在20世纪末至21世纪初期间，我国多数新建公路以水泥混凝土路面为主。水泥混凝土路面的设计理论与方法，尤其是基于弹性地基理论的水泥板内荷载和温度应力的分析理论和方法已经较为完善，并体相关设计规範、手册中。考虑到高温条件下可能产生的热胀，设计规範和工程实践中都要求在水泥混凝土路面中预留接缝，其基层也多数配套设定了接缝。

在我国公路交通建设大发展以来，新建等级公路（尤其是高速公路）的路面铺装多数改用沥青混凝土，并较少在沥青路面基层中设定专门的胀缝。然而，沥青混凝土路面拱胀病害也逐渐见于报端。路面拱胀发生的原因主要有热膨胀及路面材料因自身或外部因素产生物理、化学反应导致的体积膨胀，随着水泥稳定类粒料基层的广泛使用，前者较为多见。

内蒙古自治区西部某在建高速公路项目属于国家高速公路 G7京新高速的重要组成部分。这条高速公路在西北广袤的沙漠、戈壁无人区中绵延上千公里，拉通了北京西出呼和浩特至新疆维吾尔自治区乌鲁木齐的大通道。这条公路沿线自然环境条件极为恶劣，多年乾旱少雨，除零星绿洲外，地表缺乏水源及植被覆盖。当地夏季地表温度可达70 ，年蒸发量超过3000mm。可谓“千山鸟飞绝，万径人蹤灭”的真实写照。

在该项目路面下面层施工过程中，个别路段出现了水泥稳定碎石基层摊铺后出现拱胀的情况，且其发生频率和拱胀程度同附近已建成的沥青混凝土铺装公路类似，因此引起了建设单位、设计单位及施工、监理等各参建单位的警惕和重视。

经建设单位联合设计单位、施工单位、监理单位对现场实地踏勘和持续检测的结果来看，拱胀多发生在基层施工完毕并开始了下面层施工的路段，间距不固定。拱胀发生时，基层破坏较为剧烈，有显着拱起变形和较大声响。拱起高度自数厘米到十数厘米左右。部分路段发生拱胀破坏时，现场施工人员测量了破坏处基层水稳材料的温度，均超过60 ，感觉烫手。

该段公路自然区划为2区（绿洲－荒漠区），气候分区为1－2－4区（夏炎热冬寒冷，乾旱区）。主线路面结构层总厚度为70cm，其中，上面层：4cm中粒式改性沥青混凝土 AC－16C；中面层：5cm中粒式改性沥青混凝土 AC－20C；下面层：7cm密级配粗粒式沥青混凝土 AC－25C；基层：18cm水泥稳定碎石（高水泥剂量）；底基层：36cm水泥稳定碎石（低水泥剂量）；基层拱胀发生在分离式路基路段，路基宽度13．25m路面宽度11．75m基层宽度12．33m受到气候和地形条件限制，沿线桥樑构造物较少，连续路面长度可达10～20km。对该项目路面拱胀病害发生时的情况可归纳如下。

（1）拱胀均发生在高剂量水泥稳定碎石基层中，且多数位于缺少桥樑构造物的戈壁、荒漠路段。

（2）路面基层多数在上一年10月中旬前施工完成。当年10月份平均高温17 、平均低温4 、极端高温26 （10月5日）、极端低温－4（10月25日）。

（3）在来年4月初随春季气温回升，局部路段开始发生拱胀破坏。根据气象记录，现场天气良好，日照充分，无明显降雨过程。当地4月平均高温21 、平均低温8 、极端高温33 （4月28日）、极端低温1 （4月16日）。在午后温度时，施工现场地面温度可达40～50

（4）拱胀破坏多数发生在下面层施工后不久，并在面层施工完毕后有进一步发展。

（5）拱胀破坏剧烈，基层水泥稳定碎石材料一般拱起高度接近10cm，且伴随较大声响。

由此可见，拱胀发生的原因必然是高温带来的水泥稳定碎石集料内高温度应力的释放。由于该项目所在地冬季严寒、夏季酷热、昼夜温差大，在秋冬铺筑的高剂量水泥稳定碎石随着春季气温的逐渐升高和平均日照时间延长而积累了较大的温度应力。

根据计算结果，可知内蒙古自治区西部某在建高速公路项目施工过程中出现的基层拱胀的主要原因如下。

（1）铺筑期和春季乃至夏季的温差较大，在基层内部逐渐积累了较显着的温度疲劳应力。

（2）途经乾旱高热的戈壁平原地带时，高速公路沿线桥樑构造物较少，连续路面段落长度较大，导致这些路段内的基层难以通过形变来释放内部积累的温度应力。

（3）基层内温度应力达到一定程度时，将产生一定程度的翘曲并改变层内应力分布，由于水泥稳定碎

石材料的抗弯拉强度较小，翘曲将导致沿路线方向上的板中部拱起破坏，形成拱胀病害。

（4）在路面沥青面层摊铺时，刚碾压完毕的沥青混合料温度超过120 ，是基层拱胀发生的直接诱因之一。

（5）进入夏季后，乾旱高热天气将进一步促进拱胀的发生和发展，极大影响路面施工质量。

建议在基层中按一定间距设定胀缝。胀缝应按宽槽式样切透基层，并放置一段时间，让基层内积累的温度应力得到释放。随后，以耐热弹性材料（如沥青碎石集料等）填塞宽槽，再进行路面沥青混凝土摊铺。为避免材料物性差异导致的反射裂缝，可在接缝处设定土工织物。

我国大部分高速公路採用的路面结构是半刚性基层沥青路面。这种路面结构形式下环境温度的变化可能会引起半刚性基层出现膨胀、起拱或收缩、开裂等现象。在冬季施工的半刚性基层到了次年的夏季由于温差很大,尤其容易出现拱胀现象,造成沥青混凝土路面早期局部损坏, 影响行车的舒适和安全。为此 ,也有人提出半刚性基层设定胀缝的构想。是否一定要通过设定胀缝来解决半刚性基层拱胀问题 ? 如何减小或避免半刚性基层发生拱胀? 针对这些问题 , 本文运用材料力学和弹性力学原理 ,对半刚性基层拱胀发生的条件和状态进行了分析 , 便于基层材料设计和施工控制。

1.1 温差引起的温度应力分析

半刚性基层长度一般远远大于基层本身厚度和路面宽度,因此在进行力学分析时将一定路段长度的半刚性基层看作两端固定的桿件来看。该计算模型为超静定结构 , 存在多余约束, 桿件的温度发生变化时, 桿件将会由于变形受到约束而产生温度应力 。为了简化计算 ,只考虑温度在基层内部均匀变化, 计算水平方向的温胀应力。将半刚性基层材料当作一种温度线弹性体 ,由于温度变化产生的温度应力为 :σt =αtE t , (1)式中 , αt为线膨胀係数 ;Δt 为温度变化值 ;E 为材料的弹性模量。

1.2 压桿失稳的临界荷载计算

取一定长度的半刚性基层将其简化为两端固定的受压桿件。温度增高时在半刚性基层内部产生的压应力等效为在外力 F 作用下的压应力 。如果温度压力大于压桿的临界荷载, 半刚性基层就会发生拱胀。

1.3

分析计算举例

某一高速公路典型结构, 取其基层计算长度或设定胀缝的间距为 200 m 。基层厚25 cm , 宽 14 m (4 车道, 半幅), 为水泥稳定砂砾 (碎石), 其抗压模量 E为1 500 MPa , 其劈裂强度为 0.4 ～ 0.6 MPa , 抗压强度为 5.6 MPa , 线膨胀係数即温度胀缩係数 αt=37.52×10-6 ℃。假定冬季施工温度为 5 ℃,第 2 年夏季温度为40 ℃。首先判断压桿类型:λ1 =μl h =400 , 此时 φ=0.19 (由于 λ1 >50 时 《公路桥规》 附表中 φ值未给出, 此处按 λ1=50 时计算)。则临界应力为:σcr =1.07 MPa 。而温度应力为:σt =αtE t =2.251 2 MPa 。σt>σcr , 所以必定会失稳, 又因 σt 小于半刚性基层材料的极限抗压强度 , 所以会产生拱胀而不会发生强度破坏。

半刚性基层在温度变化时不会发拱胀的条件是温度应力小于基层失稳的临界荷载。温度应力大小主要取决于基层本身的物理性质:材料的膨胀係数αt、材料的回弹模量E 以及环境温度变化引起半刚性基层内部的温差t 。下面分析各个影响因素变化下温度应力的变化情况。根据施工实践, 相关参数的取值範围为:膨胀係数5×10～10×10℃, 回弹模量1 000 ～3 000 MPa ,温差10 ～40 ℃。

可见温度应力值随着αt、E、t的增加而增加。假如取薄板的临界荷载2.41 MPa 作为温度应力的极限值, 当温差在10℃以内时, αt和E只要在上述正常取值範围内, 半刚性基层就不会发生拱胀。但是, 随着温差的增大, 要採用较小的αt或E拱胀才不会产生。工程实践中有的施工单位在第1 年的冬季进行半刚性基层的施工, 基层本身温度是5℃甚至在0 ℃附近,而在次年的夏季基层温度可达到40℃甚至更高, 温差很大, 极易产生拱胀问题。所以应该避免在冬季进行半刚性基层的施工。回弹模量值对温度应力的影响比较大。虽然回弹模量增加的同时, 温度

量增加同样程度时, 温度应力增加值比较大, 因此,在满足强度要求的範围内, 半刚性基层材料的模量值越小拱胀发生的机率就越小。由图7 中可以看出,即使温差达到40 ℃,如果模量值比较小,那幺即使膨胀係数很大, 温度应力依然小于临界荷载。有的施工单位为了追求基层的高强度擅自加大水泥用量, 造成基层强度过高, 基层模量过大, 这种情况下很容易产生半刚性基层的拱胀病害。通过分析可知, 一般情况下基层模量值在1 500 MPa 内时基本不会发生拱胀。

材料的膨胀係数对温度应力的影响非常大。 即使基层模量值达到3 000 MPa ,温差达到40 ℃,只要材料的膨胀係数控制在20 ×10℃以内, 温度应力就不会大于临界荷载。可以说, 材料的膨胀係数是降低温度应力的关键因素。研究表明, 骨架密实结构的基层混合料膨胀係数比较小, 在10× 10℃左右。因此,採用骨架密实结构混合料对减少基层的拱胀具有很重要的作用。

通过分析计算, 可以得出以下结论:

(1)可以用材料力学中的压桿失稳理论和弹性力学中的薄板压曲理论简便地分析半刚性基层是否发生拱胀, 或作为胀缝间距设计的依据。

(2)对半刚性基层拱胀现象的力学分析表明, 用压桿失稳理论和薄板压曲理论进行分析, 计算结果是一致的, 但是用压桿失稳理论分析偏安全, 并且计算过程简单, 一般情况下可以选择该方法。

(3)在实际施工实践中, 为了防止半刚性基层发生拱胀, 应该避免半刚性基层在冬季施工, 以儘量减小整个施工过程中的温差来减小温度变化过程中在半刚性基层内部产生的温度应力。

(4)施工单位不能过分追求高强度而增加水泥剂量, 这样容易导致基层材料的回弹模量值过高, 容易出现裂缝, 一般儘量使模量值控制在1 500 MPa内。

(5)半刚性基层材料的膨胀係数控制在20× 10℃以内时,一般能保证不会发生拱胀现象,应该儘量採用膨胀係数较小的骨架密实型结构的基层混合料, 以减少材料温度变化下的膨胀量。