随着“西部大开发”战略以及“一带一路”战略的实施，中国西部地区经济迅速腾飞，交通领域亦迅猛发展。陕西省作为西部地区交通枢纽地带，高等级公路建设如火如荼。陕西省经济的发展带动交通行业繁荣，物流等运输日亦频繁中国沥青网sinoasphalt.com。然而，近年来，陕西省高速公路频频出现早期破坏，如车辙和横向裂缝等，严重影响到经济的发展，这一问题急需得到解决。诱发沥青路面早期破坏的因素很多，例如渠化交通、重载现象频繁以及气候环境因素等。

目前中国对沥青路面早期破坏有着大量的研究。例如，沙庆林院士将沥青路面早期破坏分为3种，即结构型破坏、水损害和车辙，并分析了产生这些病害的原因。邵腊庚教授等总结了早期病害随时间的发展规律，并提出了加强原材料质量控制等建议。

然而就目前而言，绝大多数研究仍停留在静载分析上，实际上行车荷载是典型的动荷载。各个地区的交通量、轴载类型以及典型沥青路面结构不同，造成了沥青路面早期病害的原因并不完全相同。因此该文选取陕西省典型半刚性沥青路面结构，并利用有限元软件进行仿真模拟，研究在动荷载作用下半刚性沥青路面结构力学响应。

典型沥青路面结构及其参数的确定

20世纪90年代初，陕西省开始修建高速公路，如西铜高速、西宝高速和临渭高速等。在这一时期修建的高速公路均为半刚性沥青路面结构，由于这一时期交通量较小，除了临渭高速以外，其他大都是双层沥青面层结构，基层均采用二灰处治。随着交通量的迅速提高，陕西省对原有部分高速公路进行改建和补强。目前，陕西省高速公路常用的沥青路面结构为：16~20cm沥青层＋30~50cm半刚性基层＋10~15cm砂砾垫层。其中，沥青层为3层结构，半刚性基层分为基层和底基层，均采用水稳碎石材料，且沥青路面结构总厚度一般为60cm以上。因此将表1路面结构确定为陕西省半刚性沥青路面代表结构。

模型的建立及动态荷载的施加

采用单元建立三维有限元模型，Z轴方向为竖直方向，Y轴为行车方向，X轴为路面横向，尺寸为7m×7m×6m。另外，在进行结构计算时，假定层与层之间为完全连续状态。在仿真模拟时，对路基顶部采用全固定约束，X轴两截面约束X轴方向位移，Y轴两截面约束Y轴方向位移。

众所周知，汽车荷载为动态荷载，而非静态荷载。因此该文在结构模拟时采用动态荷载。考虑到行车荷载作用时，对路面结构有水平方向的力，因此荷载选用双向荷载，即垂直荷载和水平荷载，水平荷载为垂直荷载的0.2倍。另外，根据美国教授的实测研究，发现行车动荷载曲线为半正弦波形式，可以用半正弦公式表示：

沥青层厚度对力学响应的影响

半刚性沥青路面结构中沥青层的厚度与力学性能及工程造价有着直接的联系。一般而言，沥青层厚度越厚，路面结构力学性能越好，但是造价越高。因此在沥青路面结构设计时，在力学性能和造价匹配时，得到合理的路面结构。该文研究的沥青层厚度的变化范围为16、18、20、22和24cm，其他参数取中值，如半刚性基层厚度为40cm。

陕西省半刚性沥青路面常出现裂缝等病害，特别是横向裂缝。在行车荷载作用下，当沥青层拉应力超过沥青层材料的容许拉应力时，沥青层的疲劳寿命就会缩短；在此重复荷载作用下，沥青层产生疲劳破坏。

在动荷载作用下，沥青层拉应力呈现先增大后减小的变化规律，在0.02ｓ时，沥青层拉应力达到最大值。可见，沥青层拉应力最大峰值随着沥青面层厚度的增加逐渐减小。当面层厚度在16~24cm之间变化时，面层厚度每减小2cm，沥青层拉应力分别增加5.73%、5.78%、6.69%和7.40%。由此可见，随着面层厚度的减少，沥青层拉应力逐渐增加，且增加的幅度逐渐增大。由数据分析易知，当面层厚度为18cm时，厚度的变化对沥青拉应力影响较大。根据最优化原则，建议沥青层厚度在18~20cm之间取值，在重载区建议取20cm。

车辙病害是陕西省另一常见的病害之一。车辙的产生主要是由于在荷载作用下，沥青层剪应力过大而使沥青层材料产生挤密或者流动。沥青层剪应力随着动荷载的施加，呈先增加后减小的变化规律。当沥青层厚度为16、18、20、22和24cm时，沥青层剪应力最值分别为286.76、273.11、228.36、228.27和228.05kPa。由此可见，当面层厚度在16~18cm和20~24cm之间变化时，沥青层剪应力变化较小；而当面层厚度在18~20cm之间时，面层厚度每增加1cm，沥青层剪应力减小了8.19%。一般而言，沥青层容许剪应力一般控制在280kPa以下。因此该文建议陕西省沥青面层厚度在18~20cm之间取值，在有条件的情况下，尽量取上限。

半刚性基层的断裂会直接导致沥青路面结构的整体性破坏，因此在沥青路面结构设计时尤为看重。可知：半刚性基层拉应力在行车轴载作用下，有着先增加后减小的变化规律。半刚性基层最值在0.02s左右达到，且随着面层厚度的增加逐渐降低。当沥青层厚度为16、18、20、22和24cm时，沥青层拉应力最值分别为219.67、203.15、188.63、175.27和162.95kPa。当面层厚度初始值为24cm时，厚度每减小2cm，半刚性基层拉应力分别增加7.11%、7.71%、8.38%和9.54%。面层厚度在18cm时，厚度的变化对半刚性基层沥青路面影响较大。另外，一般而言，半刚性基层容许拉应力一般取值为200~220kPa。考虑到重载作用，该文建议，陕西省沥青路面面层厚度在18~20cm之间取值。

沥青层模量对力学响应的影响

材料种类、碎石级配和沥青性能等因素决定了沥青层模量的大小。沥青层模量影响到路面结构的整体强度，也同时涉及到路面结构内力响应的传递。该文研究沥青层模量的变化范围为8000、10000、12000和14000MPa。为了减少计算量，在研究沥青层模量时，其他变量取中值。

可以看出：随着沥青层模量逐渐增加，沥青层拉应力的最值逐渐增加，而沥青层剪应力最值几乎不变。沥青层模量增加导致沥青层模量与半刚性基层模量的比值逐渐增大，在行车荷载作用下使得沥青层承担的力就更大。当沥青层模量分别为8000、10000、12000和14000MPa时，沥青层拉应力分别为174.94、189.24、202.09和213.02kPa。当初始沥青层模量为14000MPa时，模量每减少2000MPa，沥青层拉应力分别减少6.31%、7.42%和8.25%。由此可知，沥青层模量在10000MPa时，模量的变化对沥青层拉应力影响较大，就沥青层拉应力指标而言尽量取低值。

半刚性基层拉应力最值随着沥青层模量的增加逐渐减小。这是因为沥青层模量的增加，沥青层分担的拉应力更多，从而使得半刚性基层拉应力减小。当沥青层模量分别为8000、10000、12000和14000MPa时，半刚性基层拉应力分别为214.90、203.15、194.27和187.23kPa。当沥青层模量为14000MPa时，模量每减小2000MPa，半刚性基层拉应力增加4.06%、5.13%和6.78%。由此可见，当沥青层模量在8000~10000MPa之间变化时，半刚性基层拉应力变化较大。就半刚性基层拉应力指标而言，考虑到半刚性基层容许拉应力200~220kPa，沥青层模量取值10000MPa以上为宜。

因此，综合沥青层拉应力和半刚性基层拉应力指标，该文建议沥青层模量取值为10000~12000MPa。

半刚性基层厚度的变化

半刚性沥青路面结构基层厚度的大小直接决定了路面整体结构刚度和强度，同时也与造价有很大关系。该文研究的半刚性基层厚度范围为：30、40、50和60cm，其他结构层参数取中值。

随着半刚性基层厚度的增加，沥青层拉应力逐渐减小，而沥青层剪应力呈逐渐增加趋势。当半刚性基层厚度由30cm增加到60cm时，沥青层拉应力减小53.76%，沥青层剪应力增加了3.55%。由此可见，半刚性基层厚度的变化对沥青层拉应力的影响很大，而对沥青层剪应力的影响较小。当半刚性基层厚度分别为30、40、50和60cm时，沥青层拉应力分别为260.83、189.24、147.14和120.61kPa。当半刚性基层厚度由60cm开始，每减小10cm，沥青层拉应力分别增加14.783%、23.46%和39.89%。由此可见，基层厚度在30~50cm之间时，基层厚度每增加5cm，沥青层拉应力减小15.84%。因此，该文基于沥青层拉应力指标，建议半刚性基层厚度在40cm以上取值。

半刚性基层拉应力随着半刚性基层厚度的增加逐渐减少。当半刚性基层厚度分别为30、40、50和60cm时，半刚性基层拉应力分别为312.01、203.15、140.52和102.25kPa。当半刚性基层由60cm开始，厚度每减小10cm，半刚性基层拉应力增加21.33%、34.90%和60.67%。由此可见，半刚性基层拉应力大小与基层厚度关系很大。当基层厚度为30cm时，半刚性基层拉应力显然偏大。另外，半刚性基层厚度在40~60cm之间变化时，基层厚度每增加5cm，半刚性基层拉应力减少14.06%。因此，该文基于半刚性基层拉应力指标，建议半刚性基层厚度取值40cm以上。

半刚性基层模量的变化

半刚性基层模量的变化导致基层模量与面层模量的比值的变化，从而影响到沥青路面结构中力学响应的分布。此外，半刚性基层模量的大小与水泥的掺量有关，掺量越大模量越大；然而，掺量越大，半刚性基层越容易出现裂缝。该文研究的半刚性基层模量为：6000、7000、8000、9000和10000MPa。

可知，随着基层模量的增加，沥青层拉应力逐渐减小，而沥青层剪应力变化不大。这主要是因为基层模量的增加，基层刚度增加，在轴载作用下基层分担的荷载就越大，因此沥青层拉应力逐渐减小。当半刚性基层模量从10000MPa开始，模量每减少1000MPa，沥青层拉应力增加2.84%、2.98%、3.74%和8.51%。当沥青层拉应力随着基层模量增加，减小的幅度逐渐减小。另外，仅当半刚性基层模量在6000~7000MPa之间变化时，沥青层拉应力变化较大。

半刚性基层拉应力随着基层模量的增加逐渐增加。当基层模量在6000~10000MPa之间变化时，模量增加1000MPa，半刚性基层拉应力增加3.64%。由此可见，基层模量的变化对半刚性基层拉应力的影响较小。然而，就半刚性基层容许拉应力而言，建议半刚性基层模量在10000MPa以下取值。

结论

(1)随着沥青路面厚度的增加，沥青层拉应力、沥青层剪应力和半刚性基层拉应力均逐渐减小。面层厚度在16~24cm之间变化时，面层厚度每减小2cm，沥青层拉应力和半刚性基层拉应力分别增加6.40%和8.19%。当面层厚度在18~20cm之间时，面层厚度每增加1cm，沥青层剪应力减小8.19%。基于沥青层拉应力、沥青层剪应力和半刚性基层拉应力指标，该文建议沥青面层在18~20cm之间取值。

(2)随着沥青面层模量的增加，沥青层拉应力逐渐增加，而半刚性基层拉应力逐渐减小。当初始沥青层模量为14000MPa时，模量每减少2000MPa，沥青层拉应力减少7.33%。结合沥青层拉应力和半刚性基层拉应变指标，该文建议沥青层模量取10000MPa。

(3)随着半刚性基层厚度的增加，沥青层拉应力和半刚性基层拉应力均逐渐减小。基层厚度在30~50cm时，基层厚度每增加5cm，沥青层拉应力减小15.84%。半刚性基层厚度在40~60cm之间变化时，基层厚度每增加5cm，半刚性基层拉应力减少14.06%。因此，基于半刚性基层拉应力和沥青层拉应力指标，该文建议半刚性基层厚度在40cm以上取值。

(4)随着半刚性基层模量的增加，沥青层拉应力逐渐减小，而半刚性基层拉应力逐渐增加。结合半刚性基层拉应力和沥青层拉应力指标，该文建议半刚性基层模量在7000~10000MPa之间取值。