基于层间关系的路面结构特点分析

苏 康

（重庆交通大学， 重庆 400074）

1 现有路面结构类型

根据行车荷载和自然环境的在不同深度对路面的不同强度影响，我们综合各种考虑包括经济成本、施工便携性等对路面结构进行分层设计，即依据不同的功能特点修筑不同的功能层。而我们都知道，通常路面结构根据功能划分为面层、基层、垫层。面层暴露在大气中直接和车辆相接触。众所周知，基层是路面结构的承重层。而对于整个路面结构来说，直观的，对于其破坏是路面层的破坏，但大多数情况面层破坏是因为基层出现问题所致。因此基层力学性能的稳定性对于整个路面结构是至关重要的。

在工程设计中，从路面结构的力学性能和设计方法相似性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。柔性路面总体结构刚度较小，抵抗弯拉能力较差，而抗压及抗剪能力较强，其整个路面结构也是依靠抗剪抗压来承受路面行车荷载。刚性路面，顾名思义，路面结构的整体刚度较大，在行车荷载作用下变形较小，抗弯拉能力强，但分散传递行车荷载的能力较柔性路面差。半刚性路面介于二者之间，但仍采用半刚性基层路面设计理论设计。

2 层间关系的分析

我国最常见的路面是半刚性沥青路面和水泥混凝土路面。因为沥青混凝土路面较高的行车舒适性所以在我们高等级公路中较为常见。水泥混凝土路面因为其施工的便宜性及成本较为廉价，因此在我们低等级道路中较为常见。在弹性力学中有一个变形协调原理，是指物体变形后仍保持其整体性和连续性，也即，变形的协调性。因为路面的铺筑是一项综合工程，不仅要考虑道路的使用舒适度还要考虑其总造价与使用寿命的性价比等一些方面，因此来说路面结构因其不同的功能与不同的受力特点而分成不同的功能层。而这两种常见路面结构也是大体分为三层：面层、基层、垫层。

以弹性力学的角度来看，存在分层即存在层间结合，而层间结合则意味着两张不同的材料（即便同是混凝土只要分层就说明二者之间存在某些不同程度的差异，诸如浇筑时间、强度等方面）之间的结合。在受到外力作用的情况下，因为不同层的力学性质不同会出现不同的表现。但是从弹性力学“协调”的角度来看，如果要保持整个路面结构的整体性，就意味着各层之间在外力作用变形后仍能保持其整体性和连续性。此时，会出现以下两种结果：

（1）各层保持整体性，但由于各层的材料性质、功能、受力（内部应力）不同，会在某层首先出现裂纹，因为变形的协调性裂纹会继续向相邻层扩展或者是出现层间的破坏致使整个路面结构失去整体性。

（2）各层不具备整体性，即没有“协调”，导致荷载在不能在各层间良好传递，最终出现某一层（特别是面层）承载较大荷载而出现破坏的情况，进而导致整个路面结构的破坏。

从这两个结果我们可以看出，保持整体性与设置不同的功能层之间存在悖论：想要让路面保持整体性从而具有良好的使用寿命则不能设置不同的功能层，也就是要减少结构的层数，越少越好，甚至只有一层。但是另一方面，从成本来说这样又太高，而且从不同位置的功能特点来说不同的位置承担不同的功能，需要不能的位置具备不同的特点，这对材料来说又是不可能存在的事情。由此，我们得出一个结论，路面分层设置不同的功能层是必然的结果，然而分层也必然带来一些层间破坏，而我们下一步要做的就是努力减少层间破坏引起的路面结构的破坏。

3 我国路面结构的缺点

国内的路面结构主要以半刚性基层路面为主，而该路面结构的最大问题是基层沉降导致路面出现反射裂纹的情况。这也是层间不协调导致的结果，因为该路面结构基层与面层并不是完全分离，存在一定的相互粘结，所以面层往往会因为基层的裂纹而一起开裂。

水泥混凝土路面存在一些问题，如裂缝、断裂、沉陷、错台等。特别是路面裂缝。水泥混凝土路面因为其面层水泥混凝土刚度较大，而基层刚度远远小于面层，因此并不能很好的和半刚性基层共同工作，再加上面层混凝土（一般是现浇）具有粘结性会和基层有粘合，一旦出现路面裂缝从"协调”来说会导致裂缝的向下扩张，最终导致整个水泥混凝土的破坏。

而沥青路面则是因为沥青混凝土是一种弹-塑-粘性材料，但这是其缺点，会因为长时间车辆荷载作用而产生车辙，进而导致路面的不平整等，致使面层的破坏。

4 结论

利用弹性力学的“变形协调原理”，我们简要分析了现有路面结构的优缺点，其中主要是以路面结构的层间关系为分析对象，我们既然将整个路面看做一个结构即是将其看做一个整体，而一个整体在受外力的情况下要遵循物理规律，遵循变形协调原理。但是另一方面，这个结构又是不同的功能层组成的整体，意味着整个结构存在着先天的“缺陷”—各层在最初就不是性能完全相同的材料，会存在先天的不协调。从上文的分析我们也可以知道，路面分层是必然的结果，我们只能在整体与分层之间寻找一个平衡点，使我们最终的路面结构达到最理想的状态。所以是一个整体在下一步的工作之中希望能进一步定量分析这些特点，并提出一些针对性的改进办法，使我们的工作有进一步的发展，也能够让我国的道路事业更上一个台阶。

[1]张永平,陆永林,张洪亮,等.基于弹性理论的沥青路面 Top-Down开裂机理研究[J].公路交通科技,2014,31(4):16-21.

[2]张巧玲,彭淑华,孙旭光.半刚性基层沥青路面施工期开裂分析[J].青岛建筑工程学院学报,2005,26(4):119-121.

[3]马培建,张所新,姜福香.半刚性基层沥青路面施工期开裂分析及预测[J].青岛建筑工程学院学报,2003,24(3):5-8.

[4]许涛.假设检验在沥青混凝土路面厚度检验中的应用[J].北方交通,2008(3):99-100.

[5]徐华.半刚性基层沥青混凝土路面反射裂缝扩展和疲劳寿命研究[D].南宁:广西大学,2012.

[6]万晨光,申爱琴,郭寅川,等.层间接触状态对桥面铺装结构力学响应的影响[J].江苏大学学报:自然科学版,2016,37(2):236-241.

[7]侯荣国,牛开民,田波.土工布在水泥混凝土路面加铺沥青混凝土层结构中的抗剪试验分析[J].公路,2011,10:29-32.

[8]张斌.饱和沥青路面的粘弹性分析[D].大连海事大学,2013.

[9]胡渊.沥青路面 Top-Down裂纹形成机理[D].武汉 i华中科技大学,2012.

[10]吕光印.柔性基层沥青路面 Top-Down开裂机理研究[D].西安:长安大学,2008.

[11]柳崇敏,胡安宇,张永平,等.沥青路面 Top—Down开裂机理研究综述[J].价值工程,2013,32(5):71-72.

[12]范植昱,徐柏才.降温过程对沥青路面 Top-Down开裂的影响[J].中外公路,2011,31(2):40-43.

[13]苗雨,吕加贺,张青军,等.含多裂纹沥青路面开裂机制及扩展分析[J].岩土力学,2012,33(5):1513-1518.