拱脹

在20世紀末至21世紀初期間，我國多數新建公路以水泥混凝土路面為主。水泥混凝土路面的設計理論與方法，尤其是基於彈性地基理論的水泥板內荷載和溫度應力的分析理論和方法已經較為完善，並體相關設計規範、手冊中。考慮到高溫條件下可能產生的熱脹，設計規範和工程實踐中都要求在水泥混凝土路面中預留接縫，其基層也多數配套設置了接縫。

在我國公路交通建設大發展以來，新建等級公路（尤其是高速公路）的路面鋪裝多數改用瀝青混凝土，並較少在瀝青路面基層中設置專門的脹縫。然而，瀝青混凝土路面拱脹病害也逐漸見於報端。路面拱脹發生的原因主要有熱膨脹及路面材料因自身或外部因素產生物理、化學反應導致的體積膨脹，隨著水泥穩定類粒料基層的廣泛使用，前者較為多見。

內蒙古自治區西部某在建高速公路項目屬於國家高速公路 G7京新高速的重要組成部分。這條高速公路在西北廣袤的沙漠、戈壁無人區中綿延上千公里，拉通了北京西出呼和浩特至新疆維吾爾自治區烏魯木齊的大通道。這條公路沿線自然環境條件極為惡劣，多年乾旱少雨，除零星綠洲外，地表缺乏水源及植被覆蓋。當地夏季地表溫度可達70 ，年蒸發量超過3000mm。可謂“千山鳥飛絕，萬徑人蹤滅”的真實寫照。

在該項目路面下面層施工過程中，個別路段出現了水泥穩定碎石基層攤鋪后出現拱脹的情況，且其發生頻率和拱脹程度同附近已建成的瀝青混凝土鋪裝公路類似，因此引起了建設單位、設計單位及施工、監理等各參建單位的警惕和重視。

經建設單位聯合設計單位、施工單位、監理單位對現場實地踏勘和持續檢測的結果來看，拱脹多發生在基層施工完畢並開始了下面層施工的路段，間距不固定。拱脹發生時，基層破壞較為劇烈，有顯著拱起變形和較大聲響。拱起高度自數厘米到十數厘米左右。部分路段發生拱脹破壞時，現場施工人員測量了破壞處基層水穩材料的溫度，均超過60 ，感覺燙手。

該段公路自然區劃為2區（綠洲－荒漠區），氣候分區為1－2－4區（夏炎熱冬寒冷，乾旱區）。主線路面結構層總厚度為70cm，其中，上面層：4cm中粒式改性瀝青混凝土 AC－16C；中面層：5cm中粒式改性瀝青混凝土 AC－20C；下面層：7cm密級配粗粒式瀝青混凝土 AC－25C；基層：18cm水泥穩定碎石（高水泥劑量）；底基層：36cm水泥穩定碎石（低水泥劑量）；基層拱脹發生在分離式路基路段，路基寬度13．25m路面寬度11．75m基層寬度12．33m受到氣候和地形條件限制，沿線橋樑構造物較少，連續路面長度可達10～20km。對該項目路面拱脹病害發生時的情況可歸納如下。

（1）拱脹均發生在高劑量水泥穩定碎石基層中，且多數位於缺少橋樑構造物的戈壁、荒漠路段。

（2）路面基層多數在上一年10月中旬前施工完成。當年10月份平均高溫17 、平均低溫4 、極端高溫26 （10月5日）、極端低溫－4（10月25日）。

（3）在來年4月初隨春季氣溫回升，局部路段開始發生拱脹破壞。根據氣象記錄，現場天氣良好，日照充分，無明顯降雨過程。當地4月平均高溫21 、平均低溫8 、極端高溫33 （4月28日）、極端低溫1 （4月16日）。在午後溫度時，施工現場地面溫度可達40～50

（4）拱脹破壞多數發生在下面層施工后不久，並在面層施工完畢後有進一步發展。

（5）拱脹破壞劇烈，基層水泥穩定碎石材料一般拱起高度接近10cm，且伴隨較大聲響。

由此可見，拱脹發生的原因必然是高溫帶來的水泥穩定碎石集料內高溫度應力的釋放。由於該項目所在地冬季嚴寒、夏季酷熱、晝夜溫差大，在秋冬鋪築的高劑量水泥穩定碎石隨著春季氣溫的逐漸升高和平均日照時間延長而積累了較大的溫度應力。

根據計算結果，可知內蒙古自治區西部某在建高速公路項目施工過程中出現的基層拱脹的主要原因如下。

（1）鋪築期和春季乃至夏季的溫差較大，在基層內部逐漸積累了較顯著的溫度疲勞應力。

（2）途經乾旱高熱的戈壁平原地帶時，高速公路沿線橋樑構造物較少，連續路面段落長度較大，導致這些路段內的基層難以通過形變來釋放內部積累的溫度應力。

（3）基層內溫度應力達到一定程度時，將產生一定程度的翹曲並改變層內應力分佈，由於水泥穩定碎

石材料的抗彎拉強度較小，翹曲將導致沿路線方向上的板中部拱起破壞，形成拱脹病害。

（4）在路面瀝青面層攤鋪時，剛碾壓完畢的瀝青混合料溫度超過120 ，是基層拱脹發生的直接誘因之一。

（5）進入夏季后，乾旱高熱天氣將進一步促進拱脹的發生和發展，極大影響路面施工質量。

建議在基層中按一定間距設置脹縫。脹縫應按寬槽式樣切透基層，並放置一段時間，讓基層內積累的溫度應力得到釋放。隨後，以耐熱彈性材料（如瀝青碎石集料等）填塞寬槽，再進行路面瀝青混凝土攤鋪。為避免材料物性差異導致的反射裂縫，可在接縫處設置土工織物。

我國大部分高速公路採用的路面結構是半剛性基層瀝青路面。這種路面結構形式下環境溫度的變化可能會引起半剛性基層出現膨脹、起拱或收縮、開裂等現象。在冬季施工的半剛性基層到了次年的夏季由於溫差很大，尤其容易出現拱脹現象，造成瀝青混凝土路面早期局部損壞, 影響行車的舒適和安全。為此 ,也有人提出半剛性基層設置脹縫的設想。是否一定要通過設置脹縫來解決半剛性基層拱脹問題 ? 如何減小或避免半剛性基層發生拱脹? 針對這些問題 , 本文運用材料力學和彈性力學原理 ,對半剛性基層拱脹發生的條件和狀態進行了分析 , 便於基層材料設計和施工控制。

1.1 溫差引起的溫度應力分析

半剛性基層長度一般遠遠大於基層本身厚度和路面寬度，因此在進行力學分析時將一定路段長度的半剛性基層看作兩端固定的桿件來看。該計算模型為超靜定結構 , 存在多餘約束, 桿件的溫度發生變化時, 桿件將會由於變形受到約束而產生溫度應力。為了簡化計算 ,只考慮溫度在基層內部均勻變化, 計算水平方向的溫脹應力。將半剛性基層材料當作一種溫度線彈性體 ,由於溫度變化產生的溫度應力為 :σt =αtE t , (1)式中 , αt為線膨脹係數 ;Δt 為溫度變化值 ;E 為材料的彈性模量。

1.2 壓桿失穩的臨界荷載計算

取一定長度的半剛性基層將其簡化為兩端固定的受壓桿件。溫度增高時在半剛性基層內部產生的壓應力等效為在外力 F 作用下的壓應力。如果溫度壓力大於壓桿的臨界荷載, 半剛性基層就會發生拱脹。

1.3

分析計算舉例

某一高速公路典型結構, 取其基層計算長度或設置脹縫的間距為 200 m 。基層厚25 cm , 寬 14 m (4 車道, 半幅), 為水泥穩定砂礫 (碎石), 其抗壓模量 E為1 500 MPa , 其劈裂強度為 0.4 ～ 0.6 MPa , 抗壓強度為 5.6 MPa , 線膨脹係數即溫度脹縮係數 αt=37.52×10-6 ℃。假定冬季施工溫度為 5 ℃,第 2 年夏季溫度為40 ℃。首先判斷壓桿類型:λ1 =μl h =400 , 此時 φ=0.19 (由於 λ1 >50 時 《公路橋規》 附表中 φ值未給出, 此處按 λ1=50 時計算)。則臨界應力為:σcr =1.07 MPa 。而溫度應力為:σt =αtE t =2.251 2 MPa 。σt>σcr , 所以必定會失穩, 又因 σt 小於半剛性基層材料的極限抗壓強度 , 所以會產生拱脹而不會發生強度破壞。

半剛性基層在溫度變化時不會發拱脹的條件是溫度應力小於基層失穩的臨界荷載。溫度應力大小主要取決於基層本身的物理性質：材料的膨脹係數αt、材料的回彈模量E 以及環境溫度變化引起半剛性基層內部的溫差t 。下面分析各個影響因素變化下溫度應力的變化情況。根據施工實踐, 相關參數的取值範圍為：膨脹係數5×10～10×10℃, 回彈模量1 000 ～3 000 MPa ,溫差10 ～40 ℃。

可見溫度應力值隨著αt、E、t的增加而增加。假如取薄板的臨界荷載2.41 MPa 作為溫度應力的極限值, 當溫差在10℃以內時, αt和E只要在上述正常取值範圍內, 半剛性基層就不會發生拱脹。但是, 隨著溫差的增大, 要採用較小的αt或E拱脹才不會產生。工程實踐中有的施工單位在第1 年的冬季進行半剛性基層的施工, 基層本身溫度是5℃甚至在0 ℃附近，而在次年的夏季基層溫度可達到40℃甚至更高, 溫差很大, 極易產生拱脹問題。所以應該避免在冬季進行半剛性基層的施工。回彈模量值對溫度應力的影響比較大。雖然回彈模量增加的同時, 溫度

量增加同樣程度時, 溫度應力增加值比較大, 因此，在滿足強度要求的範圍內, 半剛性基層材料的模量值越小拱脹發生的機率就越小。由圖7 中可以看出，即使溫差達到40 ℃,如果模量值比較小，那麼即使膨脹係數很大, 溫度應力依然小於臨界荷載。有的施工單位為了追求基層的高強度擅自加大水泥用量, 造成基層強度過高, 基層模量過大, 這種情況下很容易產生半剛性基層的拱脹病害。通過分析可知, 一般情況下基層模量值在1 500 MPa 內時基本不會發生拱脹。

材料的膨脹係數對溫度應力的影響非常大。即使基層模量值達到3 000 MPa ,溫差達到40 ℃,只要材料的膨脹係數控制在20 ×10℃以內, 溫度應力就不會大於臨界荷載。可以說, 材料的膨脹係數是降低溫度應力的關鍵因素。研究表明, 骨架密實結構的基層混合料膨脹係數比較小, 在10× 10℃左右。因此，採用骨架密實結構混合料對減少基層的拱脹具有很重要的作用。

通過分析計算, 可以得出以下結論:

(1)可以用材料力學中的壓桿失穩理論和彈性力學中的薄板壓曲理論簡便地分析半剛性基層是否發生拱脹, 或作為脹縫間距設計的依據。

(2)對半剛性基層拱脹現象的力學分析表明, 用壓桿失穩理論和薄板壓曲理論進行分析, 計算結果是一致的, 但是用壓桿失穩理論分析偏安全, 並且計算過程簡單, 一般情況下可以選擇該方法。

(3)在實際施工實踐中, 為了防止半剛性基層發生拱脹, 應該避免半剛性基層在冬季施工, 以盡量減小整個施工過程中的溫差來減小溫度變化過程中在半剛性基層內部產生的溫度應力。

(4)施工單位不能過分追求高強度而增加水泥劑量, 這樣容易導致基層材料的回彈模量值過高, 容易出現裂縫, 一般盡量使模量值控制在1 500 MPa內。

(5)半剛性基層材料的膨脹係數控制在20× 10℃以內時，一般能保證不會發生拱脹現象，應該盡量採用膨脹係數較小的骨架密實型結構的基層混合料, 以減少材料溫度變化下的膨脹量。