来阻止层间滑移，一旦荷载应力超过摩阻力就会提前产生裂缝、车辙、沉陷等病害。湖南省干线公路的基面层层间施工要求采用透层+同步碎石封层，相比只洒布透层油，透层+同步碎石封层可提高界面抗剪强度约141%^[12]，说明只要按规范^[13-14]要求施工，可以大大提高层间黏结强度，改善接触条件。因此，做好层间黏结，是提高路面使用寿命的关键。

图 6 基面层层间黏结情况 Fig. 6 Bonding situation between base layer and surface layer

水泥稳定碎石是湖南省干线公路应用最普遍的半刚性基层，半刚性基层养生龄期对强度的影响显著，干线公路施工时，由于交通压力大，不能封闭施工，一般采用半幅封闭半幅施工，半刚性基层施工完往往达不到养生龄期，铺筑7 d或更短就受到车辆碾压，从而导致路面的疲劳寿命大大缩减^[15]。病害路段钻芯试件(见图 1)，出现基层松散根本无法取出，很多情况属于养生期短强度受损。因此，在半刚性基层养生期要严格控制车辆通行，特别是重载车辆，才能确保形成整体性好且强度满足要求的基层^[16-18]。

(1) 根据基面层分别处于完全连续、半连续和滑动3种接触状态下路面受力计算结果，结合芯样破坏状况分析得出，按光滑界面计算与实际情况相差太大，说明实际路面基面层间一般处于连续或半连续状态。

(2) 沥青面层小于10 cm的薄层路面结构，半刚性基层上出现高剪应力区，抗剪强度低于沥青混合料强度指标从而引起基层断裂破坏，随着基层强度下降，逐渐产生裂缝、车辙等病害。

(3) 干线公路重载交通沥青面层设计厚度建议提高到12 cm、基层厚度达到35 cm以上，同时施工中做好基面层层间黏结，半刚性基层养生期间严格控制车辆通行，从而提高路面疲劳寿命。