本文是一篇土木工程论文，论文根据高海拔地区的气候寒冷易产生低温温缩裂缝的实际特点，以 109国道安多—唐古拉山段桩号 K3 357 处作为高海拔地区沥青道路的代表，通过架设气象站获取气温、太阳辐射、风速等气象参数，利用 ABAQUS 建立了含在路表的横向 Top-down 裂缝的三维有限元模型，分析了温度场并与实测的温度场数据进行对比验证后，研究了温度应力场及温度—移动荷载综合作用下的裂缝扩展的形式。
第一章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
沥青路面由于其表面平整、行车振动小、噪音低、施工养护工期短等诸多优点而广泛应用在我国的公路建设之中。对于高海拔地区而言，由于当地特殊的自然环境气候条件，沥青路面得到广泛应用。同时，沥青材料本身温度稳定性差，在夏季高温时容易软化，在冬季低温的时候又容易发生脆裂。在高海拔地区，典型的气候条件是气温低、太阳辐射强、昼夜温差大。常年的低温条件和较大的昼夜温差使得高海拔地区的沥青路面持续受到较大的温度应力，产生大量的温缩裂缝。雨水通过裂缝进入路面结构中后，不仅本身会对路面材料造成冲刷，还会因为冻融循环而破坏路面结构，引起一系列其他类型的病害。此外，高海拔地区相对平原地区往往人烟稀少、交通网络建设不够发达，有限的公路还需要担负着运输物资的使命。以青藏公路为例，它被喻为西藏的“生命线”，大量过载的车辆进一步加剧了沥青的开裂，使得路面过早发生严重的损伤和破坏，严重影响沥青路面的通行功能和使用寿命。在艰苦条件下频繁的修补养护工作，不仅是对诸如位于海拔 5 231m 唐古拉山口的“天下第一道班”道路养护班组工人的考验，也造成了极大的经济损失和资源的浪费。因此，研究高海拔地区沥青路面的开裂影响因素和防治方法具有重要的意义。
在高海拔地区，路面开裂形成各种裂缝是沥青路面的主要破坏形式，也是促进其他病害产生的一大原因。根据裂缝的扩展方向，可以将裂缝分成从上到下的表面 Top-down 裂缝和从下往上的反射裂缝。表面裂缝的形式主要有横向裂缝和纵向裂缝，前者多为环境温度引起，后者多为车辆荷载引起。反射裂缝是从基层底部逐渐向上延伸，直到贯通到道路表面的裂缝。在实际的工程中，裂缝产生和发展往往不是由单一的因素导致的，例如温度降低导致路面产生了微小的裂缝，重载和雨水等其他因素的作用又加剧了它的开裂，最后形成错综复杂的网状裂缝。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 沥青路面温度场与温度应力研究现状
测量、计算得到沥青路面的温度场是对其做进一步受力分析的前提，研究方法主要有理论和统计两种分析方法。理论分析法根据气象学和传热学的基本原理，建立温度场预测模型，采用数值分析的方法来对沥青路面温度场进行研究。其主要特点是区域适应性强，但求解过程比较繁琐，材料参数取值比较复杂。统计分析法主要通过实际测量大量的路面结构温度场数据和气象资料来对它们进行回归分析，得出两者之间的经验公式，进而总结归纳得出沥青路面温度场的相关结论。统计分析法的实际操作较为简单，但是地域适应性不强，而且数据采集工作所需的人力、物力较大，统计的时间也很漫长，通常都需要至少数年的数据。另外，随着计算机技术地快速发展，有限元软件在路面结构温度场模拟和应力场计算方面也取得了一定的进展，它的基本思想是通过有限元模型来建立路面结构温度场，再通过应力场的计算来建立二者之间的关系[1]。
路面温度场模型理论最早由 Barber[2]于 1957 年利用传热学的理论通过将路面视为均质的半无限体，利用正弦曲线模拟温度变化来建立的。 Christison 和Hermansson[4-5]分别研究了高温、低温气候条件下的路面温度场的分布情况。
韩子安[6]将路面结构看作层状体系，提出了路面最高及最低温度、最大温度速率、最大温度梯度等因素计算公式。秦健、宋福春[7-8]等通过分析得到影响温度场的最主要的外界环境因素是气温以及太阳辐射，并模拟了以时间和深度为变量的路面温度时空分布。陈嘉棋、刘凯[9-10]等根据传热学的原理对分析了以气温为主的路面温度场的主要影响因素，从而得到温度场的经验预估模型。王芳芳[11]利用沥青路面温度实测的数据来研究高温、低温和常温期的温度场，并用稳态温度场来简化了极端高低温时刻的温度场。孙立军[12]等人采集大量大范围试验路段的实测温度场数据和气象数据，通过统计分析建立了沥青路面温度场预估模型，并进一步分析了温度沿路表下不同深度的具体分布。
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第二章 数据采集方案及数据处理
2.1 测量方案设计与实施
高海拔地区的共同特征是海拔高、气温低、太阳辐射强、昼夜温差大、公路网建设相对落后等等，要研究高海拔地区沥青路面的开裂与防治，首先就要选取较有代表性的地点获取相关数据。109 国道中青藏公路安多—唐古拉山段海拔较高，在 4 700m-5 231m 间，路段中海拔最高的安多公路养护段十四工区有着“天下第一道班”的美誉。文章以天下第一道班所在地的 K3 357 的路面作为高海拔地区的代表，依据 ABAQUS 有限元软件建立三维的带路表横向裂缝的沥青路面结构模型进行温度场、温度应力场和温度—动载综合作用下的裂缝扩展分析，因而需要获取进行有限元计算必要的条件参数，例如：气温、太阳辐射、风速等等，为验证模型的合理性，还需要实测路下的温度场对比验证。同时，获取当地部分车流量及养护资料来为防治研究提供方向。
气象参数通过架设 TRM-ZS2 型号的气象监测站来持续记录，气象站配置有风速风向传感器，温湿度传感器，总辐射表等监测配件（图 2-1），设置为每 30分钟记录一次数据，主要记录的气象参数为气温、太阳瞬时辐射、日累计总辐射、风向风速等等，获取的数据可以用来作为 ABAQUS 温度场热交换的条件。气象站自 2019 年 12 月 2 日架设完成，持续测量气象参数。
路面结构层从上往下依次为：4cm 的 AC-13 细粒式混凝土作为上面层，5cm的中粒式沥青混凝土 AC-20 作为下面层，20cm 的水稳基层，土基。选择分别在上面层底部、下面层中间、下面层底部、基层中间、基层底部埋设温度传感器，埋设点选择在桩号 K3 357。在现场，通过钻芯设备取出沥青面层芯样后，将 ZDR智能温度记录仪温度传感器探头分别埋设在路表以下 4cm，6.5cm、9cm、19cm、29cm 深度处（图 2-2），设置为每 30 分钟记录一次数据（表 2-1）。埋设完毕后用道路养护班组日常维修养护用的沥青料进行回填压实，尽量恢复至钻芯之前的原状路面，确保道路正常通行与采集数据的可靠性。温度记录仪自 2020 年 7月 15 日埋设完毕，持续测量路面各层温度数据。
表 2-1 测量设备功能
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2.2 温度场分布规律
根据全年的气象资料，选择 2021 年 1 月 4 日和 2020 年 8 月 15 日作为低温代表日（记为 T1）和高温代表日（记为 T2），测量的距地表深度 4cm、6.5cm、9cm、19cm、29cm 处的温度随时间变化曲线如图 2-3 和图 2-4：
图 2-3 低温天气 T1 实际温度场
结合图 2-3 和图 2-4，地表以下不同深度的温度场总体变化趋势都相近，但随着深度的增加，其温度变化逐渐变得平缓。从图中看，面层尤其是上面层的波动十分显著，每日最高最低温度的极端差值能超过 20℃，因而上面层的温度最易受到影响；到了基层底部，无论是低温还是高温天气，其一天 24h 的波动范围内均不足 5℃，说明基层相较面层而言，温度场变化的幅度不大。因此，在高海拔地区，由温度剧烈变化带来的面层沥青开裂难以避免，沥青路在服役中形成大量的分布在面层的温度裂缝。一开始往往是横向裂缝为主，严重时会逐渐发展成纵向裂缝和网裂。
图 2-3 中，4cm 温度曲线的波峰在 16 点，其他曲线波峰到来时间随深度的增加而延后；图 2-4 中也呈现相似的规律，说明热量在路面结构层间的传导需要时间。对比图 2-3 和图 2-4，图 2-3 中从波谷到波峰的时间要比图 2-4 短约 2 小时，这反映了在冬季低温条件下，升温的时间结点延后，而降温的时间节点提前。且冬季温度场大部分时间都处于 0℃以下，而长期的低温条件会促使沥青混合料的开裂。
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第三章 沥青路面温度场及温度应力分析 .................................... 18
3.1 传热学理论......................................... 18
3.1.1 温度场理论.............................................. 18
3.1.2 太阳辐射........................... 19
第四章 温度-动载综合作用下的开裂研究 .................................. 36
4.1 断裂力学基本理论........................... 36
4.1.1 应力强度因子.............................. 37
4.1.2 应力外推法.......................................... 39
第五章 高海拔地区沥青路面开裂防治措施 .......................
