由于沥青路面完全暴露于自然环境之中,长期承受着车辆荷载的反复作用和外界自然环境的直接影响,导致路面性能衰减和破损的因素错综复杂。鉴于我国目前沥青路面结构形式还较为单一化,路面破损模式与设计指标之间存在脱节现象,以及路面材料设计体积参数与路用性能指标相关关系不明确,因此,积极开展有关考虑气候环境和交通特征、以路面使用性能为目标的沥青路面结构与材料设计方法研究具有十分重要的意义。基于此,本文以交通部西部交通建设科技项目“高原湿地郎川公路修筑及环境保护技术研究”(项目编号:200431800054)为支撑,以高寒地区沥青路面为研究对象,在广泛搜集国内外相关文献与研究成果的基础上,进行了路面破损现场实地调研,探讨了有关沥青路面结构分析基础理论问题。采用理论与实践相结合的手段,并充分考虑外界环境因素、交通荷载以及路面结构与材料的自身特性,对高寒地区沥青路面结构组成与行为特性、沥青混合料材料构成与性能特性、以及与之相适应的路面结构与材料设计方法等内容进行了较系统、深入的研究。主要研究工作和研究成果有:(1)通过对四川与西藏高寒地区部分公路沥青路面的现场调研,确定了高寒地区沥青路面的6类主导破损形式,分析了破损规律与形成机理,其中路面开裂中的温缩裂缝、反射裂缝是由于路面结构与材料自身原因而产生的最主要破损类型。(2)基于ABAQUS软件平台,深入探讨了有关沥青路面结构分析基础理论中的层间状态、车辆荷载作用方式、多因素综合作用等问题,分析了各种单因素或多因素作用对路面性能关键力学指标的影响规律。指出以接触模型分析路面的力学响应更符合路面的实际工作状态,接触模型更能体现水平荷载对路面力学行为的影响,掌握了层间状态对高、低温环境下的沥青路面行为特性的影响规律,确定了高温与车辆荷载综合作用时路面性能严重恶化的层间接触摩擦系数的临界值,给出了高寒地区特殊环境下沥青路面结构分析的力学模型与外荷载组合方式的合理建议。(3)总结了新型沥青路面结构概念及其所包含的结构类型,针对高寒低温地区的新型沥青路面结构型式,考虑沥青混凝土的感温特性,进行了基于层间接触模型的路面大温差温度行为、温度与荷载耦合行为、抗开裂行为等系统理论分析。指出全厚式结构(文中的类型三)和倒装式结构(文中的类类型五)具有更好的抗环境变化能力和抗开裂性能。由于大温差、水平与竖向荷载的联合作用,导致路面力学行为产生显著变化,与竖向荷载单独作用相比,不仅力学响应大小不同,而且响应极值出现位置也不同。(4)以AC-13酸性花岗岩沥青混凝土材料组成优化设计研究为例,充分考虑项目依托工程高寒低温和重载交通的要求,引用正交法设计思想,进行了大量室内试验,系统分析了级配类型、压实温度、成型方法、沥青用量及改善措施等因素对沥青混合料的各种性能的影响及其相关关系。以试验结果为基础,确定了项目依托工程AC-13沥青混合料的低温压实临界温度值,给出了确定各影响因素优化组合的试验方法。在此基础上,明确了高寒地区沥青混凝土材料组成设计原则与材料要求,提出了特殊环境下基于抗冻融稳定性、以体积和性能双参数作为过程控制的沥青混凝土材料组成实用优化设计方法。(5)以现场试验路实测数据为基础,系统研究了各新型沥青路面结构的温度行为特性、抗开裂性能及弯沉特点等问题。应用光纤光栅式温度传感器对高、低温季节路面温度行为的测试结果,得到了各类型路面在不同环境温度、不同时段气温、路表温度与路面内部温度场的变化规律,建立了高寒地区特殊环境下沥青路面各结构层位的分季节、分时段性的路面温度通用预估模型。应用现场开裂调查结果,描述了开裂的形态特征,评价了各新型结构的抗裂效果。应用现场弯沉测试结果,明确指出了对设计弯沉值要求过高的弊端。综合理论分析与现场试验结果,明确了高寒地区沥青路面设计原则与设计要求,推荐了高寒地区适宜沥青路面结构形式,建立了结构设计力学模型,初步提出了结构设计计算方法,提出了基于路面使用性能的分状态(高、低温状态)、分指标(应力、应变指标)的高寒地区特殊环境沥青路面结构设计与行为分析方法。