水泥混凝土路面服役过程中主要受到交通荷载和环境温度荷载作用。路面在交通荷载反复作用下产生疲劳，从而导致路面破坏；与此同时，由环境所引起的反复温度荷载，使路面产生温度疲劳，加速了路面结构的破坏^[1-5]。水泥混凝土是一种感温材料，环境温度变化会引起水泥混凝土板的胀缩变形和翘曲变形；同时在板体自重、基层反力等因素的约束下，板内会产生非常大的温度应力，所以水泥混凝土路面的设计必须考虑温度的影响^[6-8]。为保证水泥混凝土路面的长期性能，对水泥混凝土路面的温度场及温度应力进行相关研究显得尤为重要，这也是目前水泥混凝土路面的一个重要研究方向^[9-13]。国内外关于水泥混凝土路面温度场及温度应力的研究主要集中于对混凝土路面层状体系的温度场和温度应力场的时空变化规律分析，主要分为理论研究和实测分析。理论研究主要通过有限元软件来构建路面模型、温度场和温度应力场，从而分析温度场和温度应力场对水泥混凝土路面的作用。实测分析主要是通过室内试验或试验路的实测数据来研究分析温度场和温度应力场对水泥混凝土路面的作用。由于理论分析需要构建模型假设、边界条件以及忽略许多实际因素的影响，所以基于实测数据分析水泥混凝土的温度场和温度应力场得到的结果更加精确和更具现实价值^[14-17]。我国的水泥混凝土路面以半刚性基层为主，半刚性基层早期破坏严重，容易产生裂缝；而国外主要使用柔性基层，其抗疲劳开裂性能好^[18]。水泥混凝土路面温度应力与应变的影响因素包括外界条件、板自身条件的限制、路面结构之间的差异等，且不同基层类型水泥混凝土路面的受力不同^[6-7]。所以依托国内第一条足尺环道实测半刚性基层与柔性基层水泥混凝土路面的温度和应变，分析不同基层类型水泥混凝土路面的温度场以及温度应力变化发展规律，研究基层类型对水泥混凝土路面的温度场以及温度应力场的影响，可以为分析温度荷载在水泥混凝土路面破坏过程中的作用和机理提供参考，且对水泥混凝土路面的养护和管理意义重大，同时可以为水泥混凝土路面的设计和施工提供指导。

本研究依托交通运输部北京足尺环道试验，铺筑了两种基层类型的水泥混凝土路面，如表 1所示。两种路面的道路结构参数以及足尺环道试验参数均相同。基于交通运输部北京足尺环道项目，在两种不同基层类型水泥混凝土路面结构的面层、基层以及土基中埋设温度、湿度、应变以及应力传感器。通过对两种基层类型水泥混凝土路面2016年7月至2017年4月的温度、湿度、温度应变以及温度应力数据进行采集，对比分析柔性基层和半刚性的温度场以及温度应力变化发展规律。本研究将沿水泥混凝土板厚度方向板内0.02，0.17 m以及0.32 m深度处位置分别称为板顶、板中以及板底，面板板中心处称为H3，板纵向边缘中部(临界荷位)处称为H5。

柔性基层(YA-STR1)和半刚性基层(YA-STR4)水泥混凝土路面的年温度变化情况如图 1(a)~(b)所示。两种路面结构年温度变化曲线接近以年为周期的正弦函数，有明显的波峰(8月)和波谷(1月)，夏季环境温度高，冬季环境温度低，故春秋两季的温度总体上分别呈现持续上升与持续下降的趋势。就面层温度波动的情况来看，板顶温度波动幅度最大，板底最小。

图 1 两种基层水泥路面面层年温度变化情况及特征值 Fig. 1 Annual temperature variations and characteristic values of surface course of cement pavement of 2 kinds of base

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两种水泥混凝土路面年温度变化特征值如图 1(c)所示。结果表明，柔性基层水泥混凝土路面面层板顶、板中和板底位置的年平均温度分别比半刚性基层水泥混凝土路面对应温度高0.2 ℃，0.3 ℃和0.3 ℃，表明半刚性基层水泥路面板内的年平均温度更低；柔性基层水泥路面面层各层板顶、板中和板底位置的温度极值以及最大温差均大于半刚性基层水泥路面对应的温度情况，其中最大温差分别大5.4 ℃，2.6 ℃和0.8 ℃。且两种水泥路面面层板顶的最大温差及极值下降幅度较大，而板中及板顶下降幅度较小，表明半刚性基层水泥路面板内的温度极值及最大温差更低；柔性基层水泥路面板顶的温度标准差比半刚性基层水泥路面板顶的温度标准差大3.5，板中则大3.3，板底大3.2，表明半刚性基层更有利于减小板内的温度波动。

两种路面夏冬季昼夜温度变化情况如图 2所示。面层昼夜温度变化有以下规律：(1)两种路面面层各深度的温度变化曲线接近以一昼夜为周期的正弦函数，有明显的波峰(上午)和波谷(晚上)。(2)面层温度波动的情况为：板顶>板中>板底，且板内最高与最低温度均出现在板顶，表明外界气候对板内温度的影响随着板深的增加而减小。(3)环境温度在板内传递需要时间，所以波谷与波峰的出现均存在时间上的滞后。(4)夏季外界环境昼夜温差大，而冬季则相对较小，所以夏季板内温度的变化幅度明显大于冬季。

图 2 柔性基层和半刚性基层路面面层夏冬季温度变化情况 Fig. 2 Temperature variations of surface course of flexible base pavement and semi-rigid base pavement in summer and winter

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两种路面夏季和冬季的标准差、最大温差以及平均温度变化分别如表 2和表 3所示。由表 2可知：无论夏季还是冬季，柔性基层水泥路面与半刚性基层水泥路面的温度波动标准差与最大温差的变化程度均为板顶>板中>板底；从结构本身来看，同样设置沥青功能层，半刚性基层水泥路面冬季和夏季的温度标准差接近，而柔性基层水泥路面冬季标准差较夏季有大幅下降；夏季柔性基层水泥路面温度波动变化比半刚性基层大，冬季柔性基层水泥路面温度波动变化比半刚性基层小。由表 3可知：夏季柔性基层水泥路面板顶及板中的平均温度高于半刚性基层水泥路面对应的平均温度，其中板顶处高出0.7 ℃，板中处高0.5 ℃；而冬季柔性基层水泥路面整个板内的温度均比半刚性基层水泥路面板内的温度高0.3 ℃左右，表明半刚性基层水泥路面的平均温度低于柔性基层水泥路面的平均温度。由此可知，与柔性基层水泥路面面层相比，半刚性基层水泥路面面层受温度影响较小。

两种基层水泥路面夏冬季不同时刻的温度沿板厚变化情况如图 3所示。分析认为，夏季不同时刻的温度沿板厚变化晚上的非线性较大，白天的非线性较小；而冬季正相反，白天的非线性较大，晚上的非线性较小。且板底受温度影响较小，板中次之，板顶最大。

图 3 柔性基层和半刚性基层水泥路面夏冬季不同时刻温度沿板厚变化 Fig. 3 Variations of temperature of flexible base pavement and semi-rigid base pavement along slab thickness at different time in summer and winter

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两种基层水泥混凝土路面板内夏季和冬季温度梯度的变化情况如图 4所示。由图 4可知：(1)两种路面结构夏冬季板内温度梯度变化曲线接近以一昼夜为周期的正弦函数，有明显的波峰和波谷。(2)夏季，4:00为波谷即负温度梯度最大，12:00为波峰即正温度梯度最大；9:00温度梯度由负变正，21:00温度梯度由正变负，所以9:00和21:00是温度梯度发生交替的拐点。(3)冬季，8：00为波谷即负温度梯度最大，16：00为波峰即正温度梯度最大；10：00温度梯度由负变正，19：00温度梯度由正变负，所以10：00和19：00是温度梯度发生交替的拐点。(4)夏季半刚性基层水泥路面板内的温度梯度值的波动小于柔性基层水泥路面；冬季半刚性基层水泥路面板内的温度梯度值与柔性基层水泥路面相差不大。但整体而言，半刚性基层水泥路面的温度梯度小于柔性基层水泥路面，所以柔性基层水泥路面板内温度梯度值大于半刚性基层水泥路面板内温度梯度值，且夏季最大温度梯度值之差可达7.9 ℃/m，冬季最大温度梯度值之差可达4.5 ℃/m。综上所述，与柔性基层水泥路面面层相比，半刚性基层水泥路面面层受温度影响较小。

图 4 不同基层路面夏冬季板内温度梯度值 Fig. 4 Temperature gradients of pavement with different bases in summer and winter

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柔性基层和半刚性基层水泥路面夏季和冬季板内不同时刻总应变的变化情况如图 5所示。由图 5可知：(1)柔性基层和半刚性基层水泥路面的温度应变随着时刻变化曲线近似呈正弦函数关系；(2)应变与时刻之间的变化曲线有明显的波谷(6:00—8:00)和波峰(14:00—16:00)，波峰和波谷的出现主要是因为正负最大温度梯度造成，但由于板内温度各相位的滞后，所以出现的时间略有差距。但半刚性基层的波峰波谷相较于柔性基层有延后，表明半刚性基层的温度稳定性较好；(3)夏季，9:00板内各个位置逐渐由压应变变为拉应变，21:00板内各个位置逐渐由拉应变变为压应变，所以9:00和21:00是应变发生交替的拐点，这主要是由于温度梯度发生正负交替造成；(4)冬季，10:00板内各个位置逐渐由压应变变为拉应变，21:00板内各个位置逐渐由拉应变变为压应变，所以9:00和21:00是应变发生交替的拐点，这主要是由于温度梯度发生正负交替造成；(5)水泥路面板内最大应变(拉应变)出现在H5位置处的板顶，板内H3处板底的应变变形受温度影响波动最小。

图 5 柔性基层和半刚性基层路面夏冬季不同时刻总应变 Fig. 5 Total strains of flexible base pavement and semi-rigid base pavement at different time in summer and winter

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不同水泥路面板内夏季平均总应变如表 4所示。由表 4可知：总体上来看，柔性基层水泥路面H3处的应变小于H5处，半刚性基层水泥路面H3处的应变大于H5处，所以不同位置处的温度应变受基层类型的影响。在路面面板条件一定的前提下，使用半刚性基层，会使H3处板底应变增加0.4 με，板中增加1.1 με；会使H5处板底应变减少6 με，板中减少1.3 με，板顶减少5.8 με。所以，与柔性基层水泥路面相比，半刚性基层水泥路面会略微增大H3处的应变，但可以大大减小H5处的应变，所以使用半刚性基层作为水泥混凝土路面基层有利于减小板内温度应变。

柔性基层和半刚性基层水泥路面夏冬季板内温度与应变之间的关系如图 6所示。应变升高的路径与应变降低的路径并不重合，温度与应变之间的关系近似一个滞回圈，随着板深度的增加，滞回圈的长轴长度变短，表明板内的应变随深度的增加逐渐减小。板内板顶的应变最大，板底的应变最小。半刚性基层水泥路面的滞回圈呈现出闭合状态，而柔性基层的滞回圈基本不闭合，这一现象在冬季尤为明显；且H5处板顶的滞回现象最弱，更接近于线性。由于温度的非线性分布、非完全周期性波动、季节的不同以及基层类型的不同，所以滞回圈分布不规则。但是，同一基层同一位置处的滞回现象较为一致，受季节影响较小。

图 6 柔性基层和半刚性基层水泥路面不同位置温度应变 Fig. 6 Temperature strains at different positions of flexible base pavement and semi-rigid base pavement

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柔性基层和半刚性基层水泥路面板内不同位置不同深度处的应力增量变化如图 7所示。两种基层水泥路面板内平均温度应力增量如表 5所示。当其他条件保持不变时，总应力的增量即为温度应力。由图 7(a)可知：柔性基层水泥路面在H3处，板顶总是处于受压状态，最大温度应力值为1.5 MPa，而板中以及板底则是轻微的受拉状态，应力值很小。在H5处，板顶处于受压状态，但应力值小于H3处板顶的温度应力值；板中和板底则处于受拉状态，且板中处的应力值大小为H5处最大，达到了1.0 MPa，也大于H3处板中；板底的应力值非常小，在0刻度附近，小于H3处板底。由图 7(b)，(d)可知：半刚性基层水泥路面H3处板中和板底都处于受拉状态，且两者所受的拉应力大小接近，板中的最大温度应力为0.6 MPa；由于H3处板顶数据缺失，不能判断H3处板顶的受力情况，但是根据板中以及板底的受力情况来看，两种水泥路面板中心的受力情况应是一致的。H5处板中处于受拉状态，最大温度应力值为0.4 MPa；板顶和板底的拉压状态随时间发生变化，板底随时间变化先受压后受拉，而板顶的拉压状态与板底相反。总体来看，两种基层水泥路面在板中心和板纵缝边缘中部处的最大温度应力值分别出现在水泥路面板顶和板中；半刚性基层水泥路面的温度应力值小于柔性基层水泥路面，且半刚性基层的温度应力随时间的波动也小于柔性基层水泥路面。

图 7 柔性基层和半刚性基层路面不同位置应力增量变化 Fig. 7 Variations of stress increment at different positions of flexible base pavement and semi-rigid base pavement

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由表 5可知：两种基层水泥路面H3处的平均温度应力均随深度减小先后增加，而两种基层水泥路面H5处的平均温度应力均随深度先增加后减小；对于柔性基层水泥路面，H3板顶和板底的平均温度应力增量大于H5处板顶和板底，而H3板中的平均温度应力增量小于H5处中；对于半刚性基层水泥路面，H3处板中、板底的平均温度应力增量均大于H5处；虽然板顶数据缺失，不能判断H3处板顶的受力情况，但是根据板中和板底的受力情况来看，H3板顶大于H5板顶；柔性基层水泥路面H3处板中的平均温度应力增量比半刚性基层水泥路面H3处板中小0.1 MPa，板底小0.03 MPa；柔性基层水泥路面H5板顶的平均应力增量比半刚性基层水泥路面大0.13 MPa，板中大0.2 MPa，板底小0.02 MPa。综上所述，使用半刚性基层作为水泥混凝土路面基层有利于减小板内温度应力。

(1) 基层类型不同，各水泥混凝土路面温度场的分布也不同。柔性基层水泥混凝土路面的平均温度、温度极值、最大温差以及温度标准差均比半刚性基层水泥混凝土路面高；整体而言，柔性基层水泥路面板内温度梯度值大于半刚性基层；且与柔性基层水泥路面相比，半刚性基层水泥路面板内温度受季节影响相对较小。所以，半刚性基层水泥路面受温度影响较小，且使用半刚性基层有利于减小水泥混凝土路面的温度波动。

(2) 基层类型不同，各水泥混凝土路面温度应变之间也有差异。水泥混凝土路面板内的温度应变随温度梯度的变化而变化，半刚性基层水泥路面最大拉压应变的出现相较于柔性基层有延后，表明半刚性基层的温度稳定性较好，且不同位置处的温度应变受基层类型的影响。与柔性基层水泥路面相比，半刚性基层水泥路面会略微增大板中心处的应变，但可大大减小板纵缝边缘中部处的应变；且半刚性基层水泥路面的滞回圈呈现闭合状态，而柔性基层则相反。所以使用半刚性基层有利于减小水泥混凝土路面的温度应变。

(3) 基层类型不同，各水泥混凝土路面温度应力之间也有差异。半刚性基层水泥路面板纵缝边缘中部处的温度应力变化较为特殊，其板中处于受拉状态，板底的拉压状态随时间变化为先受压后受拉，而板顶则与板底相反。总体来看，两种基层水泥路面在板中心和板纵缝边缘中部处的最大温度应力值分别出现在水泥路面板顶和板中，半刚性基层水泥路面的温度应力值以及温度应力随时间的波动均小于柔性基层水泥路面；柔性基层水泥路面板中心处的平均温度应力增量比半刚性基层水泥路面略小，而板纵缝边缘中部处的平均应力增量则相反。所以，使用半刚性基层有利于减小水泥混凝土路面的温度应力。