混凝土路面瞬态温度分布数值分析以估算翘曲诱导基层应力

《Transportation Engineering》：Numerical Analysis of Transient Temperature Distribution in a Concrete Pavement to Estimate Curling-Induced Subgrade Stresses

　　

研究人员采用完整路面体系估算翘曲诱导基层应力，混合底部边界条件改善了瞬态温度分布，分析时长对瞬态温度分布影响显著，耦合有限差分（FD）与有限元（FE）分析量化了基层应力，反复翘曲应力可能促成长期路面病害。研究针对夏威夷Kapolei地区Kualakai Parkway混凝土路面出现的差异沉降与侧向分离现象，考虑热带气候下日气温 swing 约17°C，建立一维瞬态热传导控制方程（Fourier方程，式1），以热扩散率αi=ki/(ρici)描述介质i传热，采用Crank-Nicolson格式有限差分（FD）离散内部节点（式3）获取路面体系温度场；将温度场作为荷载代入有限元（FE）模型估算翘曲诱导基层应力，并结合反复加卸 reload 循环三轴/oedometer试验的塑性应变-循环次数双曲线或幂模型，评估基层永久变形。结果表明：日-季节变温下路面表面昼夜温差导致向下/向上翘曲，边缘与中心区域产生低频次加卸载循环，诱发可累积的循环蠕变（cyclic creep）或土体棘轮效应（soil ratcheting），尤其对湿陷性土在冠层效应（canopy effect）致水分聚集时加剧沉降；FD-FE耦合框架能合理反映多层体系（混凝土板-粒料基层-底基层-土基）温度非线性分布及由此产生的基层应力分布，计算时长与底部边界条件设定对温度预测敏感；反复翘曲应力与交通荷载叠加是长期路面劣化的潜在因素。该研究发表于《Transportation Engineering》，为热带地区混凝土路面温度-力学耦合设计及基层永久变形预估提供了数值依据。

研究背景方面，混凝土路面在日照下表面升温、底部相对较冷，引发向下翘曲；夜间表面降温低于板底则向上翘曲。昼夜翘曲在板边与板中分别诱导基层支撑应力，叠加车辆荷载后可造成相邻板接缝分离与长期病害。既有研究多聚焦混凝土板内非线性温度分布与板体翘曲，较少将粒料基层、底基层与土基构成完整多层体系联立分析，且瞬态热分析中初始温度剖面、计算时长及底部边界条件的影响未被充分讨论，导致翘曲诱导基层应力与永久变形关联机制不清。为此，研究人员以夏威夷Kapolei地区Kualakai Parkway（North-South Road）出现差异沉降与侧向分离的混凝土路面为对象，日气温极差约17°C，开展完整路面体系温度-力学耦合研究。

关键技术方法上，研究人员首先基于一维Fourier瞬态热传导方程（?²T_i/?z_i²=ρ_ic_i/k_i·?T_i/?t，或α_i?²T_i/?z_i²=?T_i/?t），采用Crank-Nicolson隐式有限差分（FD）格式离散内部节点（式3），以实测路面与土基温度标定模型，获取含昼夜与季节变化的瞬态温度剖面；进而将温度场导入有限元（FE）模型计算翘曲诱导基层应力；最后利用alluvial clay等土的反复加卸载oedometer/三轴试验所得塑性应变-循环次数关系（双曲线或幂模型），由应力水平推算永久变形。样本温度数据来源于夏威夷现场混凝土路面与下层土基实测。

研究结果部分，引言指出日变温使支撑土体承受低频加卸载循环，可触发循环蠕变或土体棘轮效应，在湿陷性土与冠层效应水分聚集条件下加剧路面劣化。第2节文献综述给出瞬态传热控制方程及FD内部节点差分格式（Crank-Nicolson，式3）。后续章节中，研究人员通过FD模型校准发现：混合底部边界条件较单一边界更改善瞬态温度分布；分析时长显著影响温度剖面收敛性；将FD温度场耦合FE力学分析可量化基层应力分布，反复翘曲应力在板边（日间）与板中（夜间）形成交替集中，可能与交通荷载共同促成长期变形。讨论部分强调，既有研究缺位在于未将多层路面体系与土基永久变形机制联立，本研究填补了翘曲应力→基层循环加载→塑性累积的链条证据；结论表明，完整体系FD-FE耦合框架能合理估算热带气候下混凝土路面翘曲诱导基层应力，计算时长与底部边界条件是温度预测敏感因子，反复翘曲与交通荷载叠加是长期路面病害潜在诱因，成果为《Transportation Engineering》所刊载，对多层路面温度-力学设计与基层湿陷防控具工程意义。