高速公路沥青路面不同结构层应力分析

高速公路沥青路面不同结构层应力分析

尚晓雨

武汉广益交通科技股份有限公司

摘要：本文聚焦于高速公路沥青路面不同结构层应力状况展开深入探究。阐述分析不同结构层应力对保障路面性能、延长使用寿命的关键意义。通过介绍典型沥青路面结构组成，明晰各结构层功能与特性。运用理论分析、有限元模拟及现场实测手段，剖析不同荷载工况、环境因素下各结构层应力分布规律，包含面层拉应力、剪应力，基层与底基层压应力等特点。进而总结应力变化影响因素及作用机制，提出基于应力分析的路面结构设计优化方向与施工养护控制要点，旨在为提升高速公路沥青路面品质、降低病害风险提供科学依据与实践指导。

关键词：高速公路；沥青路面；结构层；应力分析；有限元模拟

一、引言

高速公路作为现代交通基础设施骨干，沥青路面凭借其行车舒适性、噪音低及维修便利性被广泛应用。然而，在长期车辆荷载、复杂环境作用下，路面易出现裂缝、车辙、坑槽等病害，严重影响行车安全与服务寿命。路面各结构层在服役中承担不同力学响应，应力分布是关键力学指标，深入研究不同结构层应力特性对揭示病害成因、优化路面设计施工意义重大。

二、高速公路沥青路面结构组成及功能

（一）面层

由表面层、中面层、下面层构成，多采用不同级配沥青混合料。表面层直接接触车轮，需具备良好抗滑、耐磨、平整度，承受行车水平力、竖向力，抵御温度变化影响；中面层分担荷载并传递，增强结构整体性；下面层作为主要承重层，支撑上部荷载并扩散至基层，常采用较厚沥青层保证强度与稳定性，如常见采用 AC - 13、AC - 20、AC - 25 配合使用。

（二）基层

是关键承重结构，分上基层、下基层，材料有水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定土等半刚性材料居多。凭借高强度、高稳定性，将面层传来荷载进一步扩散、均匀传递到底基层，约束面层变形，承受较大竖向压应力，保障路面结构整体刚度，抵抗路面弯沉过大问题。

（三）底基层

位于基层下，常用低剂量无机结合料稳定材料，辅助基层承载，改善路基工作条件，增强路面结构对路基不均匀沉降适应性，缓解路基软弱、湿度变化对路面损害，为路面提供均匀支撑基础。

三、不同结构层应力分析方法与技术

（一）理论分析法

基于弹性层状体系理论，像经典的伯格斯（Burgers）模型、双参数弹性地基模型等，将沥青路面各结构层简化为不同弹性模量、厚度的理想层状组合。借助力学公式推导，计算在圆形均布荷载（模拟车轮作用）下各层竖向应力、水平应力、剪应力等。如针对面层拉应力，依薄板理论结合层间连续条件求解；基层压应力依据多层弹性体系竖向应力分布函数确定，理论分析高效便捷，但对复杂边界、非线性材料特性考量有限。

（二）有限元模拟法

利用 ANSYS、ABAQUS 等有限元软件，构建沥青路面三维或二维精细化模型，精确模拟各结构层几何尺寸、材料非线性（如沥青混合料粘弹性、基层弹塑性）、层间接触状态（光滑、连续、摩擦等）。设定不同荷载工况（静载、动载、超载）、环境参数（温度梯度、湿度变化），分析各时刻、位置应力分布云图与变化曲线。例如模拟货车急刹车时面层剪应力集中区域，及高温季节面层与基层因材料模量差异引发应力不协调状况，有限元模拟贴合实际但建模与计算成本高。

（三）现场实测法

在高速公路路面预埋应变片、压力传感器等监测设备，长期监测不同行车状态、季节变化下结构层应力应变。像在新建路面各层特定深度处布置传感器，定期采集数据，分析实际运营中应力时程曲线，校验理论与模拟结果。在某高速路段实测发现重载车辆频繁路段基层压应力远超设计值，揭示实际交通荷载对路面应力影响复杂性，现场实测真实可靠但具破坏性、长期监测难度大。

四、不同结构层应力分布规律及影响因素

（一）面层应力

拉应力分布：在车轮竖向荷载作用下，面层表面靠近轮缘处易产生横向拉应力，尤其在低温收缩、基层约束共同作用时，表面层拉应力剧增，是导致低温裂缝主因；沿深度方向，中下面层拉应力在荷载中心偏下位置出现峰值，与层间粘结、材料模量梯度相关，不良粘结使拉应力集中致层间剥离。

剪应力分布：车辆制动、启动瞬间，面层表面产生较大水平剪应力，在急弯路段弯道内侧超车道剪应力最值突出，高温下沥青软化，抗剪强度降低，剪应力易超材料极限引发车辙、推移病害。

（二）基层应力

基层主要承受竖向压应力，自面层往下压应力扩散呈非线性递减，在基层顶面荷载中心处压应力最大，分布类似 “碗状”；随着离中心距离增大，压应力迅速衰减。超载车辆使基层压应力大幅攀升，超设计承载几倍时，基层可能因压应力超限出现唧泥、开裂破坏；基层材料模量、厚度影响应力扩散效果，高模量、厚基层利于分散压应力保护路基。

（三）底基层应力

底基层压应力相对基层小，受路基土质、湿度波动影响显著，在软土地基路段，路基沉降不均致底基层压应力局部集中；雨季路基湿度增大、承载能力降低，底基层压应力分布改变，长期作用下易疲劳损坏，其应力分布稳定性依赖路基工况改善与自身结构适应性。

影响应力分布因素多元，交通荷载参数（类型、重量、轴载分布、行驶速度）中，重载、慢速车辆加重路面应力损伤；环境因素里，高温软化沥青、低温收缩材料，温湿度循环引发结构层胀缩变形，扰乱应力平衡；材料特性上，沥青混合料劲度、基层材料回弹模量决定应力传递与承受能力；路面结构设计参数（各层厚度、模量比、层间粘结状态）不当，造成应力集中、分布不合理，促使病害早发频发。

五、基于应力分析的路面结构优化与施工养护建议

（一）路面结构优化设计

依据应力分析成果，合理调整结构层厚度，在重载交通路段加厚面层、基层增强承载；优化材料组合，面层选高模量抗车辙沥青混合料，基层用高强度抗裂稳定材料；科学设计层间联结，采用粘层油、应力吸收层改善粘结，减少层间应力突变，使应力平缓过渡。

（二）施工控制要点

施工中严格把控各层压实度，保证材料达到设计密实度，基层压实不足会加大压应力集中；注重施工温度控制，沥青面层摊铺、碾压温度契合要求，避免温度离析致材料性能不均、应力失衡；规范层间施工工艺，确保粘层、透层均匀洒布、有效粘结。

（三）养护策略制定

基于应力监测数据，针对应力异常路段及时养护，裂缝处灌缝修复防应力集中扩散；车辙路段铣刨重铺，恢复面层平整与抗剪性能；定期路况检测，依应力变化、病害发展动态调整养护计划，延长路面寿命，保障高速公路高效运营。

六、结论

高速公路沥青路面不同结构层应力分析揭示各层力学响应本质，明确荷载、环境、材料与结构参数对应力分布影响机制。借助理论、模拟、实测多手段结合，精准掌握应力规律，为优化设计、精细施工、科学养护指明方向。后续需深化复杂工况模拟、多元场耦合下应力研究，持续完善路面结构力学体系，筑牢高速公路优质长效服役根基，提升交通基础设施品质与耐久性，服务现代化交通建设需求。

参考文献

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