瀝青路面拱脹開裂仿真分析及處治措施

唐林玲

（重慶交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

在新疆南部地區(qū)，由于當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂驐l件，以水泥穩(wěn)定砂礫混合料為基層的瀝青路面，在道路建成通車后不久，便發(fā)生了路面的拱脹開裂。這些拱脹橫向貫穿路面且間隔分布。拱脹高度最大超過10cm，拱脹間距最短不足50m。目前拱脹開裂病害已經(jīng)嚴(yán)重危及到這些道路的路用性能和交通安全。本文依托項(xiàng)目，對(duì)瀝青路面拱脹開裂進(jìn)行仿真分析，并對(duì)該地區(qū)的水泥穩(wěn)定砂礫基層瀝青路面拱脹病害的預(yù)防和處治提出建議。

1 拱脹開裂病害路段溫度與位移檢測(cè)

1.1 結(jié)構(gòu)層溫度檢測(cè)與分析

本文依托項(xiàng)目位于南疆地區(qū)的墨和高速公路，自2016年建成通車以來，先后出現(xiàn)了不同程度的拱脹病害。從2020年2月～2020年7月，該時(shí)間段為該年溫度上升階段，對(duì)依托項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行連續(xù)六個(gè)月的溫度檢測(cè)，該試驗(yàn)段長(zhǎng)700m，每50m作一個(gè)檢測(cè)斷面，每個(gè)月檢測(cè)兩次，得到試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)層每個(gè)月的平均環(huán)境溫度和路面結(jié)構(gòu)層溫度，如表1所示。

表1 環(huán)境溫度與路表、基層溫度數(shù)值（高溫） (單位：℃)

由表1可知，路面溫度隨氣溫變化明顯。在高溫環(huán)境下，路表溫度以及基層各部分的溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，其中路面溫度最高，基層溫度由上到下遞減。

在南疆沙漠戈壁區(qū)夏季高溫酷熱的環(huán)境下，瀝青面層會(huì)吸收大量熱能傳遞到水穩(wěn)砂礫基層。當(dāng)外界溫度降低時(shí)，路面內(nèi)部的熱量不能及時(shí)釋放，便會(huì)有溫度應(yīng)力的累積。在吸收與釋放熱量的循環(huán)過程中，基層會(huì)持續(xù)性的膨脹與收縮。隨著時(shí)間的發(fā)展，當(dāng)基層累積的溫度應(yīng)力無法釋放且超過材料抗壓強(qiáng)度時(shí)[1]，就會(huì)在薄弱位置產(chǎn)生錯(cuò)位移動(dòng)。隨著基層膨脹變形量的增大，其錯(cuò)位移動(dòng)會(huì)持續(xù)進(jìn)行，最終導(dǎo)致基層向上拱起。

1.2 結(jié)構(gòu)層位移檢測(cè)與分析

水泥穩(wěn)定砂礫基層在環(huán)境溫度的變化下極易發(fā)生熱脹冷縮運(yùn)動(dòng)。為了研究水穩(wěn)砂礫基層在環(huán)境溫度變化下的脹縮運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析試驗(yàn)段水穩(wěn)基層的膨脹與收縮位移情況。本次位移檢測(cè)時(shí)間從2021年1月～2021年7月，該時(shí)間段為環(huán)境溫度逐漸上升的階段，路表溫度區(qū)間為：-2～56℃。試驗(yàn)路段始于結(jié)構(gòu)物一端，位移檢測(cè)基點(diǎn)設(shè)于結(jié)構(gòu)物上，每隔50m在基層上設(shè)置一個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。

對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移檢測(cè)，得到路表溫度與基層相對(duì)位移關(guān)系，如圖1所示。對(duì)圖1進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

圖1 基層相對(duì)位移與路表溫度關(guān)系圖

（1）當(dāng)路表溫度處于零下時(shí)，各位移測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移值均為負(fù)，表明此時(shí)基層沿著基點(diǎn)方向整體收縮。但隨著路表溫度的逐漸上升，各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移值轉(zhuǎn)為正數(shù)，基層從最開始的收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u膨脹狀態(tài)；

（2）當(dāng)路表溫度在39～46℃之間時(shí)，由于水穩(wěn)砂礫基層的膨脹系數(shù)較大[2]，故各位移測(cè)點(diǎn)的膨脹值達(dá)到最大，隨后有小幅度的降低；

（3）隨著試驗(yàn)路段樁號(hào)的增加，膨脹位移有增大的趨勢(shì)。

同時(shí)由圖1可知：在700m長(zhǎng)的試驗(yàn)路段中，相對(duì)位移出現(xiàn)了四次峰值，其中高峰值位于樁號(hào)150m、300m、450m、600m處；低峰值位于樁號(hào)200m、350m、500m、650m處。相鄰高峰值之間和相鄰低峰值之間均隔150m左右，并且相鄰高低峰的距離為50m左右。結(jié)合拱脹病害的實(shí)地調(diào)查，分析認(rèn)為這是因?yàn)榛鶎娱L(zhǎng)度在150～200m內(nèi)時(shí)，會(huì)發(fā)生一次較大的膨脹與收縮。即在該長(zhǎng)度范圍內(nèi)，基層容易因?yàn)檩^大的膨脹收縮位移而在薄弱位置產(chǎn)生拱脹破壞。

2 水穩(wěn)砂礫基層瀝青路面拱脹開裂仿真分析

試驗(yàn)段所在的南疆地區(qū)屬于干旱荒漠性氣候，年最高氣溫可達(dá)41℃，此時(shí)路表溫度超過60℃，最低氣溫可達(dá)-23℃。溫差越大，水穩(wěn)砂礫基層越容易產(chǎn)生拱脹開裂病害。結(jié)合試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)層的溫度檢測(cè)與分析，對(duì)不同長(zhǎng)度道路結(jié)構(gòu)模型的水平膨脹位移、豎向拱脹以及基層內(nèi)部溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)試驗(yàn)路段路面結(jié)構(gòu)層數(shù)據(jù)，建立道路結(jié)構(gòu)仿真分析模型。為了分析不同長(zhǎng)度的道路發(fā)生拱脹的位置、高度以及規(guī)律，分別建立30m、40m、50m、60m以及200m、300m、400m、500m的道路結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析。

受溫度變化的影響，路面結(jié)構(gòu)層會(huì)發(fā)生持續(xù)性的膨脹與收縮。為了貼近實(shí)際情況，選擇拱脹病害所在地連續(xù)7個(gè)月的月極端環(huán)境溫度作為仿真分析的溫度場(chǎng)，模擬道路結(jié)構(gòu)在溫度高低交替變化且逐漸上升的溫度場(chǎng)下的水平膨脹位移與豎向拱脹情況。由溫度關(guān)系式可得1～7月路表及基層內(nèi)部的月極端溫度。

2.1 膨脹位移仿真分析

通過對(duì)不同溫度場(chǎng)下、不同長(zhǎng)度（短距）的道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行膨脹位移模擬發(fā)現(xiàn)：在整個(gè)時(shí)間段，結(jié)構(gòu)層不斷地發(fā)生膨脹與收縮運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，膨脹位移呈現(xiàn)出逐漸累積增大的規(guī)律。在初期，環(huán)境溫度較低，基層的膨脹收縮位移較小。在進(jìn)入4月份，環(huán)境極端高溫達(dá)到30℃以上時(shí)，結(jié)構(gòu)層的膨脹收縮程度加劇，并且環(huán)境溫度越高，其膨脹收縮程度與膨脹位移值越大。

對(duì)于30m、40m、50m、60m結(jié)構(gòu)，單次位移波動(dòng)呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，且最大位移波動(dòng)分別為4mm、8mm、10mm、11mm。由此可知：在同一溫度場(chǎng)下，道路結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)，其位移波動(dòng)越大，且最終膨脹位移值越大。當(dāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度超過200m時(shí)，理論最大膨脹位移將達(dá)到13.5cm。不同長(zhǎng)度道路結(jié)構(gòu)膨脹位移模擬值如圖2、表2所示。

圖2 不同長(zhǎng)度道路結(jié)構(gòu)膨脹位移模擬值

表2 不同長(zhǎng)度道路結(jié)構(gòu)膨脹位移

2.2 豎向拱脹模擬分析

通過對(duì)不同溫度場(chǎng)下、不同長(zhǎng)度（短距）的道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行拱脹模擬發(fā)現(xiàn)：在整個(gè)升溫與降溫不斷重復(fù)的過程中，不同長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)的拱脹均出現(xiàn)上下波動(dòng)的規(guī)律，并且拱脹高度隨著時(shí)間的推移而逐漸累積，在環(huán)境溫度最高時(shí)達(dá)到最大。不同長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)在同一溫度場(chǎng)下的拱脹高度不同，道路結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)，拱脹高度越大。當(dāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度超過200m時(shí)，理論拱脹高度將達(dá)到7.2cm。不同長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)的拱脹情況如圖3、表3所示。

圖3 不同長(zhǎng)度道路結(jié)構(gòu)拱脹模擬值

表3 不同長(zhǎng)度道路結(jié)構(gòu)豎向拱脹

2.3 溫度應(yīng)力分析

對(duì)不同長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)基層的溫度應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)：基層溫度應(yīng)力的變化規(guī)律與膨脹位移和拱脹的變化規(guī)律相似。環(huán)境溫度逐漸升高，溫度應(yīng)力在不斷改變的溫度場(chǎng)下波動(dòng)變化且逐漸累積增大。

在環(huán)境溫度較低時(shí)，瀝青路面結(jié)構(gòu)吸收與釋放的熱量較少，其內(nèi)部溫度應(yīng)力累積較慢。但進(jìn)入4月份，環(huán)境極端高溫達(dá)到30℃以上時(shí)，瀝青路面吸收大量熱能，致使其內(nèi)部溫度應(yīng)力大幅度波動(dòng)且逐漸累積[3]。溫度越高時(shí)，基層內(nèi)溫度應(yīng)力越大。當(dāng)結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)時(shí)，其基層溫度應(yīng)力波動(dòng)有增大的趨勢(shì)。應(yīng)力波動(dòng)越大，基層結(jié)構(gòu)的水平膨脹和豎向拱脹程度愈劇烈。因此說明，道路結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)，其膨脹位移和拱脹高度越大，產(chǎn)生拱脹病害的幾率就越大。

3 拱脹預(yù)防處治措施

3.1 設(shè)置脹縫

由上述分析可知，拱脹開裂是由基層在大溫差環(huán)境下的膨脹收縮所引起，所以采用在基層設(shè)置脹縫的方法可以有效地處治拱脹病害。設(shè)置脹縫的功能如下：

（1）可以直接削減水穩(wěn)砂礫基層長(zhǎng)段落產(chǎn)生的縱向膨脹位移，有效釋放水泥穩(wěn)定砂礫基層的溫度應(yīng)力[4]。

（2）可以將基層板塊分割成一定的長(zhǎng)度，降低熱脹冷縮對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)層的影響，能夠讓每一段長(zhǎng)度區(qū)域在膨脹收縮時(shí)擁有自由的位移空間，足以承受基層板塊的變形，消除結(jié)構(gòu)層變形帶來的危害。

3.2 確定脹縫間距、寬度與填縫料

（1）脹縫間距：通過ANSYS有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)層最容易發(fā)生拱脹的位置處于結(jié)構(gòu)層板塊的中部。通過對(duì)病害的實(shí)地調(diào)查以及基層位移檢測(cè)可知，拱脹的最大間距為400m，最短間距不足50m，基層的相對(duì)位移出現(xiàn)峰值的間距為150～200m，在該距離范圍內(nèi)容易發(fā)生拱脹。故建議在150～200m之間設(shè)置一道脹縫。

（2）脹縫寬度：根據(jù)ANSYS有限元分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)層一端不受約束時(shí)，200m的道路模型隨著溫度升高，自由端會(huì)發(fā)生接近13.3cm的膨脹變形。結(jié)合結(jié)構(gòu)層的錯(cuò)位移動(dòng)，其破壞長(zhǎng)度大約在15～26cm 之間，故建議切縫寬度在15～26cm之間。

（3）填縫料：填縫料需要有足夠的強(qiáng)度、彈性和變形性能。水泥穩(wěn)定基層填縫材料根據(jù)脹縫性能要求，主要包括級(jí)配碎石、瀝青混合料、瀝青碎石等[5]。綜合基層脹縫的性能要求以及基層類型、溫度變化、結(jié)構(gòu)層厚度等因素，最終選用瀝青碎石類填縫材料，這類材料具有較好的彈性以及粘附性，空隙率較好，同時(shí)抗老化性能較好，施工較為簡(jiǎn)單，是基層脹縫的理想材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

南疆地區(qū)夏季高溫酷熱、冬季干燥寒冷的氣候條件是誘發(fā)拱脹病害產(chǎn)生的主要因素。通過對(duì)試驗(yàn)段的實(shí)地調(diào)查與檢測(cè)，以及ANSYS仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）瀝青路面的拱脹開裂由水穩(wěn)砂礫基層的拱脹所引起。

（2）每隔150～200m，基層會(huì)發(fā)生一次較大范圍的膨脹收縮，在此范圍內(nèi)容易發(fā)生拱脹。

（3）溫度與脹縫間距對(duì)膨脹位移和拱脹高度有明顯影響。當(dāng)溫度越高、道路結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)時(shí)，基層溫度應(yīng)力波動(dòng)越大，其膨脹收縮程度越劇烈，膨脹位移和拱脹高度就越大。

（4）建議采用在水穩(wěn)基層設(shè)置脹縫的方式來處置拱脹病害，其中脹縫間距在150～200m之間，脹縫寬度在15～26cm之間，填縫料選擇瀝青碎石類材料。