基于層間關(guān)系的路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

蘇 康

（重慶交通大學(xué)， 重慶 400074）

1 現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)行車荷載和自然環(huán)境的在不同深度對(duì)路面的不同強(qiáng)度影響，我們綜合各種考慮包括經(jīng)濟(jì)成本、施工便攜性等對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，即依據(jù)不同的功能特點(diǎn)修筑不同的功能層。而我們都知道，通常路面結(jié)構(gòu)根據(jù)功能劃分為面層、基層、墊層。面層暴露在大氣中直接和車輛相接觸。眾所周知，基層是路面結(jié)構(gòu)的承重層。而對(duì)于整個(gè)路面結(jié)構(gòu)來說，直觀的，對(duì)于其破壞是路面層的破壞，但大多數(shù)情況面層破壞是因?yàn)榛鶎映霈F(xiàn)問題所致。因此基層力學(xué)性能的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)路面結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。

在工程設(shè)計(jì)中，從路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法相似性出發(fā)，將路面劃分為柔性路面、剛性路面和半剛性路面三類。柔性路面總體結(jié)構(gòu)剛度較小，抵抗彎拉能力較差，而抗壓及抗剪能力較強(qiáng)，其整個(gè)路面結(jié)構(gòu)也是依靠抗剪抗壓來承受路面行車荷載。剛性路面，顧名思義，路面結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，在行車荷載作用下變形較小，抗彎拉能力強(qiáng)，但分散傳遞行車荷載的能力較柔性路面差。半剛性路面介于二者之間，但仍采用半剛性基層路面設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)。

2 層間關(guān)系的分析

我國(guó)最常見的路面是半剛性瀝青路面和水泥混凝土路面。因?yàn)闉r青混凝土路面較高的行車舒適性所以在我們高等級(jí)公路中較為常見。水泥混凝土路面因?yàn)槠涫┕さ谋阋诵约俺杀据^為廉價(jià)，因此在我們低等級(jí)道路中較為常見。在彈性力學(xué)中有一個(gè)變形協(xié)調(diào)原理，是指物體變形后仍保持其整體性和連續(xù)性，也即，變形的協(xié)調(diào)性。因?yàn)槁访娴匿佒且豁?xiàng)綜合工程，不僅要考慮道路的使用舒適度還要考慮其總造價(jià)與使用壽命的性價(jià)比等一些方面，因此來說路面結(jié)構(gòu)因其不同的功能與不同的受力特點(diǎn)而分成不同的功能層。而這兩種常見路面結(jié)構(gòu)也是大體分為三層：面層、基層、墊層。

以彈性力學(xué)的角度來看，存在分層即存在層間結(jié)合，而層間結(jié)合則意味著兩張不同的材料（即便同是混凝土只要分層就說明二者之間存在某些不同程度的差異，諸如澆筑時(shí)間、強(qiáng)度等方面）之間的結(jié)合。在受到外力作用的情況下，因?yàn)椴煌瑢拥牧W(xué)性質(zhì)不同會(huì)出現(xiàn)不同的表現(xiàn)。但是從彈性力學(xué)“協(xié)調(diào)”的角度來看，如果要保持整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的整體性，就意味著各層之間在外力作用變形后仍能保持其整體性和連續(xù)性。此時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下兩種結(jié)果：

（1）各層保持整體性，但由于各層的材料性質(zhì)、功能、受力（內(nèi)部應(yīng)力）不同，會(huì)在某層首先出現(xiàn)裂紋，因?yàn)樽冃蔚膮f(xié)調(diào)性裂紋會(huì)繼續(xù)向相鄰層擴(kuò)展或者是出現(xiàn)層間的破壞致使整個(gè)路面結(jié)構(gòu)失去整體性。

（2）各層不具備整體性，即沒有“協(xié)調(diào)”，導(dǎo)致荷載在不能在各層間良好傳遞，最終出現(xiàn)某一層（特別是面層）承載較大荷載而出現(xiàn)破壞的情況，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的破壞。

從這兩個(gè)結(jié)果我們可以看出，保持整體性與設(shè)置不同的功能層之間存在悖論：想要讓路面保持整體性從而具有良好的使用壽命則不能設(shè)置不同的功能層，也就是要減少結(jié)構(gòu)的層數(shù)，越少越好，甚至只有一層。但是另一方面，從成本來說這樣又太高，而且從不同位置的功能特點(diǎn)來說不同的位置承擔(dān)不同的功能，需要不能的位置具備不同的特點(diǎn)，這對(duì)材料來說又是不可能存在的事情。由此，我們得出一個(gè)結(jié)論，路面分層設(shè)置不同的功能層是必然的結(jié)果，然而分層也必然帶來一些層間破壞，而我們下一步要做的就是努力減少層間破壞引起的路面結(jié)構(gòu)的破壞。

3 我國(guó)路面結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

國(guó)內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)主要以半剛性基層路面為主，而該路面結(jié)構(gòu)的最大問題是基層沉降導(dǎo)致路面出現(xiàn)反射裂紋的情況。這也是層間不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的結(jié)果，因?yàn)樵撀访娼Y(jié)構(gòu)基層與面層并不是完全分離，存在一定的相互粘結(jié)，所以面層往往會(huì)因?yàn)榛鶎拥牧鸭y而一起開裂。

水泥混凝土路面存在一些問題，如裂縫、斷裂、沉陷、錯(cuò)臺(tái)等。特別是路面裂縫。水泥混凝土路面因?yàn)槠涿鎸铀嗷炷羷偠容^大，而基層剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于面層，因此并不能很好的和半剛性基層共同工作，再加上面層混凝土（一般是現(xiàn)澆）具有粘結(jié)性會(huì)和基層有粘合，一旦出現(xiàn)路面裂縫從"協(xié)調(diào)”來說會(huì)導(dǎo)致裂縫的向下擴(kuò)張，最終導(dǎo)致整個(gè)水泥混凝土的破壞。

而瀝青路面則是因?yàn)闉r青混凝土是一種彈-塑-粘性材料，但這是其缺點(diǎn)，會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間車輛荷載作用而產(chǎn)生車轍，進(jìn)而導(dǎo)致路面的不平整等，致使面層的破壞。

4 結(jié)論

利用彈性力學(xué)的“變形協(xié)調(diào)原理”，我們簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，其中主要是以路面結(jié)構(gòu)的層間關(guān)系為分析對(duì)象，我們既然將整個(gè)路面看做一個(gè)結(jié)構(gòu)即是將其看做一個(gè)整體，而一個(gè)整體在受外力的情況下要遵循物理規(guī)律，遵循變形協(xié)調(diào)原理。但是另一方面，這個(gè)結(jié)構(gòu)又是不同的功能層組成的整體，意味著整個(gè)結(jié)構(gòu)存在著先天的“缺陷”—各層在最初就不是性能完全相同的材料，會(huì)存在先天的不協(xié)調(diào)。從上文的分析我們也可以知道，路面分層是必然的結(jié)果，我們只能在整體與分層之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，使我們最終的路面結(jié)構(gòu)達(dá)到最理想的狀態(tài)。所以是一個(gè)整體在下一步的工作之中希望能進(jìn)一步定量分析這些特點(diǎn)，并提出一些針對(duì)性的改進(jìn)辦法，使我們的工作有進(jìn)一步的發(fā)展，也能夠讓我國(guó)的道路事業(yè)更上一個(gè)臺(tái)階。

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