京新高速伊吾至巴里坤段温变型病害风险监测研究

丁海峰, 于小洋, 冷斌, 徐云龙, 刘强, 刘志云*, 崔福庆

(1.中国铁建投资集团有限公司, 乌鲁木齐 830017; 2.长安大学地质工程与测绘学院, 西安 710054)

改革开放以来,高速公路作为现代交通的标志,支撑了中国社会经济的高速发展[1]。2021年7月1日建成通车的京新高速公路(G7)全长2 540 km,是国家高速公路网中的第7条放射线。新疆地区由于其独特的地理位置和高寒气候、冷暖季节温度差异极大、降水少、太阳辐射强等恶劣环境及气候的影响导致该地区高速公路沥青路面更容易产生病害[2-4]。研究表明,高速公路非荷载病害的成因主要与温度有关[5-7]。由于沥青与半刚性材料都具有一定温度敏感性[8],在温度等作用条件大幅变化的情况下会产生收缩应力,将会直接影响到半刚性基层沥青路面结构的稳定性与耐久性,导致路面结构强度下降[9-11],产生车辙、温度疲劳裂缝、温缩裂缝等温度差异诱发的工程病害,因此开展温变型病害规律和风险的相关研究对极端气候作用下的干旱戈壁区高速公路设计与病害防治具有重要意义。

为研究温度对沥青路面结构的影响,近年来,研究人员主要通过数值模拟来研究极端温度条件对路面结构的影响[12-14]。刘克非[15]以高速公路沥青路面为研究对象,综合数值模拟及理论分析方法,系统研究了各极端温度条件下高等级公路沥青路面破坏机理。Niu等[16]运用有限元软件对沥青路面低温缩裂过程进行了数值模拟,模拟了不同降温时间情况下沥青面层断裂损伤情况。Ahmad等[17]和Behnia等[18]基于声发射的方法提出了通过测定半刚性基层材料的脆化温度来评估其低温开裂性能。何伟[19]采取有限单元分析及热力耦合方法,结合断裂力学理论,构建了动载变温模型,通过分析模型在不同温度梯度下的力学响应,研究了裂缝扩展的影响因素,结果表明:温度骤降而产生过大的面层拉应力是沥青路面产生裂缝的主要因素;当路表温度低于0 ℃,温度骤降也会加快裂缝扩展速率。赵学颖等[20]基于高温代表日下的温度场与荷载-高温耦合场的模拟计算,研究了3种新疆常用沥青路面结构在大温差环境下的最大剪应力特征。李喜等[21]通过室内试验分析了温度对不同沥青混合料类型产生车辙的影响程度,建立了不同月份下的车辙预估公式,分析了沥青路面温度场与车辆荷载耦合作用下的车辙变形发展规律及影响。Ogoubi等[22]研究认为,在研究沥青路面动态响应规律时,不能忽略非线性温度梯度,应将监测与模拟相结合,通过建立路面温度场模型来进行沥青路面温度分布情况的导入。结合现有文献结果可知,已有针对极端温度环境诱发的沥青路面结构病害研究多依赖数值方法,缺乏基于现场监测的研究结果。

京新高速伊吾至巴里坤段(简称伊巴段)在特殊的气候环境作用下,沥青路面将面临不同程度的温变型病害风险。通过分析巴里坤地温监测断面年际监测数据获取沥青路面各结构层的温度分布特征,并通过数值方法反演路面结构层温度与沥青表面温度的定量关系,研究分析高温车辙、温度疲劳裂缝和温缩裂缝等温变型病害的时间演化规律,旨在为高速公路的工程设计与病害防治提供参考。

1 工程及监测断面概况

京新高速新疆段由梧桐大泉至伊吾段、伊吾至巴里坤段、巴里坤至木垒三段组成,全长514.95 km,于2021年7月1日建成通车,设计路面宽度为27 m的双向四车道。其中伊巴段位于巴里坤县—伊吾县境内(地理位置如图1所示),地处温带大陆性冷凉干旱气候,气温变化迅速,年、日较差较大,并且常年干旱,雨水稀少,夏季最高气温47.8 ℃,路面最高温度超过60 ℃[23-24]。

课题组于2021年5月针对该项目巴里坤—梧桐大泉段(里程248 km)进行了现场调研工作。通过现场调查得知,该地区地表植被稀疏,辐射强,在长期大温差循环作用下,环境条件为沥青路面裂纹产生的主控因素[25-26],通车前即可见路面存在一定浅表裂缝。为准确评估该项目路段的温变型病害风险,课题组同时在巴里坤段布设了温度监测断面,对路面结构层的温变情况进行了长期监测研究。

该监测断面位于巴里坤至伊吾段之间(93°00′N～94°00′N,43°00′ E～44°00′E),试验路段全长1.5 km,传感器沿右幅路面横向埋设。在沥青上面层底部,沥青下面层底部及基层内均埋设了温度传感器,埋深分别为5 cm(layer 1)、7 cm(layer 2)、20 cm(layer 3)和36 cm(layer 4),纵向间距均为1.0 m,具体埋设位置如图2所示。温度传感器型号为XHS-DS18,灵敏度为0.25 ℃,精度为±0.5 ℃,温度测量范围为-200～+125 ℃。为便于对数据进行远程监控,监测断面同时安装了自动采集单元和远程通讯模块,数据采集周期设为1 h。传感器埋设现场如图3所示。

图2 传感器埋设位置截面图Fig.2 Schematic of sensor location

2 数值计算模型及方法

2.1 物理模型及物性参数

通过分析沥青路面温度的时间变化规律研究高温车辙、温度疲劳裂缝和温缩裂缝等温变型病害的风险特征。但由于京新高速伊巴段通车要求,无法在沥青表面布置温度传感器直接获取路面温度数据。故通过建立京新高速巴里坤段典型路基断面地-气耦合传热数值模型[27],采用数值方法反演路面结构层温度与沥青路面温度的定量关系式,最后基于监测断面获得的沥青上面层温度代入上述定量关系式求得路面温度。

数值计算物理模型依据京新高速(G7)巴里坤段公路工程施工图建立。建立的计算模型如图4所示,由空气层、公路工程和天然土层构成。路基高3 m,路面宽度为27 m,坡比为1∶1.5。路基上面层采用5 cm的AC-16(SBS改性)沥青,下面层采用7 cm的AC-25c沥青,水稳碎石层为53 cm。天然土层从上至下依次粉土、砾石、砂土,粉土层厚度0.7 m,砾石层厚度5 m,砂土层厚度未知,计算模型中天然地层总深度取30 m。为避免入口效应对计算产生影响,天然地表取路基高度的20倍,即左右各60 m,为减少模型上部壁面边界条件对计算的影响,空气区总高度取30 m。

2.2 计算方法

数值计算采用二维非定常隐式求解方法,采用Fluent用户自定义函数程序将温度、风速、地表源项等复杂边界条件引入计算模型。地气耦合数值计算模型中的太阳辐射强度、气温、风速等边界条件数据均取自于中国气象数据网(http://data.cma.cn),流体区域的空气、固体区域的路基和天然土层等的热物性参数设为定值,具体计算方法参见文献[28]。为研究温变型路面病害的长时序演化规律,数值计算的总计算时间定为365 d(2021年5月1日—2022年4月30日)。

3 结果分析

3.1 路面温度数值反演

基于所建立的数值模型,计算获取了沥青路面与沥青上面层基底处(layer 1)的日最高温度和日最低温度变化特征(图5),可以看出,二者变化趋势基本一致。分析路面和沥青上面层的温度相关性可知,其日最高温与日最低温均为线性关系(图6),可表示为

图5 数值模拟路面与沥青上面层年际温度变化图Fig.5 Numerical simulation of interannual temperature variation of pavement and asphalt overlying layer

图6 数值模拟路面与沥青上面层相关性线性拟合图Fig.6 Linear fitting diagram of correlation between numerical simulation pavement and asphalt overlying layer

y1=2.140 54+1.029 05x1

(1)

y2=-1.672 39+0.984 28x2

(2)

式中:y1和y2分别为路面日最高温度和日最低温度;x1和x2分别为沥青上面层的日最高温度和日最低温度。

同时,通过现场安装的自动采集单元和远程通讯模块,对数据进行远程不间断监测,也可获得2021年5月17日—2022年3月31日京新高速(G7)巴里坤段试验断面路面沥青层与半刚性基层的温度数据。将监测所得沥青上面层的温度代入上述关系式即可计算出不同时刻的路面温度,由此可获得完整的路面结构层温度场数据,进而为温变型病害风险分析提供依据。

3.2 路面温变型病害风险分析

3.2.1 高温车辙风险

车辙是在路面在高温情况下受到竖向荷载产生的病害,而软化点是评价沥青材料抗高温性能的重要参数。通过大量研究可知,当温度超过其软化点时,沥青缓慢软化,沥青混合料整体流动性增加,导致沥青层结构强度迅速降低[29]。工程中使用的基质沥青软化点主要集中在45～49 ℃,因此将50 ℃作为衡量路面高温的临界温度。图7为2021年6月—2022年3月的路面日最高温度的累计频率,可以看出,路面温度在8月、6月、7月相对较高,超过45 ℃的概率分别为7.6%、24.6%、25.7%,其中路面最高温度在50 ℃以上只发生在6月和7月,分别占10%、4%。考虑到该路段路面所采用的沥青材料为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性后的AC-16,其软化点超过50 ℃。综上,京新高速伊吾-巴里坤段发生高温车辙风险的概率较低。

路面日最高温度随时间变化的曲线

3.2.2 温度疲劳裂缝风险

研究表明,当沥青路面温度日较差超过20 ℃时,长时间在温度应力的影响下,将会诱发温度疲劳开裂[30]。为分析京新高速巴里坤段沥青路面温度疲劳风险,统计了沥青路面与沥青上面层日较差累计频率,如图8所示。可以看出,沥青路面与沥青上面层日较差大于20 ℃以上天数的累计概率分别为51.9%、35.3%,其中日较差大于30 ℃的累计概率分别为35%、18.1%,且更有路面与沥青上面层日较差超过45 ℃的极端大温差出现。

图8 路面与沥青上面层日温差频率Fig.8 Frequency of daily temperature difference between pavement and asphalt overlying layer

对比冬季和夏季典型日沥青结构层1 d内温度变化规律,结果如图9所示。可以看出,路面结构层内从上至下冬季与夏季温差逐渐减小,冬季路面结构内的温度差明显小于夏季,沥青上面层在冬季与夏季最大温差超过50 ℃,沥青下面层冬季与夏季最大温差为45 ℃。路面沥青层年较差极大。路面各结构层的温度在早上00:00—07:00期间逐渐降低,之后温度逐渐升高,在18:00后温度又逐渐降低,日最高温度主要出现在16:00—18:00,1 d中的最大温差主要出现在07:00—17:00。由此可以看出,该路段沥青层在夏季产生温度疲劳裂缝的概率高于冬季。

图9 路面各结构层在不同季节1 d内温度变化曲线Fig.9 Temperature variation curves of pavement structure layers in different seasons in 1 day

图10为2021年6月—2022年3月沥青上面层与沥青下面层的日温差累计频率,可以看出,沥青上面层日温差明显高于沥青下面层,沥青上面层日温差在20 ℃以上主要出现在6—9月,频率分别为72%、60%、59%、78%。沥青下面层日温差在20 ℃以上主要出现在6—8月,频率分别为19%、7%、4%。综上,伊吾-巴里坤段路面及沥青上面层具有很高的温度疲劳裂缝风险,并且夏季的6—9月为温度疲劳裂缝发生的高发期。

3.2.3 温缩裂缝风险

半刚性材料是脆性材料,基层内的温度变化会影响水泥稳定基层混合料固化及水分散发,使基层产生开裂现象,从而产生温缩裂缝。图11反映了2021年5月—2022年3月基层内温度变化情况,可以看出,半刚性基层上部(即图2中layer 3)与半刚性基层下部(layer 4)温度变化趋势基本一致:5—7月半刚性基层内温度升高,月温度变化幅度为9 ℃;7—2月半刚性基层内的温度逐渐降低,月温度变化幅度为5.9 ℃;随后在2—3月基层内温度迅速升高,月温度变化幅度达到了12.4 ℃,月温度变化幅度大(半刚性基层室内试验通常以10 ℃作为一个温度阶梯)。整体来看半刚性基层的温度年较差超过40 ℃。

图11 基层内温度变化Fig.11 Temperature variation in semi-rigid base layer

非荷载条件下极端低温和低温持续时间均是影响半刚性基层产生温缩裂缝的重要原因。温缩系数是评价半刚性材料温度稳定性的重要指标之一,在低温环境下,温缩系数较大,通过大量试验研究发现,在0～-10 ℃条件下的温缩系数整体高于其他温度区间[31-32],在温差较大的情况下,产生的温缩量大。因此将-10 ℃作为低温条件,针对该路段中半刚性基层低温情况进行了统计分析。图12为半刚性基层上部与半刚性基层下部日最低温度区间频率图。可以看出,基层日最低温度在20～25 ℃与-10～-5 ℃温度区间占比最高,半刚性基层上部与半刚性基层下部0～-10 ℃温度区间占比分别为25.31%、31.56%,并且基层内最低温度小于-10 ℃,半刚性基层上部与半刚性基层下部0 ℃以下的温度总占比分别为40%、38.75%,基层内0 ℃以下低温占比较高。

将基层每天0～-10 ℃与小于-10 ℃的低温区间持续时长按月平均后得到半刚性基层上部与基层每月低温持续时长图(图13)。可以看出,半刚性基层出现负温时间为11月—次年3月,基层内长期处于低温状态,持续时间长达4个月。11—2月期间半刚性基层温度持续降低,逐渐从0～-10 ℃降至-10 ℃以下。在2月-10 ℃以下持续时间最长,2—3月期间基层内温度变化最为剧烈,半刚性基层内温度迅速升高,负温持续时长逐渐降低。综上可知,京新高速伊吾至巴里坤段半刚性基层冬季温度较低,年较差极大,且低温持续时间长,因此该项目路段的半刚性基层具有很高的温缩裂缝风险(2—3月风险最高)。

4 结论

通过对京新高速巴里坤段地温监测断面年际监测数据进行分析获取了路面结构层温度分布特征,并通过数值方法反演了路面结构层温度与沥青路面温度的定量关系,研究了高温车辙、温度疲劳裂缝和温缩裂缝等温变型病害的时间演化规律,得出如下结论。

(1)路面最高温度超过50 ℃的情况只发生在6月和7月,分别占10%、4%。表明该路段在6月有小概率出现高温车辙,在其他月份出现高温车辙的概率较低。

(2)该路段沥青结构层日最高温度主要出现在16:00—18:00,日最大温差主要出现在07:00—17:00。沥青路面与沥青上面层日较差大于20 ℃以上天数的累计概率分别为51.9%、35.3%,且主要集中发生在6—9月,说明该路段夏季将面临严重的温度疲劳裂缝风险,应在此时对该路段进行针对性养护工作。

(3)该路段半刚性基层在11—次年2月持续降温,0 ℃以下负温持续时长超过4个月,半刚性基层上部与半刚性基层下部0～-10 ℃占比分别为25.31%、31.56%,长期处于温缩系数较大的温度区间,2—3月温度变化较为剧烈,温度变化幅度达到了12.4 ℃,说明该路段冬季发生温缩裂缝概率较大。