摘要：通過(guò)介紹瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)分析，包括年溫度變化區(qū)間劃分、溫度場(chǎng)計(jì)算模型及溫度應(yīng)力計(jì)算，深入分析了溫度應(yīng)力影響因素及計(jì)算方法。建立耐久性評(píng)價(jià)模型，依據(jù)所構(gòu)建的模型，對(duì)瀝青路面在極端寒冷氣候中的溫度應(yīng)力耐久性進(jìn)行評(píng)估，并深入分析了路基在遭遇不均勻融沉變形與行車(chē)荷載共同作用下的耐久性表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，高寒氣候?qū)r青路面耐久性有顯著影響，需采取針對(duì)性措施以提升路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命。

關(guān)鍵詞：高速公路；瀝青路面；高寒氣候；耐久性

0" "引言

低溫環(huán)境是高寒地區(qū)最為顯著的氣候特征之一，長(zhǎng)時(shí)間的低溫條件會(huì)導(dǎo)致瀝青路面材料的低溫抗裂性能下降，增加路面開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。特別是在極端寒冷天氣下，瀝青混合料的體積收縮會(huì)加劇，從而引發(fā)裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，嚴(yán)重影響路面的使用壽命和行車(chē)安全[1-2]。為直觀的掌握溫度場(chǎng)變化對(duì)瀝青路面的影響，本文開(kāi)展高速公路瀝青路面在高寒氣候條件下的耐久性研究。

1" "高速公路瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)分析

1.1" "瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)分析

1.1.1" "年溫度變化區(qū)間劃分

基于年溫度變化角度分析，按照溫度變化，可將年溫度狀況劃分為4個(gè)階段。如年溫度變化區(qū)間劃分圖1所示。從圖1可以看出，秋末冬初的快速降溫時(shí)段溫度變化顯著，氣溫逐日下滑，晝夜溫差高達(dá)14℃，尤以11月為甚。進(jìn)入嚴(yán)冬，持續(xù)低溫加劇，溫差縮小但低溫累積，嚴(yán)重影響瀝青混合料應(yīng)力松弛，使前期病害進(jìn)一步發(fā)展[3]。

基于此，將研究重點(diǎn)聚焦于對(duì)路面結(jié)構(gòu)破壞顯著快速降溫期。后續(xù)分析將聚焦于快速降溫時(shí)段，精準(zhǔn)計(jì)算時(shí)溫度場(chǎng)，深入探究溫度應(yīng)力，以期提升瀝青路面在極端氣候下的耐久性[4]。

1.1.2" "瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

瀝青路面的溫度應(yīng)力計(jì)算依托于精確的時(shí)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用小時(shí)為單位，詳細(xì)剖析了非周期性的瞬態(tài)溫度場(chǎng)變化，以明確瀝青面層溫度如何隨氣溫波動(dòng)而變動(dòng)。鑒于外部環(huán)境對(duì)路面直接作用的局限性，對(duì)時(shí)溫度場(chǎng)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，剔除天然地面以下的部分，專(zhuān)注于路基與路面結(jié)構(gòu)的溫度變化分析，以此精準(zhǔn)確定邊界條件，為后續(xù)應(yīng)力分析奠定基礎(chǔ)。瀝青路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)本文研究的重點(diǎn)，建立快速降溫期瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算模型。在此過(guò)程中，依據(jù)熱傳導(dǎo)理論，考慮瀝青路面的材料特性、外界氣溫變化以及路面結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，建立路面熱傳導(dǎo)方程，描述熱量在瀝青路面內(nèi)部傳遞的過(guò)程[5]。其中一維熱傳導(dǎo)方程可表示為下述公式：

式中：?代表偏導(dǎo)數(shù)，t代表溫度，t'代表溫度隨時(shí)間變化的系數(shù)，ε代表熱擴(kuò)散率，x代表沿路面深度的坐標(biāo)。

在模擬開(kāi)始時(shí)，假設(shè)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)處于某一均勻溫度，以此為依據(jù)，設(shè)定如下計(jì)算公式所示的初始條件。

式中：γ代表初始時(shí)刻路面各點(diǎn)的溫度。

路面表面溫度通常與外界氣溫緊密相關(guān)，但會(huì)受到太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等多種因素影響。簡(jiǎn)化模型中，可假設(shè)表面溫度與氣溫之間存在一定的滯后和衰減關(guān)系，則建立如下公式所示瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)模型：

式中：ts代表瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)模型，ta代表路面表面溫度，?t'代表初始時(shí)刻路面表面溫度與氣溫的差值，e代表外界氣溫；μ代表衰減系數(shù)。按照上述公式，即可完成溫度場(chǎng)模型的構(gòu)建。

1.2" "瀝青路面溫度應(yīng)力分析

1.2.1" "瀝青路面溫度應(yīng)力影響因素

瀝青路面溫度應(yīng)力受時(shí)溫度場(chǎng)制約，其外因同溫度場(chǎng)，涉及氣溫、輻射、風(fēng)向風(fēng)速及蒸發(fā)耗熱等因素[6]?；诖?，提取瀝青路面溫度應(yīng)力影響因素圖3所示。

1.2.2" "溫度應(yīng)力計(jì)算

針對(duì)溫縮裂縫的橫向特性，將溫度應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)化為瀝青路面縱剖面模型[7]。其目的在在高效計(jì)算，同時(shí)確保模型準(zhǔn)確反映關(guān)鍵溫度應(yīng)力影響因素，為裂縫預(yù)防與控制提供可靠依據(jù)。瀝青路面縱剖面模型如圖4所示。

在此基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)面層為例，進(jìn)行路面溫度應(yīng)力計(jì)算。在熱彈性力學(xué)中，溫度變化會(huì)引起材料的熱應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力[8]。對(duì)于一維情況，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可以表示為：

式中：φ代表應(yīng)力，z代表材料的彈性模量，σ代表由于溫度變化引起的熱應(yīng)變。

在多層路面結(jié)構(gòu)中，由于各層材料的熱物理性質(zhì)不同，溫度梯度可能導(dǎo)致層間剪應(yīng)力的產(chǎn)生。剪應(yīng)力可以通過(guò)層間位移的微分關(guān)系計(jì)算。計(jì)算公式如下。

式中：?代表層間剪應(yīng)力，g代表層間材料的剪切模量，?u代表層間位移差，?u代表層間距離。

基于彈性力學(xué)原理基礎(chǔ)上，考慮路面橫向和豎向的應(yīng)力，建立平衡方程，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力。計(jì)算公式如下：

式中：φ1代表路面橫向應(yīng)力，φ2代表路面縱向應(yīng)力，φ代表路面溫度梯度，l代表溫度分量。通過(guò)上述方式，完成瀝青路面溫度應(yīng)力的計(jì)算，為后續(xù)路面耐久性評(píng)估打下基礎(chǔ)。

2" "瀝青路面高寒氣候條件下耐久性評(píng)價(jià)

2.1" "建立耐久性評(píng)價(jià)模型

結(jié)合上述構(gòu)建的瀝青路面時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)高寒氣候條件下高速公路瀝青路面耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)。引入木桶原理，將其作為高寒氣候條件下高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)模型。在本研究中，木桶原理被應(yīng)用于評(píng)估高寒環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)的預(yù)期使用壽命。這一模型中，“盛水量”的象征性表達(dá)被轉(zhuǎn)化為量化指標(biāo)，直接對(duì)應(yīng)路面結(jié)構(gòu)在高寒氣候條件下的耐久性。

設(shè)路面結(jié)構(gòu)的整體耐久性（或預(yù)期使用壽命）為D，其由N個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)（即“木板”）共同決定，每個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)或影響程度用Fi（Xi）表示，其中Xi是第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體量值，則可得到下式：

式中：F代表綜合函數(shù)，可根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)具體值和對(duì)耐久性影響的相對(duì)重要性，來(lái)綜合評(píng)估整體耐久性。

假設(shè)各因素間相對(duì)獨(dú)立且影響線性疊加，則可采用加權(quán)求和的形式，具體計(jì)算公式如下：

式中：Wi代表第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，反映了該指標(biāo)對(duì)整體耐久性的相對(duì)重要性。

2.2" "耐久性評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1" "溫度應(yīng)力耐久性分析

利用上述構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型，探討高寒環(huán)境下瀝青路面溫度應(yīng)力的耐久性時(shí)，需關(guān)注快速降溫導(dǎo)致的顯著溫度梯度現(xiàn)象。這種梯度在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成差異變形，尤其是表層收縮受下層約束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大溫縮應(yīng)力。若此應(yīng)力超越瀝青混凝土的抗拉極限，便會(huì)導(dǎo)致面層開(kāi)裂。其中最為常見(jiàn)的是均勻分布的橫向裂縫。

通常橫向裂縫的特征是裂縫間隙較窄且自表面向下發(fā)展，主要由溫度應(yīng)力導(dǎo)致，屬于典型的溫度型裂縫病害。5種不同路面結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力方面的耐久性評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示，其直觀反映了各結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)溫度變化時(shí)的性能。表1定義了5種不同的路面結(jié)構(gòu)組合，每種組合均將瀝青面層作為基礎(chǔ)層，但其余層級(jí)的構(gòu)成有所不同。

ACGR組合由瀝青面層、瀝青碎石層、級(jí)配碎石層以及半剛性基層依次疊加構(gòu)成，全面覆蓋多種材料層，以提供復(fù)雜但穩(wěn)固的路面結(jié)構(gòu)。ACG組合包含瀝青面層、瀝青碎石層及級(jí)配碎石層，省略了半剛性基層，可能適用于特定條件下的簡(jiǎn)化路面需求。ACR組合由瀝青面層、瀝青碎石層直接過(guò)渡至半剛性基層，省略了級(jí)配碎石層，可能在某些設(shè)計(jì)中更注重基層的承載性能。AGR組合由瀝青面層、級(jí)配碎石層及半剛性基層組成，省略了瀝青碎石層，可能在成本或施工便捷性上有特殊考慮。AR為最簡(jiǎn)化的組合，僅包含瀝青面層與半剛性基層，適用于對(duì)路面結(jié)構(gòu)要求不高的場(chǎng)合或?qū)⑵渥鳛閷?duì)比基準(zhǔn)。

表1中“√”代表應(yīng)力強(qiáng)度，“√”數(shù)量越多，則說(shuō)明應(yīng)力越強(qiáng)。上述5種路面結(jié)構(gòu)關(guān)于溫度應(yīng)力的耐久性評(píng)價(jià)，從優(yōu)到劣的順序?yàn)锳GR＞ACG＞AR＞ACGR＞ACR。

2.2.2" " 路基不均勻融沉變形與行車(chē)荷載作用下耐久性分析

高寒條件下，路基面臨不均勻融沉變形與行車(chē)荷載的雙重挑戰(zhàn)，二者削弱了路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。行車(chē)振動(dòng)與沖擊效應(yīng)加劇路基融沉，誘發(fā)裂縫、凹陷等病害，加速了道路老化，使使用壽命進(jìn)一步縮短。在融沉深度保持恒定情況下，對(duì)于不同的路面結(jié)構(gòu)配置，隨著融沉范圍擴(kuò)大，由兩者綜合作用產(chǎn)生的應(yīng)力通常呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

路基融沉與行車(chē)荷載聯(lián)合效應(yīng)下耐久性評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析可知，AR結(jié)構(gòu)在路基融沉與荷載雙重作用下受影響最為顯著，而ACGR結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出最小的敏感度。因此，針對(duì)高寒環(huán)境下的綜合作用耐久性評(píng)估，5中路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型的表現(xiàn)優(yōu)劣排序?yàn)锳CGR＞ACG＞AGR＞ACR＞AR。

3" "結(jié)束語(yǔ)

低溫環(huán)境是高寒地區(qū)最為顯著的氣候特征之一，長(zhǎng)時(shí)間的低溫條件會(huì)導(dǎo)致瀝青路面材料的低溫抗裂性能下降，增加路面開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。為直觀的掌握溫度場(chǎng)變化對(duì)瀝青路面的影響，本文開(kāi)展高速公路瀝青路面在高寒氣候條件下的耐久性研究，得到如下結(jié)論：

優(yōu)化瀝青混合料的配比和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于提升高寒地區(qū)瀝青路面的耐久性。5種路面結(jié)構(gòu)關(guān)于溫度應(yīng)力的耐久性評(píng)價(jià)，從優(yōu)到劣的順序?yàn)锳GR＞ACG＞AR＞ACGR＞ACR。針對(duì)高寒環(huán)境下的綜合作用耐久性評(píng)估，5種路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型的表現(xiàn)優(yōu)劣排序?yàn)锳CGR＞ACG＞AGR＞ACR＞AR。

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