2016年交通运输部发布的《十三五公路养护管理发展纲要》明确了绿色、低碳、循环的公路发展远景,而公路的长期使用性能与路面结构设计有着密切的关系,其中沥青路面疲劳性能始终是路面结构设计的研究重点之一。为了提供一个研究沥青路面结构疲劳性能影响因素的试验方法,构建沥青混合料疲劳性能与沥青路面结构疲劳性能的关系,比较了国内外沥青混合料梁式试件疲劳试验,基于弹性理论中组合梁的相当截面概念,在现有小梁四点弯曲疲劳试验方法基础上,提出了一种大尺寸组合梁弯曲疲劳试验方法,在此基础上进行了该弯曲疲劳试验的试验指标研究,并给出沥青混合料大尺寸组合梁疲劳寿命预估模型。该试验方法可以表征沥青路面的面层结构,提供了研究路面结构特征对路面疲劳性能影响的新途径,从而为沥青路面结构设计和材料设计提供参考。首先,完成沥青混合料梁式试件疲劳试验比较,从试验原理、试件制作和疲劳试验变量方面分析了三种沥青混合料梁式试验的区别与联系;其次,完成沥青混合料大尺寸组合梁弯曲疲劳试验力学响应的理论研究,依据材料力学弹性理论的相当截面概念,建立单种、多种材料大尺寸梁在弯曲试验下的最不利荷位处的弯曲应力求解模型,在考虑材料自重及温度的基础上,分析材料模量、层厚和梁高对弯曲应力的影响;然后,研究沥青混合料大尺寸组合梁弯曲疲劳试验方法,明确试验基本要求,确定大尺寸梁成型方法和建立弯曲疲劳试验测试系统;最后完成沥青混合料大尺寸组合梁弯曲疲劳试验变异性分析与疲劳寿命预估,从试验数据统计分析、力学响应模型验证等方面进行研究,并建立沥青混合料大尺寸组合梁四点弯曲疲劳寿命的预估方程。本文主要结论如下:(1)沥青混合料梁式试件疲劳试验原理不尽相同,四点弯曲疲劳试验具有明显优势;梁式试件的实验室和现场制作各有特点,现场制作对实际道面表现能力强,适合大尺寸组合梁制作;依据来源不同,疲劳试验变量可以分为试件变量、试验机加载变量和试件疲劳过程变量,变量之间关系较为明确。(2)使用基准模量概念,所构建的组合梁力学响应模型适用于单种、多种材料沥青混合料组合梁在纯弯曲部分力学计算。大尺寸组合梁弯曲试验可忽略材料自重影响,但材料温度对应力分布有影响;对于两种材料沥青混合料组合梁,当梁尺寸和加载方式确定后,最大弯曲应力随上下层材料模量比增加(0.6-1.6)而降低,两者取对数后呈二次非线性关系;在模量比处1.0～1.6时,最大弯曲应力随上下材料层厚度比增加而减少;梁长宽、厚度比、模量比固定,两种材料组合梁最大弯曲应力随梁高增加而呈非线性降低;建议采用荷载控制模式进行大尺寸组合梁弯曲疲劳试验。(3)确定了沥青混合料大尺寸组合梁疲劳试验条件,并完成相关试验。设计并制作大尺寸梁式试件四点弯曲疲劳试验夹具;完成了试验路面结构选择、现场准备、现场施工参数确定和大尺寸组合梁成型,得到了 22根具有不同厚度比的大尺寸双层组合梁试件;通过进行组合梁四点弯曲试验、钻芯单轴压缩试验和组合梁四点弯曲疲劳试验,确定组合梁疲劳基准荷载(16.0℃,8.344KN)、上下面层抗压回弹模量和各组合梁不同荷载比(0.15/0.2/0.5)下的疲劳寿命。(4)验证并完善了基于弹性力学的沥青混合料大尺寸组合梁弯曲力学响应模型。通过试验数据分析发现,现场制取试件时长宽切割能力不同,组合梁各尺寸有不同的分布规律,长度分布较为均匀,厚度集中,厚度比具有正态分布特征;确定了组合梁三分点挠度分别为2.5mm和1.5mm时,弯曲试验的试验荷载与解析荷载关系式;证明了弯曲力学响应模型的解析应变与试验应变线性显著相关,相关系数为0.9484;完善并证明了沥青混合料组合梁四点弯曲疲劳寿命全预估模型和半预估模型,其中全预估模型Nf1=0.0082(ε1’)-1.991,R2=0.785,半预估模型Nf2=1 × 10-6(ε2’)-2.928,R2=0.911;使用全预估模型预测对照组疲劳寿命误差为76%;对比小梁四点弯曲疲劳试验,该试验疲劳寿命全预估模型与小梁疲劳寿命预估模型的预测精度近似,且可降低同批次试件的疲劳寿命的试验偏差。