水泥穩定碎石基層瀝青路面隆起開裂數值分析

姚愛玲，王軍偉，許 敏，楊孟乾，楊 濤

(1.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 上海 200000；3.阿拉善盟交通投資有限公司，內蒙古 阿拉善盟 750306；4.中鐵投資集團有限公司，北京 100055)

0 引 言

內蒙古額濟納旗，地處巴丹吉林沙漠邊緣，以沙漠和戈壁為主。該地區的水泥穩定碎石基層瀝青路面均出現了不同程度的橫向隆起。這些隆起開裂橫向貫穿整個路面，隆起高度為2～10 cm，裂縫寬度為1～3 cm，裂縫間距為200～400 m。圖1為額濟納旗地區水穩基層瀝青路面的隆起開裂。

圖1 額濟納旗地區水穩基層瀝青路面的隆起開裂Fig.1 Uplift of cement stabilized macadam base asphalt pavement in Ejina Qi

文獻[1～3]表明，水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂，是近幾年在新疆、甘肅、內蒙古等地的沙漠戈壁地區出現的新型病害，內地路面則較少發生，行業內目前還缺乏認識，相關的研究也較少。趙昕等[4]、胡力群等[5]曾利用壓桿失穩理論和薄板失穩理論對半剛性基層的拱脹進行了分析，并提出了一些預防措施；廖雄文等[6]、張長江[7]研究認為，是水泥穩定碎石基層的高溫拱脹引發了瀝青路面的隆起開裂，并提出了基層設置脹縫、選擇水泥劑量與合理施工季節等預防措施；胡建榮等[8]研究了沙漠區風積沙路基水鹽遷移規律，發現可溶性氯鹽與鉀鹽等在路基頂面積聚并結晶發生體積膨脹是導致瀝青路面橫向隆起現象的重要原因；張宏等[9]研究發現，特殊的氣候環境與工程地質條件使得路基土逐漸鹽漬化并發生鹽脹是產生路面橫向隆起的重要原因；王軍偉[10]、姚愛玲等[11]研究發現，水泥穩定碎石基層的高溫拱起引起了瀝青路面的開裂，建議基層每隔一定間距設置一條脹縫，這與廖雄文等[6]、彭真等[12]、黃河清[13]研究給出的病害預防措施相似。

這些研究為水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂研究奠定了基礎，但由于只是定性分析或者僅對基層進行簡單的力學分析，未考慮溫度場和路面結構的影響，分析結果與實際偏差較大[14～17]。

水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂與溫度、路面結構和路面材料的性能息息相關。在對內蒙古額濟納旗路面隆起開裂現場調研的基礎上，依托“京新高速(G7)臨白段”[“京新高速(G7)”臨河至白疙瘩段]建設項目，監測了路面結構層溫度，建立ANSYS有限元模型，在溫度場下分析了溫度、基層脹縫間距對基層拱脹和瀝青路面隆起開裂的影響，為同類地區水泥穩定碎石基層瀝青路面隆起開裂的預防提供了理論依據。

1 路面隆起開裂現場調研

1.1 實地調查與開挖

2016年3月至2017年1月，筆者對內蒙古額濟納旗水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂情況進行了調查，對部分隆起開裂路面進行了開挖分析。實地調查發現，內蒙古額濟納旗的S312和S315均為水泥穩定碎石基層瀝青路面，路面均出現了不同程度的隆起與開裂現象。

綜合起來，路面的隆起開裂主要有以下特征：①填方路段的水泥穩定碎石基層瀝青路面更易產生隆起開裂；②路面的隆起開裂主要發生在基層沒有設置脹縫的路段。

通過對隆起開裂路面進行現場開挖(圖2)發現，瀝青面層產生了約3～4 cm的隆起，但未開裂；基層也產生了約3 cm的拱起，且已斷裂，斷裂處的裂縫傾斜，裂縫兩側的基層有沿著裂縫錯位移動的跡象；底基層狀態穩定，沒有拱起和斷裂的現象。這從側面直觀反映了該地區水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂是由基層的拱脹破壞引起的。

圖2 路面隆起開裂現場調研與開挖Fig.2 Field investigation and excavation of pavement uplift

1.2 溫度監測

依托“京新高速(G7)臨白段”建設項目(額濟納旗段)，利用前期在路面結構層中埋設的溫度傳感器，對道路結構層的溫度進行了監測。表1為“京新高速(G7)臨白段”建設項目(額濟納旗段)一天中路面各結構層所能達到的最高溫度。

表1 “京新高速(G7)臨白段”同一天中路面各結構層的最高溫度Table 1 Highest temperature of each structural layer on the same day in “Jing-Xin highway (G7) Linhe to Baigeda section”

據當地養護部門介紹，內蒙古額濟納地區夏季瀝青路面路表溫度最高可達80 ℃，該地區日照時間長、輻射大、高溫酷熱的特殊氣候是水泥穩定碎石基層瀝青路面產生隆起開裂的重要原因。

2 路面隆起開裂有限元分析

2.1 分析方法

對于水泥穩定碎石基層瀝青路面隆起開裂這一新型病害，目前沒有較科學的理論分析方法。調查分析表明，路面的隆起開裂是由基層的高溫拱脹引起的。因此從基層橫向溫度應力和豎向拱起變形(由拱起高度表征)兩個方面進行理論分析：①比較基層混合料的軸向抗壓強度與基層橫向溫度應力的大??；②實地調查顯示，路面的隆起高度一般不超過10 cm，這可能是當路面隆起高度大于10 cm時，路面就會因隆起變形過大，失穩而產生開裂。

基層橫向溫度應力和豎向拱起高度是通過建立ANSYS模型在溫度場下分析計算而得。由于水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂涉及熱力學和結構力學兩個領域，需要在溫度場下進行力學分析，而ANSYS有限元法可以有效的將這兩個領域結合起來[18～19]。計算結果表明，ANSYS模擬分析與實際基本相符。

2.2 建立模型

2.2.1 建 模

依據“京新高速(G7)臨白段”的設計資料，建立ANSYS模型為層狀立方體結構，面層厚度為16 cm、基層厚度為18 cm、底基層厚度為36 cm、路基厚度為100 cm，寬度為13.75 m，長度為400 m，建立的ANSYS有限元模型見圖3。

圖3 ANSYS有限元模型Fig.3 ANSYS finite element model

2.2.2 路面結構層的性能參數、邊界條件及溫度荷載的施加

1)結構層的性能參數

路面結構層的性能參數主要是通過查閱設計資料、規范文獻以及進行室內試驗獲得，可代表結構層材料的性能，用于ANSYS模擬分析，路面結構層的性能參數見表2。

表2 路面結構層的性能參數Table 2 Performance parameters of pavement structural layers

瀝青面層的模量值與溫度有著密切的關系。由于筆者在計算分析時，每個計算環節均考慮結構層參數和溫度的耦合作用，亦即對溫度進行了單獨的考慮，因此，瀝青層的模量取值采用了表2中給出的瀝青面層在20 ℃的模量值?；鶎硬牧蠈儆谒€碎石半剛性基層，其膨脹系數(1.5×10-5)雖比面層材料的膨脹系數(2.8×10-5)小，但由于其脆性特征，具有釋放應力和應變能力差的特點，因此，與面層相比，基層具有易膨脹性。路面隆起的開挖(圖2)也證實了面層的隆起是由基層的拱脹引起的。

2)邊界條件

由于研究對象為水泥穩定碎石基層瀝青路面在溫度場作用下的隆起，故模擬計算的邊界條件為：長度方向，模型的兩端為3個方向的固定約束；深度方向，底基層底部為z方向的固定約束；寬度方向，不設約束，可以自由活動，層間光滑連續。

3)溫度荷載的施加

為分析溫度對路面結構層隆起的影響，依據監測的溫度數據，將額濟納旗地區路面各結構層溫度與路表溫度之間的關系進行了擬合。路面結構層溫度主要受大氣溫度、光照時間、輻射強度等因素的影響，其關系非常復雜。然而，路面結構層的溫度與路表溫度卻有著直接的關系。在某一地區的氣候環境下，路面結構層的溫度分布與路表溫度亦具有特定的關系[20～21]，見圖4。

圖4 路面各結構層溫度與路表溫度之間的關系曲線Fig.4 Relationship curve between the temperature of pavement structure layer and temperature of pavement surface

利用路面結構層溫度與路表溫度之間的關系，分別推算出當路表溫度分別為20、30、40、50、60、70、80 ℃時各結構層的溫度，見表3。

表3 路面各結構層溫度Table 3 Temperature of each structure layer of pavement

在進行ANSYS模擬計算時，將所有層位的起始溫度均設為10 ℃，分別計算當路表溫度為20、30、40、50、60、70、80 ℃時各結構層的拱起高度和橫向溫度應力。其中，各結構層中部的溫度按照表3施加，利用耦合處理使溫度在層間連續。

2.3 路表溫度對路面隆起開裂的影響分析

底基層基本不發生拱脹破壞，因此僅提取面層、基層的拱起高度和橫向溫度應力數據以及面層與基層的層間接觸應力數據。圖5、圖6分別為基層豎向拱起變形與橫向溫度應力模擬效果結果。由模擬結果易知，當基層產生高溫拱脹時，拱起高度在中間位置最大，橫向最大溫度應力在兩端最大。

圖5 基層結構層的豎向拱起變形效果Fig.5 Effect of vertical arching deformation of base structure layer

圖6 基層的橫向溫度應力效果Fig.6 Effect of transverse temperature stress on base course

表4為模擬分析得到的面層與基層最大層間接觸應力(CM)、面層和基層的最大隆(拱)起高度(DM)和最大橫向溫度應力(SM)最大值。

表4 層間接觸應力、拱起高度與橫向溫度應力的最大值Table 4 The maximum value of interlayer contact stress,arching height and transverse temperature stress

由表4可知，面層與基層的最大層間接觸應力為負，說明面層與基層之間是受壓狀態，這間接表明路面的隆起開裂是由基層的拱脹將面層頂底而產生的。

將表4中路面結構層的最大隆(拱)起高度、最大橫向溫度應力與路表溫度的關系繪制成圖7、圖8。

圖7 最大隆(拱)起高度與路表溫度的關系Fig.7 The relationship between the maximum arching height and pavement surface temperature

圖8 橫向最大溫度應力與路表溫度的關系Fig.8 The relationship between the maximum transverse temperature stress and pavement surface temperature

圖7表明，當路表溫度一定時，面層隆起高度與基層的拱起高度基本相同，這說明面層與基層的拱起變形具有一致性。由于面層與基層是一種穩定的接觸狀態，因此可得出，路面結構的隆起是由基層引起的，路面的隆起高度取決于基層的拱起高度。調查發現，路面的隆起高度一般不超過10 cm，這可能是當基層隆起高度大于10 cm時，路面就會因基層拱起過大造成路面變形失穩而產生開裂。

圖7、圖8中，路面結構層的最大豎向隆(拱)起高度、最大橫向溫度應力隨著路表溫度的直線增長表明，溫度對水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂有重要的影響。圖8表明，在相同的溫度條件下，基層的橫向溫度應力大于面層，這說明基層比面層更容易受到高溫的影響而產生拱脹。

2.4 脹縫間距對路面隆起開裂的影響分析

基層設置脹縫可避免該類地區水泥穩定基層瀝青路面的隆起開裂。筆者從理論上分析基層脹縫間距對路面隆起開裂的具體影響，將模型中基層的脹縫間距分別設為100、200、300、400、500、600 m，并進行模擬計算基層的最大拱起高度(DM)和基層、面層的橫向最大溫度應力(SM)，模擬見圖9、圖10。

圖9 基層最大拱起高度與脹縫間距的關系Fig.9 The relationship between the maximum arching height of base and expansion joints spacing

圖10 橫向最大溫度應力與脹縫間距的關系Fig.10 The relationship between the maximum transverse temperature stress and expansion joints spacing

根據2.1節中所述方法分析圖9，當基層脹縫間距小于200 m時，即使路表溫度達到80 ℃，基層的豎向拱起高度也小于10 cm，路面基本不會產生隆起開裂破壞；基層脹縫間距大于300 m時，當路表溫度超過70 ℃，基層可能產生拱起斷裂進而造成路面的隆起開裂；基層脹縫間距大于500 m時，路表溫度超過50 ℃，路面就可能因基層的拱起變形過大失穩而產生隆起開裂破壞。圖9表明，在同一路表溫度下，基層的拱起高度基本隨著脹縫間距的增加直線增大；在其他條件不變的情況下，當路表溫度達到80 ℃時，基層脹縫間距每增加100 m，基層的拱起高度將增加4 cm左右。

依據“京新高速(G7)臨白段”的路面設計資料，室內試驗表明，基層混合料的軸向抗壓強度為3.1 MPa。圖10表明，脹縫間距為100、200 m時，基層的橫向溫度應力受溫度的影響情況基本相同；基層脹縫間距為300、400、500、600 m時，基層的橫向溫度應力受溫度的影響情況類似。當基層脹縫間距小于200 m，即使在最不利狀況下，即路表溫度達到80 ℃時，橫向溫度應力也不大于軸向抗壓強度(3.1 MPa)；當基層脹縫間距超過300 m時，當路表溫度超過70 ℃，基層就可能會因軸向抗壓強度不足而產生拱起斷裂進而造成路面的隆起開裂；當基層脹縫間距由200 m增加到300 m時，基層的最大拱起高度、橫向最大溫度應力會顯著上升，且路表溫度超過70 ℃時，基層可能會產生拱起繼而導致面層的隆起破壞。

綜上所述，如果基層不設脹縫或者脹縫間距過大，極易造成水泥穩定基層瀝青路面的隆起開裂。考慮到工程實際，為預防內蒙古沙漠戈壁地區水穩碎石基層瀝青路面的隆起開裂，基層宜每隔200 m設置一條脹縫。

3 結 論

日照時間長、輻射大、夏季酷熱的氣候條件和水泥穩定碎石基層的高溫拱脹特性是內蒙古等沙漠戈壁地區水泥穩定碎石基層瀝青路面出現隆起開裂的主要原因。在實地調研的基礎上，利用ANSYS有限元理論分析，得出以下結論：

1)內蒙古沙漠戈壁地區水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂主要是由基層的高溫拱起破壞引起的。

2)溫度對水泥穩定碎石基層瀝青路面的隆起開裂有嚴重的影響。同一溫度條件下，基層比面層更易產生拱起破壞。

3)ANSYS有限元分析表明，在內蒙古等地的沙漠戈壁地區，基層不設脹縫或者脹縫間距過大，均極易造成水泥穩定基層瀝青路面的隆起開裂。

4)綜合多種因素，結合工程實際，為避免內蒙古等地的沙漠戈壁地區水泥穩定碎石基層瀝青路面出現隆起開裂，建議基層每隔200 m設置一條脹縫。