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第6章 沥青路面温度应力
6.1引言
除路面无应力时的温度剖面外（参见开始第4.3节中的讨论），温度变化预计会对路面结构造成热应力。然而，沥青混合料作为一种流变材料也会消除由此产生的应力。也就是说，热分布的连续变化对沥青路面产生了热应力，沥青路面的热应力也不断消散。因此，在中冷至温暖的地方，沥青路面的热应力可以忽略不计。然而，在气候极冷的地区，热应力在短时间内（短于其消散所需的时间）可能会显著积聚。本章提出了一个公式来估计沥青层中的热应力（已知的流变特性），由于任何给定的温度变化。
6.2热剖面
第4.2节中已经给出了一个简单的公式，用于估算穿过路面层的热分布。许多研究人员从理论和实验两方面研究了沥青路面的热剖面[108，301，311]。过去的研究表明，沥青路面沥青层的热分布（T（z））通常是非线性的[72]。
6.3沥青路面热应力
对于粘弹性材料，热应力随时间消散。
如果温度T不随时间（t）变化，沥青层中的热应力（对于完全约束条件）可计算如下（参考方程式4.11）。
（6.1）
式中，Erel(t) 是沥青材料的松弛模量。即使温度随时间保持不变， 也会逐渐减小。此外，如果温度较低，会更高。这已在图6.1中给出了示意图。
然而，路面结构中的温度并不保持恒定；温度（T(z,t)））随深度（z）和时间（t）而变化（参考第4.2节）。这种变化将影响约束应变（参考方程式4.10），进而影响。沥青混合料作为流变材料，其也会受到温度变化历史的影响。因此，关于推导表达式的考虑如下：
图6.1：热应力（）随温度（T）和时间（t）变化的概念图。
bull;假设沥青混合料是线性粘弹性材料，则热应力可通过使用“波尔茨曼”的叠加原理（参考方程式2.39）确定，如下所示[43、111、187、188、213、229、253]。
= （6.2）
式中，zeta;=时间的虚拟变量。
利用方程4.10，可以写出[187，229]，
（6.3）
式中，alpha;=热膨胀系数（本例中沥青的热膨胀系数）。假设alpha;不随温度变化。
可以注意到，由于温度不断变化，需要在某个标准温度[188，213，229，253]下将其转换为等效值 ，其中Tr 是参考温度。这可以通过调用时间-温度叠加原理来实现，并假设沥青是一种热流变性简单的材料[253]。
利用方程2.51，并考虑到给定时间的减少时间（tminus;zeta;）是截至该时间的所有减少时间之和[84，188，213，253]，可以得出用于计算减少时间的函数，如下[213，229]。
（6.4）
其中，tPrime; =表示时间的虚拟变量。alpha;T 的适当表达式可以用式2.53或式2.54的形式选择。假设减少的时间是根据某个标准温度Tr计算的。可以注意到alpha;T是Tr和T（tPrime;）的函数，其中T（tPrime;）代表沥青层的温度（在给定z处），该温度随时间不断变化，tPrime; 。
bull;假设上述考虑因素对z的每个值都是独立的。
考虑到上述情况，任何t和z处进入沥青层的热应力可表示为[188，206，213，229，253]
（6.5）
式6.5可用于计算沥青层内任何时间和深度的热应力。我们可以为沥青材料选择合适的流变模型（参见第2.3.1节的讨论），并通过数值计算得出的估计值。例如，可以参考[229,253]对单层的研究，参考[213]对多层的研究，参考[225]对更复杂的几何。温度、约束应变和粘弹性应力的典型预期变化如图6.2所示。
图6.2：沥青层中温度变化、约束应变和粘弹性应力的示意图。
6.4 总结。
西格特（z，t）是温度和温度下降率的函数（参考方程式6.5）。对于低温和高速冷却，产生的应力将很高。当温度下降缓慢时，沥青层有时间消散热应力。如果产生的热应力大于材料的拉伸强度（在Z和T处），则可能产生热裂纹[78，112]。下一章（第7章）将讨论与热裂纹间距估计有关的问题。
第七章 路面设计
7.1引言
路面设计可能涉及结构、功能和排水设计。本章论述路面结构设计的基本原则。本章的目标是在前几章制定的分析方案与当前路面设计方法之间建立联系。路面结构设计有大量的文件，包括教科书[94、121、186、212、313]、规范/指南[1、86、131、132、198、206、211、216、217、260、281、284]和各种背景文件[53、256、257、280]，感兴趣的读者可以参考这些文件进行进一步研究。因此，本章中的讨论是简短的。
路面结构设计主要涉及厚度估算。提供的厚度使路面能够经受住结构的破坏。可以提醒我们，在自然界中可能存在各种非结构性的痛苦。结构缺陷的一些主要模式有：载荷疲劳、热疲劳、车辙、低温收缩开裂、自上而下开裂、冲头（通常与连续钢筋水泥混凝土路面、破碎等相关。可参考，例如[199，260]，了解路面结构可能出现的各种类型的损伤。
对于沥青路面，结构设计通常包括估算基层、底基层和面层的厚度。对于混凝土路面，结构设计通常包括估计基层和混凝土板的厚度；对于混凝土路面，结构设计还包括估计接缝间距和定位销和拉杆的细节（间距、直径和长度）。原则上，公路路面的路面设计方法与跑道/滑行道路面[83、116、211]或船坞路面之间没有太大的差异。输入参数可能不同（例如，船坞[259]中的荷载施加时间可能比滑行道长，跑道上车轮的横向偏移m可以比公路等道路上的长度分布得更大，但一般来说，设计理念（根据机械经验设计方法）是相同的。
7.2设计理念
从历史上看，许多方法被建议用于路面结构的设计，从经验方法到半经验方法到机械经验方法。早期的一些方法是基于（i）经验（ii）承载力（iii）抗剪强度（iv）挠度等。在某些方法中，层厚值的设计应确保（承载应力或剪切应力或挠曲）的最大值不超过强度（例如，材料的承载强度或剪切强度）或限制标准（例如，挠曲）。某些初步设计方法最初并未将交通重复作为参数[313]。然而，人们认识到，由于极限承载条件（尽管有一些例外情况，如第7.4.1节末尾所讨论的，相反，是负载（或环境变化）的重复导致故障。重复性逐渐成为路面设计过程中的重要考虑因素之一。
我们可以参考其他各种书籍/论文，例如[121、202、290、310]等，简要回顾路面设计的历史观点[1]。
在机械经验路面设计方法中，机械估算的临界位置的初始应力应变值与单个缺陷的累积重复性经验相关。这种关系也称为传递函数。例如，任何结合层底部的水平拉伸应力/应变可与疲劳寿命[216、217、260、284]相关，个别层的垂直压缩应变[216、217、260、284]或剪切应力或主应力可与永久变形（车辙）相关[260]，垂直压缩应力可与T相关。他压碎了一个水泥层[260]等等。形成机械经验法基础的一些初始工作是由于[74，204，240]。现在，这种方法在各国得到了广泛的应用，许多指南/规范遵循了路面设计的机械经验方法[1，86，198，206，216，217，260，281，284]。机械经验路面设计中考虑的一些结构缺陷将在下文中进一步讨论：
[1]然而，必须指出的是，一些早期的设计方法可能仍然具有相当的相关性，例如，将挠度作为覆盖层设计的标准[13、133、217]，承载力可用于评估各层的应力和承载力[280]，抗剪强度可作为综合方法的标准。对于配合比设计，路面设计[93]等。
bull;荷载疲劳：重复施加荷载会导致路面结合层发生荷载疲劳破坏[204，251]。在实验室中，通过在各种几何结构的梁上施加重复弯曲荷载来模拟这一过程（参见第2.3.2节进行简要讨论）。由于最大拉应力应变发生在结合层的底部，裂纹在那里开始，并随着重复的进行向上扩展，因此被称为自下而上的裂纹。疲劳试验的实验室条件与现场条件不同（例如，加载模式、休息时间、温度、样品边界条件等的差异），需要对实验室方程式进行校准/调整，使其可用作设计方程式[8，286]。此外，实验室中疲劳失效的定义（可能基于预先规定的分数[2，176]或吸收能量[96，269]的刚度模量降低）可能不同于现场中的定义（可能基于特征表面裂纹的外观百分比）。例如，我们可以参考[15，258，263]来简要概述用于路面设计的各种荷载疲劳传递函数。
bull;车辙：路面永久变形称为车辙。车辙通常发生在最横贯的车轮路径上，并在路面表面测量。由于（ii）空隙的压实（减少）和/或（i）材料的剪切流动，可能会出现车辙。由于车辙是在表面测量的，由于这些机制中的任何一个，其贡献可能来自一个或多个层面。图7.1示意性地显示了第i层由于压实（图7.1（a））和剪切流（图7.1（b））造成的车辙。
提出了各种经验、半经验或机械（粘弹性/粘塑性）模型，其中路面层的弹性应变、路面厚度、温度、沥青含量、空隙、动态模量、弹性模量、集料级配、交通重复性、含水量、应力状态、流变参数等，已用于预测沥青层或颗粒层或整体车辙的车辙深度[47、54、119、122、175、206、226、234、261、322]。例如，可以参考[226]查看沥青层车辙情况，以及到[164，288]查看颗粒层车辙，到[307]研究不同路面层对车辙的相对贡献。
（a）第i层压实产生的车辙
（b）第i层剪切运动产生的车辙
图7.1：表示两种可能的车辙机理的示意图。
bull;低温缩裂：低温收缩裂缝沿道路横向延伸。这种裂缝在寒冷地区的道路上很普遍[187]。它起源于结合层内产生的拉伸应力超过材料的拉伸强度[78，112]。第4.3.2节和第6.3节分别针对水泥混凝土和沥青路面制定了热应力估算的基本公式。对于类似的环境条件和混合料成分，横向收缩裂缝的间距应相等[229、252、253]。本章后面一节介绍了估算裂缝间距的设计注意事项。
bull;热疲劳：温度变化导致路面材料的交替膨胀和收缩。这会导致热疲劳（对结合层）造成损坏，由于热循环的重复，热疲劳会不断累积[7，21，78，298]。过去的研究表明，温度、结合层厚度和最大热收缩应力水平的变化会影响热疲劳造成的损伤[7，21，228]。
bull;纵向开裂：与荷载疲劳开裂不同，这些裂缝从顶部开始向下扩展，出现在沥青[123、194、239]或混凝土[25]路面上。传统的载荷疲劳理论无法解释这一点，因为它假定拉伸应变导致疲劳裂纹萌生，而顶部通常属于压缩区[39]。假设顶部裂纹的产生可能是由于轮胎施加的剪切应力、轮胎接触压力不均匀、车轮或车轴放置引起的表面拉伸应力、沥青材料硬化、混合料离析、低温收缩裂缝等原因造成的[39、265]。一旦开始，假设裂缝随着交通的重复而扩展。
7.3设计参数
以下段落简要讨论与路面设计相关的各种参数。
7.3.1材料参数
通过各种试验，对路面材料进行了表征，并将材料参数作为输入，用于路面分析。道路材料特性见第2章。
7.3.2交通参数及设计周期
交通参数用于预测设计期间的累计交通量。对于新的道路建设，需要预测到目前没有交通的地方的交通量。交通参数包括交通量及其变化、轴荷分布、轴轮配置、轮胎接触压力、车轮横向漂移、交通增长率、车道分布等。使用各种经验或理论等效系数（1、101、121、206、217、260、281、284），这种累计交通量通常以百万标准轴荷重复次数表示。
7.3.3环境参数
水分和温度的变化可能会影响层模量值，进而影响多层结构的临界应力/应变值。由于环境变化的影响，相同交通重复的增量损害可能有所不同。先进的环境模型通过考虑环境参数变化的影响来模拟累积损伤[68]。
7.4设计过程
第3章和第5章介绍了估算荷载应力的基本公式。第4章和第6章介绍了估算温度应力的基本公式。对于设计过程中是否应将荷载和热应力结合起来并加以考虑，不同准则的规定可能有所不同。
沥青路面在高温下的热应力由于其快速消散而被普遍忽略。沥青路面低温热应力用于预测热收缩裂缝间距（参见第7.4.3节）。
混凝土路面的热应力在内部（最大约束）和角落（最小约束）处最高。此外，热应力在白天（当Tt gt; Tb 时）在板底部拉伸，在夜间（当Tt lt; Tb 时）在底部压缩（参考第4.3.1节）。因此，载荷应力和热应力可以是加应力或减应力，这取决于位置和热分布。图7.2给出了指示混凝土路面中荷载和热应力（通常为弯曲）的相对大小（不按比例）和性质（拉伸/压缩）的示意图。在图中，由于荷载引起的边缘应力，表示由于车轮靠近边缘等原因，最大应力在边缘处（也可参考第3.4节）。此外，水分梯度（通常与温度梯度相反）的存在也可能影响整体应力值[12]。因此，仅考虑荷载和温度引起的弯曲应力（忽略水分梯度引起的应力），使得设计保守。
7.4.1厚度设计
图7.2：示意图，指示角落、边缘和内部混凝土路面的荷载和热弯曲应力的可能相对大小（不按比例）和性质（拉伸/压缩）。
图7.3：显示了一般路面厚度设计方案。预测的累积交通量在传递函数中用于般路面设计方案，其厚度根据临界应力/应变确定。
获得给定类型结构损伤的临界应力/应变的容许值。此外，根据厚度和材料特性、环境参数的假
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