公路改扩建拼接路基温度应力与变形计算方法

为进一步提高高速公路拼接路基设计的精度和效率，首先提出基于层状结构体系的非均匀温变温度应力计算模型，并引入等效温度梯度公式对其进行简化；然后采用非均匀温变温度应力计算模型分析连霍高速(G30)新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程标准断面5种工况的温度应力与拼接路基变形。结果表明：非均匀温变温度应力主要影响路基的侧向变形，所以在年温差较大地区的改扩建设计中，拼接路基承受的温度应力不可忽略。

随着中国经济的快速发展和交通量的持续增长，早期建设的高速公路通行能力、服务水平、运营安全等Et趋显现不足，越来越多的地区存在着高速公路改扩建的强烈需求，因此高速公路改扩建将是今后中国公路建设的重要任务之一口屯3。在高速公路改扩建项目中，路基拼接施工是关系到改扩建项目工程质量和服务水平的控制性工程之一，尤其是在年温差较大地区的拼接路基施工中，新旧路堤填料在级配、含水率、强度、温度膨胀系数等方面均存在较大差异，这些差异导致了新旧路基在自重应力、行车荷载和温度应力等的长期作用下产生不均匀变形，施工完成后路基拼接处易产生裂缝、沉陷等病害，最终导致改扩建项目路基、路面早期损坏。公路拼接路基变形分析是现阶段高速公路改扩建研究的重要方向，也是高速公路改扩建项目必须重点解决的关键控制性技术之一。
公路拼接路基除承受自重应力和行车荷载外，还承受由于环境荷载引起的温度应力。长期以来学者们对自重应力和行车荷载引起的公路拼接路基变形的研究较多，并取得了一定的成果[6，如：Allersma等采用有限元模拟和现场试验对比分析的方法计算了软土地基上拼接路基中的力学特征和变形特性；陈星光等&9在采用有限元分析拼接路基变形时考虑了加宽方式、路基高度、地质条件等多个因素，取得了与实际变形较为接近的结果；张军辉10]考虑了不同软基处理方法对拼接路基的影响，得出了不同处理方法对拼接路基沉降的影响规律。但上述文献中均未考虑到温度应力对拼接路基的影响，使得分析结果和实际结果存在一定的差距。这主要是由2个原因导致的：鉴于沥青路面材料本身的复杂性，对温度梯度和温度应力的计算缺乏统一认识；温度应力对拼接路基变形的影响主要集中表现在年环境温度变化较大的地区，在环境温度变化不大的地区温度应力的影响较小，导致在研究过程中容易被忽略。所以，如何正确分析温度梯度的形成机理和计算沥青路面拼接路基温度应力，对于新疆等西部大温差地区拼接路基的设计具有重要意义。

为正确分析温度梯度的形成机理和计算沥青路面拼接路基的温度应力，本文研究非均匀无限层状体系温度梯度所产生温度应力的计算方法，并以连霍高速改扩建项目标准断面为例，分析层内温度与温度梯度对各结构层应力和变形的影响。
1非均匀温变路堤的变形计算理论
1.1温度应力
图1为矩形层状结构(A点位于结构层顶部)，分析温度梯度引起的温度应力的基本公式为

式中：ex、Ey为温度应变x向、y向分量；Eo为板内应变；0为应力弯曲后中性面曲率半径；z为结构层中任一点与中性面的距离。
依据广义胡克定律，Ex、Ey计算公式为

式中：E、v为结构层弹性模量和泊松比；x、0y为温度应力x向、y向分量；a:为不同温度环境下的温度膨胀系数；△t为温度变化量。
分析温度应力时首先不考虑结构层所受的外部荷载和约束作用。所以，根据平衡方程可得

式中：△t(z)为z轴方向温度的变化函数；b为结构层厚度。

投稿会员：芳华