内蒙古阿拉善盟境内以水泥稳定碎石为基层结构的沥青混凝土路面，受公路所在区域赋存环境条件的影响，路基发生硫酸钠盐盐渍化病害，致使部分路段产生程度不同的横向隆起现象。形成类似天然减速带的病害结构。现场勘察与调研结果表明，此类天然减速带沿路线走向不间断分布，病害多发区每条横向隆起间距不足10 m，隆起高度约10 cm左右。在病害发生不严重处，病害间距30，50 m不等。此类病害不仅影响道路的正常运营、行车的舒适性和安全性，还为公路交通运输埋下了极大的安全隐患，并带来了高额的养护费用^[1]。

在沥青混凝土路面隆起病害的研究中，认为上述病害主要由路基土、路面结构层的盐胀^[2-3]、冻胀^[4-5]或两者的共同作用引起^[6-7]，或由沥青混凝土路面半刚性基层的热胀而隆起^[8-9]。部分学者基于隆起原因建立了相应作用条件下的力学模型，并分析了各因素对路面结构层力学响应的影响规律^[10-12]，对该类病害的预防、治理提供了一定的理论依据。

目前，沥青混凝土路面力学响应规律研究主要有试验、理论解析和数值分析方法^[13-15]。其中有限元数值分析方法因其完善的结构、较高的荷载适应性，广泛地应用于路面结构力学响应模拟研究。针对阿拉善沙漠区沥青混凝土路面横向隆起病害的实体特征，利用Abaqus软件构建病害实体隆起过程3D力学模型，依据正交试验设计方法，甄选基层、面层厚度、模量、隆起作为影响因子，进行参数敏感性模拟分析，探讨各因素对路面结构力学响应的影响规律，为病害的预防、处治技术选择、参数取值奠定提供依据。

根据我们对阿拉善境内路面横向隆起病害路段基层与路基内化学成分分析研究的结果，发现隆起区域基层与路基内离子含量主要以SO₄^2-和Na⁺为主，发生了明显的硫酸盐盐渍化现象，硫酸钠盐结晶形成10H₂O·Na₂SO₄，体积膨胀，致使发生路面隆起病害^[1]。为此，筛选了盐胀作用力、盐胀分布宽度、基层厚度和弹性模量、面层厚度和弹性模量作为影响因子，依据沥青路面设计理论，路面各层材料符合弹性材料假设条件，各向同性、均匀连续。路面结构层简化为由基层、面层组成的双层层状结构，利用Abaqus软件结合横向隆起病害实体特征，应用正交试验设计方法，构建不同因子组合条件下的三维有限元路面横向隆起病害仿真模型。

有限元建模路面结构层参数如表 1所示^[16]。

盐胀作用引起路面结构隆起，进而导致路面结构力学响应变化。模型中盐胀作用以均布载荷施加于隆起区域沿道路纵向(即x轴方向)的分布宽度上，模拟分析盐胀作用分布宽度对路面结构受力的影响。分布宽度依据现场调研资料分别取为0.35，0.50，0.65，0.80 m。路面结构承受的盐胀作用沿x轴方向(如图 1所示)，其中用盐胀作用力的大小表征盐渍化发展的不同程度，作用力越大，表示路基盐渍化程度越重，路面结构承受的盐胀作用也越大。本模拟中分别取盐胀作用力为55 000，60 000，65 000，70 000 N/m²，分析盐胀作用对路面结构力学响应的影响规律。

图 1 病害实体纵断面 Fig. 1 Longitudinal section of disease entity

为了分析各影响因子(盐胀分布宽度、盐胀作用力、基层厚度和弹性模量、面层厚度和弹性模量)对路面结构力学响应的影响规律，以正交试验方法^[17]组合了25项各影响因子的参数取值。模型边界条件依据隆起影响区域路面结构层自重与盐胀作用平衡原则而定。面层与基层层间接触界面的法向行为以硬接触方式设定，不允许在变形过程中相互分离；切向行为以罚函数表示，摩擦系数为0.5，剪应力阈值为5×10⁵ Pa^[18-19]。各结构层材料采用三维实体8节点线性六面体非协调单元(C3D8I)，采用非均匀网格划分方式进行模拟分析^[20]。

依据正交试验各影响因素参数组合方案，分析各种参数组合条件下路面结构的力学响应及其破坏形式，探讨影响因子对路面力学行为的影响规律。

在各种影响因子参数取值方案条件下，建模分析路面各结构层的应力分布数值有所不同，但总体上呈现相似性。某参数组合方案下模型的云图如图 2所示。

图 2 模型应力云图(单位: Pa) Fig. 2 Stress nephogram of model(unit:Pa)

不难看出，基层、面层的拉、压应力最大值分布在隆起中间区域部位，基层应力整体呈现大于面层应力的特点，应力数值随模型x轴方向的变化规律与路面结构变形随模型x轴方向的变化规律相似，由隆起中间区域向两侧逐渐过渡到0，在边界位置由于应力集中等边界效应又逐渐变大。提取各方案模型中各影响因素下的路面基层、面层中最大拉、压应力并取其平均值，如表 2所示。

依据表 2，汇总各基层厚度、面层厚度下路面基层、面层中最大拉、压应力取其平均值，可得最大应力随基层、面层厚度的变化规律，如图 3所示。

图 3 路面结构应力随厚度变化规律 Fig. 3 Rules of pavement structure stress varying with thickness

可以看出，结构层(面层、基层)中的最大拉应力随结构层厚度的增加逐渐减少，两者之间的差值数值逐渐降低。换言之，随着结构层厚度的增加，面层、基层中的最大拉应力趋于相同。结构层(面层、基层)中的最大压应力随结构层厚度的变化规律同最大拉应力相似，随结构层厚度的增加逐渐减少，前期变化梯度大，后期变化梯度小，并且数值渐渐趋于接近。基层厚度变化对结构层应力的影响大于面层厚度变化对结构层应力的影响。不论压应力还是拉应力在结构层引起的基层应力要高于面层应力，随着结构层厚度增加，这种差异逐渐减小。

依据结构层厚度影响因子对路面结构受力影响的数据整理方法，并依据表 2，可得路面结构应力随基层、面层弹性模量的变化规律，如图 4所示。

图 4 路面结构应力随弹性模量变化规律 Fig. 4 Rules of pavement structure stress varying with elastic modulus

不难看出，基层和面层最大拉应力随基层弹性模量的增大呈现先增大后减小的变化特征，在基层模量小于1 600 MPa时，拉应力随基层模量呈现增大趋势；大于1 600 MPa时，拉应力随基层模量呈减小特征。基层、面层的最大压应力随基层模量的变化特征以基层模量1 600 MPa为界，小于1 600 MPa时，随基层模量增加，压应力增大；大于1 600 MPa时，随基层模量增加，压应力减小。基层模量变化时，在基层引起的拉、压应力数值均大于相应面层的拉、压应力。基层应力随基层模量的变化幅度大于面层应力随基层模量的变化幅度。路面结构应力随面层模量的变化规律整体呈现最大拉、压应力先增大后减小，逐渐趋于平缓一致。在面层模量小于1 300 MPa时，路面结构应力随面层模量增加而增大；大于1 300 MPa时，路面结构应力随面层模量增大而减小并逐渐平缓，应力趋于相同。面层弹性模量的变化在路面结构层引起的应力变化中，基层比面层显著，但随着面层模量的增加，两者差值越来越小。

盐胀作用与盐胀分布宽度变化引起路面结构应力变化的规律如图 5所示。

图 5 路面结构应力随盐胀的变化规律 Fig. 5 Rules of pavement structure stress varying with salt expansion

不难发现，路面结构应力(基层、面层的最大拉、压应力)整体呈现随盐胀作用力与作用分布宽度的增大而增大的变化特征。不同于结构层厚度、结构层模量影响因子变化对路面结构应力的影响变化规律，随盐胀作用力、盐胀作用分布宽度的增加，基层、面层相应的拉、压应力增大，但基层应力的增长幅度大于面层应力的增长幅度，表现在曲线上出现分叉现象，并且开口越来越大。盐胀影响因子变化在路面结构层引起的应力变化规律相似，即基层应力大于面层应力。

参考《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中无机结合料稳定类基层以其层底拉应力为设计指标的规定，以及半刚性基层抗拉能力弱的特性，结合上述分析结果——盐胀作用下路面结构基层应力普遍大于面层应力的受力特性，以不同影响因素、不同水平下基层最大拉应力平均值为衡量指标，确定不同影响因素下路面结构受力的最优、最不利组合。将表 2中基层最大拉应力数据在正交试验方案的基础上进行整理，利用不同影响因素对应水平下路面结构基层最大拉应力的平均值，绘制了路面结构对应不同影响因素的基层受力图，如图 6所示。

图 6 基层最大拉应力平均值随影响因子的变化规律 Fig. 6 Average maximum tensile stress of base layer varying with influencing factors

可以看出，当基层厚度为0.65 m，面层厚度为0.25 m，基层弹性模量为1 000 MPa，面层弹性模量为1 700 MPa时，基层的拉应力最小，该路面结构组合在上述因素所取水平范围内为基层受力的最优组合。而基层厚度为0.35 m，面层厚度为0.16 m，基层弹性模量为1 600 MPa，面层弹性模量为1 300 MPa时，基层的拉应力最大。可知此路面结构组合在上述因素所取水平范围内为受力的最不利组合。而在实际工程中，路面结构基层、面层的弹性模量受其材料、级配等因素的限制以及施工、养护条件的影响，其值不易实现较大的改变且具有一定的波动性，不易掌控；但路面结构层的厚度却可人为控制，改变基层、面层的厚度来调整盐胀作用对路面结构受力的影响易于实现。因此，对于基层、面层较厚的道路来说，在路基盐胀导致的横向隆起作用下，基层拉应力较小，不易发生拉裂破坏；而基层、面层较薄的道路则由于基层受到的拉应力较大而易发生拉裂破坏。

通过建模，分析了基层、面层模量、厚度与盐胀作用、盐胀作用分布宽度等因素对路面结构受力的影响规律，得到如下结论：

(1) 路面结构受路基盐胀作用，在隆起部位基层与面层出现最大拉应力和最大压应力。在出现较大应力分布的隆起区域部位，整体呈现面层应力小于基层应力的特征。

(2) 在基层、面层厚度和模量影响因素中，路面结构层应力对基层厚度因素变化的敏感程度最强，基层应力对基层弹性模量因素变化的敏感程度次之，面层应力对面层弹性模量的敏感性次之。随基层、面层厚度的增加，路面结构应力逐渐减小；随基层、面层模量的增加而先增大后减小。

(3) 路面结构应力随盐胀作用与分布宽度的增大而增大，但面层应力增长梯度小于基层应力增长梯度，基层与面层相应应力差随盐胀作用和分布宽度的增大而越来越大。

(4) 不论哪一种影响因素变化，在路面结构层引起的基层应力要大于面层应力。在盐胀作用下，若基层、面层抗拉强度相近，且沥青路面结构层具有抗拉性能差的特性，路面基层先于面层发生拉裂破坏的概率更高。

(5) 在盐胀作用下，较厚基层、面层的道路在基层引起的拉应力小，不易发生结构层拉裂破坏；而较薄基层、面层的道路在基层引起的拉应力大，发生拉裂破坏的概率高。