沥青路面拱胀开裂仿真分析及处治措施

唐林玲

（重庆交通大学经济与管理学院，重庆 400074）

0 引言

在新疆南部地区，由于当地特殊的气候条件，以水泥稳定砂砾混合料为基层的沥青路面，在道路建成通车后不久，便发生了路面的拱胀开裂。这些拱胀横向贯穿路面且间隔分布。拱胀高度最大超过10cm，拱胀间距最短不足50m。目前拱胀开裂病害已经严重危及到这些道路的路用性能和交通安全。本文依托项目，对沥青路面拱胀开裂进行仿真分析，并对该地区的水泥稳定砂砾基层沥青路面拱胀病害的预防和处治提出建议。

1 拱胀开裂病害路段温度与位移检测

1.1 结构层温度检测与分析

本文依托项目位于南疆地区的墨和高速公路，自2016年建成通车以来，先后出现了不同程度的拱胀病害。从2020年2月～2020年7月，该时间段为该年温度上升阶段，对依托项目对试验段进行连续六个月的温度检测，该试验段长700m，每50m作一个检测断面，每个月检测两次，得到试验段路面结构层每个月的平均环境温度和路面结构层温度，如表1所示。

表1 环境温度与路表、基层温度数值（高温） (单位：℃)

由表1可知，路面温度随气温变化明显。在高温环境下，路表温度以及基层各部分的温度远高于环境温度，其中路面温度最高，基层温度由上到下递减。

在南疆沙漠戈壁区夏季高温酷热的环境下，沥青面层会吸收大量热能传递到水稳砂砾基层。当外界温度降低时，路面内部的热量不能及时释放，便会有温度应力的累积。在吸收与释放热量的循环过程中，基层会持续性的膨胀与收缩。随着时间的发展，当基层累积的温度应力无法释放且超过材料抗压强度时[1]，就会在薄弱位置产生错位移动。随着基层膨胀变形量的增大，其错位移动会持续进行，最终导致基层向上拱起。

1.2 结构层位移检测与分析

水泥稳定砂砾基层在环境温度的变化下极易发生热胀冷缩运动。为了研究水稳砂砾基层在环境温度变化下的胀缩运动规律，分析试验段水稳基层的膨胀与收缩位移情况。本次位移检测时间从2021年1月～2021年7月，该时间段为环境温度逐渐上升的阶段，路表温度区间为：-2～56℃。试验路段始于结构物一端，位移检测基点设于结构物上，每隔50m在基层上设置一个位移测点。

对各个测点进行位移检测，得到路表温度与基层相对位移关系，如图1所示。对图1进行分析发现：

图1 基层相对位移与路表温度关系图

（1）当路表温度处于零下时，各位移测点的相对位移值均为负，表明此时基层沿着基点方向整体收缩。但随着路表温度的逐渐上升，各测点的相对位移值转为正数，基层从最开始的收缩状态转变为逐渐膨胀状态；

（2）当路表温度在39～46℃之间时，由于水稳砂砾基层的膨胀系数较大[2]，故各位移测点的膨胀值达到最大，随后有小幅度的降低；

（3）随着试验路段桩号的增加，膨胀位移有增大的趋势。

同时由图1可知：在700m长的试验路段中，相对位移出现了四次峰值，其中高峰值位于桩号150m、300m、450m、600m处；低峰值位于桩号200m、350m、500m、650m处。相邻高峰值之间和相邻低峰值之间均隔150m左右，并且相邻高低峰的距离为50m左右。结合拱胀病害的实地调查，分析认为这是因为基层长度在150～200m内时，会发生一次较大的膨胀与收缩。即在该长度范围内，基层容易因为较大的膨胀收缩位移而在薄弱位置产生拱胀破坏。

2 水稳砂砾基层沥青路面拱胀开裂仿真分析

试验段所在的南疆地区属于干旱荒漠性气候，年最高气温可达41℃，此时路表温度超过60℃，最低气温可达-23℃。温差越大，水稳砂砾基层越容易产生拱胀开裂病害。结合试验路段结构层的温度检测与分析，对不同长度道路结构模型的水平膨胀位移、竖向拱胀以及基层内部温度应力进行仿真分析。

根据试验路段路面结构层数据，建立道路结构仿真分析模型。为了分析不同长度的道路发生拱胀的位置、高度以及规律，分别建立30m、40m、50m、60m以及200m、300m、400m、500m的道路结构模型进行对比分析。

受温度变化的影响，路面结构层会发生持续性的膨胀与收缩。为了贴近实际情况，选择拱胀病害所在地连续7个月的月极端环境温度作为仿真分析的温度场，模拟道路结构在温度高低交替变化且逐渐上升的温度场下的水平膨胀位移与竖向拱胀情况。由温度关系式可得1～7月路表及基层内部的月极端温度。

2.1 膨胀位移仿真分析

通过对不同温度场下、不同长度（短距）的道路结构进行膨胀位移模拟发现：在整个时间段，结构层不断地发生膨胀与收缩运动，随着时间的推移，膨胀位移呈现出逐渐累积增大的规律。在初期，环境温度较低，基层的膨胀收缩位移较小。在进入4月份，环境极端高温达到30℃以上时，结构层的膨胀收缩程度加剧，并且环境温度越高，其膨胀收缩程度与膨胀位移值越大。

对于30m、40m、50m、60m结构，单次位移波动呈现递增的规律，且最大位移波动分别为4mm、8mm、10mm、11mm。由此可知：在同一温度场下，道路结构越长，其位移波动越大，且最终膨胀位移值越大。当结构长度超过200m时，理论最大膨胀位移将达到13.5cm。不同长度道路结构膨胀位移模拟值如图2、表2所示。

图2 不同长度道路结构膨胀位移模拟值

表2 不同长度道路结构膨胀位移

2.2 竖向拱胀模拟分析

通过对不同温度场下、不同长度（短距）的道路结构进行拱胀模拟发现：在整个升温与降温不断重复的过程中，不同长度结构的拱胀均出现上下波动的规律，并且拱胀高度随着时间的推移而逐渐累积，在环境温度最高时达到最大。不同长度结构在同一温度场下的拱胀高度不同，道路结构越长，拱胀高度越大。当结构长度超过200m时，理论拱胀高度将达到7.2cm。不同长度结构的拱胀情况如图3、表3所示。

图3 不同长度道路结构拱胀模拟值

表3 不同长度道路结构竖向拱胀

2.3 温度应力分析

对不同长度结构基层的温度应力分析发现：基层温度应力的变化规律与膨胀位移和拱胀的变化规律相似。环境温度逐渐升高，温度应力在不断改变的温度场下波动变化且逐渐累积增大。

在环境温度较低时，沥青路面结构吸收与释放的热量较少，其内部温度应力累积较慢。但进入4月份，环境极端高温达到30℃以上时，沥青路面吸收大量热能，致使其内部温度应力大幅度波动且逐渐累积[3]。温度越高时，基层内温度应力越大。当结构越长时，其基层温度应力波动有增大的趋势。应力波动越大，基层结构的水平膨胀和竖向拱胀程度愈剧烈。因此说明，道路结构越长，其膨胀位移和拱胀高度越大，产生拱胀病害的几率就越大。

3 拱胀预防处治措施

3.1 设置胀缝

由上述分析可知，拱胀开裂是由基层在大温差环境下的膨胀收缩所引起，所以采用在基层设置胀缝的方法可以有效地处治拱胀病害。设置胀缝的功能如下：

（1）可以直接削减水稳砂砾基层长段落产生的纵向膨胀位移，有效释放水泥稳定砂砾基层的温度应力[4]。

（2）可以将基层板块分割成一定的长度，降低热胀冷缩对整个结构层的影响，能够让每一段长度区域在膨胀收缩时拥有自由的位移空间，足以承受基层板块的变形，消除结构层变形带来的危害。

3.2 确定胀缝间距、宽度与填缝料

（1）胀缝间距：通过ANSYS有限元模拟分析发现，结构层最容易发生拱胀的位置处于结构层板块的中部。通过对病害的实地调查以及基层位移检测可知，拱胀的最大间距为400m，最短间距不足50m，基层的相对位移出现峰值的间距为150～200m，在该距离范围内容易发生拱胀。故建议在150～200m之间设置一道胀缝。

（2）胀缝宽度：根据ANSYS有限元分析数据可知，当结构层一端不受约束时，200m的道路模型随着温度升高，自由端会发生接近13.3cm的膨胀变形。结合结构层的错位移动，其破坏长度大约在15～26cm 之间，故建议切缝宽度在15～26cm之间。

（3）填缝料：填缝料需要有足够的强度、弹性和变形性能。水泥稳定基层填缝材料根据胀缝性能要求，主要包括级配碎石、沥青混合料、沥青碎石等[5]。综合基层胀缝的性能要求以及基层类型、温度变化、结构层厚度等因素，最终选用沥青碎石类填缝材料，这类材料具有较好的弹性以及粘附性，空隙率较好，同时抗老化性能较好，施工较为简单，是基层胀缝的理想材料。

4 结束语

南疆地区夏季高温酷热、冬季干燥寒冷的气候条件是诱发拱胀病害产生的主要因素。通过对试验段的实地调查与检测，以及ANSYS仿真分析，得到以下结论：

（1）沥青路面的拱胀开裂由水稳砂砾基层的拱胀所引起。

（2）每隔150～200m，基层会发生一次较大范围的膨胀收缩，在此范围内容易发生拱胀。

（3）温度与胀缝间距对膨胀位移和拱胀高度有明显影响。当温度越高、道路结构越长时，基层温度应力波动越大，其膨胀收缩程度越剧烈，膨胀位移和拱胀高度就越大。

（4）建议采用在水稳基层设置胀缝的方式来处置拱胀病害，其中胀缝间距在150～200m之间，胀缝宽度在15～26cm之间，填缝料选择沥青碎石类材料。