基于不同半刚性基层切缝间距的沥青路面温度应力研究

郭龙

开封市天平路桥工程监理有限公司 河南 开封 475000

摘要：本文针对高寒地区的恶劣气候条件和使用要求，从路面结构方面系统开展高寒地区沥青路面设计方法研究，从理论上提出合理的高寒地区沥青路面结构设计方法，利用有限元软件建立了二维有限元模型，对半刚性基层沥青路面在温度循环作用下的温度应力进行了计算。

关键词：半刚性基层；切缝间距；温度应力；沥青路面

由于受设计理念的束缚以及设计周期的影响，全国各地的高等级公路几乎都是采用半刚性基层沥青路面这一结构形式。虽然半刚性基层具有较高的强度与承载力，且在我国公路建设历史中贡献巨大，但其存在开裂的普遍性、损坏后无法愈合且难以修补等缺陷，这些损坏现象在高寒、高海拔地区更加严重。在充分利用我国半刚性基层材料研究、应用方面所累积的丰富经验基础上，积极开展高寒地区沥青路面结构设计方法及合理结构组合形式的研究具有非常重要的现实意义。

1.确定合理切缝间距所采用的模型

在高寒地区沥青路面基层设置预切缝的目的是使沥青路面在预切缝处出现规则的预反射裂缝，并防止在预切缝之间的沥青路面不出现或少出现裂缝。本文确定高寒地区沥青路面基层预切缝合理间距时所采用的模型假设沥青路面面层已经在预切缝处产生了反射裂缝，且裂缝扩展至路表。对降温幅度为10℃～-20℃路面面层厚度为6cm、9cm、12cm和15cm时不同的切缝间距进行计算。接缝间距分别为12m、14m、16m、18m、20m、22m、24m、26m和28m。

2.面层厚度为0.15m时不同切缝间距的温度应力

以切缝间距为20m为例，当面层厚度为0.15m时沥青路面纵向各点的路表和面层底最大温度应力的分布规律如图1所示。由图1可见，路表最大温度应力在接近预切缝处的温度应力明显小于远离切缝处，温度应力在两预切缝中段达到最大值。这主要是因为预切缝处沥青面层产生预反射裂缝后，释放了面层在路面纵向的约束，这使得接近切缝中心处的沥青面层可以比远离切缝中心处的面层可以相对自由的收缩。

当面层厚度为0.15m时，以切缝间距为12m、20m和28m为例，不同切缝间距时路表最大温度应力如图2所示。当面层厚度为0.15m时，以切缝间距为12m、20m和28m为例，不同切缝间距时面层底最大温度应力如图3所示。由图2和图3可见，在靠近切缝处路表和面层底的最大温度应力均远小于远离切缝处的路表和面层底最大温度应力值，且切缝间距越小远离和靠近切缝中心处最大温度应力值之间的差值越小。由两图中的曲线可见，在靠近切缝中心处的路表和面层底最大温度应力值增加较快。随着距中心处距离的增大，路表和面层底的最大温度应力值增加速度趋缓。

图1 面层厚度为0.15m时最大温度应力沿路面纵向的分布状况

图2 面层厚度为0.15m不同切缝间距的路表最大温度应力

图3 面层厚度为0.15m时不同切缝间距面层底最大温度应力

当面层厚度为0.15m时，不同切缝间距下路表及面层底的最大温度应力如表1所示。

表1 面层厚度为0.15m时不同切缝间距下的路表及面层底最大温度应力

切缝间距（m）	路表最大温度应力（MPa）	面层底最大温度应力（MPa）
12	1.9901	0.1057
14	2.1708	0.1114
16	2.3027	0.1158
18	2.4009	0.1190
20	2.4765	0.1209
22	2.5432	0.1225
24	2.6182	0.1246
26	2.6913	0.1379
28	2.7239	0.1380

由表1可见，就切缝设置的疏密对切缝间路表的最大温度应力影响显著。当切缝间距为12m时其路表最大温度应力为1.9901MPa，当间距达到28m时路表最大温度应力达到2.7239MPa，最大温度应力值增加了30%以上。

3.面层厚度为0.12m时不同切缝间距的温度应力

以切缝间距为20m为例，当面层厚度为0.15m时沥青路面纵向各点的路表和面层底最大温度应力的分布规律如图4所示。

图4 面层厚度为0.12m不同切缝间距的路表最大温度应力

当面层厚度为0.12m时，以切缝间距为12m、20m和28m为例，不同切缝间距时路表最大温度应力如图5所示。当面层厚度为0.12m时，以切缝间距为12m、20m和28m为例，不同切缝间距时面层底最大温度应力如图6所示。

图5 面层厚度为0.15m不同切缝间距的路表最大温度应力

图6 面层厚度为0.12m时不同切缝间距面层底最大温度应力

当面层厚度为0.12m时，不同切缝间距下路表及面层底的最大温度应力如表2所示。

表2 面层厚度为0.12m时不同切缝间距下的路表及面层底最大温度应力

切缝间距（m）	路表最大温度应力（MPa）	面层底最大温度应力（MPa）
12	2.0134	0.1303
14	2.2663	0.1390
16	2.3905	0.1454
18	2.4775	0.1500
20	2.5418	0.1531
22	2.5967	0.1554
24	2.6590	0.1585
26	2.7425	0.1750
28	2.7474	0.1753

4.面层厚度为0.09m时不同切缝间距的温度应力

切缝间距为20m，面层厚度为0.09m时沥青路面纵向各点的路表和面层底最大温度应力的分布规律如图7所示。当面层厚度为0.09m时，以切缝间距为12m、20m和28m为例，不同切缝间距时路表最大温度应力如图8所示。

图7面层厚度为0.09m时最大温度应力沿路面纵向的分布状况

图8 面层厚度为0.09m不同切缝间距的路表最大温度应力

当面层厚度为0.09m时，以切缝间距为12m、20m和28m为例，不同切缝间距时面层底最大温度应力如图9所示。

图9 面层厚度为0.09m时不同切缝间距面层底最大温度应力

当面层厚度为0.09m时，不同切缝间距下路表及面层底的最大温度应力如表3所示。

表3 面层厚度为0.09m时不同切缝间距下的路表及面层底最大温度应力

切缝间距 （m）	路表最大温度应力 （MPa）	面层底最大温度应力 （MPa）
12	2.2556	0.1804
14	2.4077	0.1940
16	2.5148	0.2037
18	2.5886	0.2104
20	2.6404	0.2148
22	2.6827	0.2181
24	2.7313	0.2222
26	2.7907	0.2396
28	2.8226	0.2428

5.面层厚度为0.06m时不同切缝间距的温度应力

切缝间距为20m，面层厚度为0.06m时沥青路面纵向各点的路表和面层底最大温度应力的分布规律如图10所示。

图10 面层厚度为0.06m时最大温度应力沿路面纵向的分布状况

面层厚度为0.06m时，切缝间距为12m、20m和28m，路表最大温度应力如图11所示。面层厚度为0.06m时，切缝间距为12m、20m和28m，面层底最大温度应力如图12所示。

图11 面层厚度为0.06m不同切接缝间距的路表最大温度应力

图12 面层厚度为0.06m时不同切缝间距面层底最大温度应力

当面层厚度为0.06m时，不同切缝间距下路表及面层底的最大温度应力如表4所示。

表4 面层厚度为0.06m时不同切缝间距下的路表及面层底最大温度应力

切缝间距（m）	路表最大温度应力（MPa）	面层底最大温度应力（MPa）
12	2.4565	0.2839
14	2.5848	0.3013
16	2.6710	0.3113
18	2.7273	0.3240
20	2.7643	0.3253
22	2.7925	0.3285
24	2.8251	0.3322
26	2.9107	0.3339
28	2.9103	0.3544

6.沥青路面路表和面层底最大温度应力与切缝间距的关系

以面层厚度为0.09m为例，路表和面层底最大温度应力与切缝间距之间的关系分别如图13和图14所示。

图13 沥青面层厚度为0.09m时不同切缝间距的路表最大温度应力

图14 沥青面层厚度为0.09m时不同切缝间距的面层底最大温度应力

7.结论

沥青面层厚度对面层层底最大温度应力的影响要大于其对路表温度应力的影响，所以设置合理的沥青面层厚度可以减小半刚性基层顶面温度应力，从而防止半刚性基层温缩裂缝的产生。沥青路面路表和面层底的最大温度应力均随着沥青混合料的温缩系数、沥青面层模量和日温差的增大而增大，但路表的最大温度应力随着这三个参数的变化更加明显。