申 燕

（資中縣交通運(yùn)輸服務(wù)中心，四川 資中 641200）

0 引言

隨著我國(guó)交通網(wǎng)路的快速發(fā)展，路面損傷問(wèn)題逐漸凸顯。水泥混凝土路面以其耐久性和穩(wěn)定性好且具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等性質(zhì)得到廣泛應(yīng)用，通常水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)使用年限最小為10年，但大量研究表明，水泥混凝土路面使用2～3年就會(huì)出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性病害，例如出現(xiàn)路面斷板或裂縫等。同時(shí)，水泥混凝土路面維修保養(yǎng)成本較高，且需要較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，勢(shì)必會(huì)造成交通不便等問(wèn)題，因此對(duì)水泥混凝土路面斷裂機(jī)理進(jìn)行研究十分重要。造成道路病害的因素有多種，在進(jìn)行道路病害原因分析和治理過(guò)程中應(yīng)充分考慮道路建設(shè)狀況，選取適宜的研究方法，并采取針對(duì)性防治措施[1]。

1 水泥混凝土路面斷裂因素分析

路面斷裂是水泥混凝土路面最為常見(jiàn)的病害，但其形成機(jī)理比較復(fù)雜，涉及到材料、結(jié)構(gòu)、施工工藝等多種因素。通常而言路面斷裂的根本原因在于路面的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于材料的承載極限，導(dǎo)致路面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。將路面開(kāi)裂進(jìn)行逐層分析，大致可將水泥混凝土路面分為面板底層、中間層和表面層三個(gè)層級(jí)。面板底層是指道路面層和基層共同形成的結(jié)構(gòu)，面層直接接觸車(chē)輛荷載，并將荷載向下傳遞，在面層和基層之間形成過(guò)渡層也叫聯(lián)結(jié)層，聯(lián)結(jié)層承受了面層傳遞下來(lái)的荷載，在高荷載影響下聯(lián)結(jié)層的結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致路面形成初始裂縫的根本因素。隨著道路使用年限的增加，面板底層不穩(wěn)定性更加凸顯，直接導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，加大道路損害；中間層主要指的是路面板體，是水泥混凝土板做成的面層，該層主要是受到初始裂縫的影響，在道路荷載的作用下，路面板體沿著初始裂縫形成的路徑和方位進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大和累積，形成路面斷裂的潛在隱患；表面層是水泥混凝土路面的表層，該層直接接觸車(chē)輛，但由于施工質(zhì)量和道路坡度等因素影響，表面存在平整度差異大的問(wèn)題，在道路正常運(yùn)行中，表層和車(chē)輛相互沖擊、摩擦，直接加劇道路的裂縫損傷，甚至?xí)?dǎo)致路板斷裂[2]。

工程實(shí)際應(yīng)用中，道路使用情況常和溫度息息相關(guān)，受地表溫度和季節(jié)交替影響，水泥混凝土?xí)嬖跓崦浝淇s的情況，變溫應(yīng)力與翹曲應(yīng)力在道路的荷載應(yīng)力共同作用下，會(huì)直接導(dǎo)致水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性損壞。

2 水泥混凝土路面斷裂實(shí)驗(yàn)分析

2.1 工程概況

本文選取四川省某路段作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該路段由原一級(jí)公路改造而成，道路全長(zhǎng)187.45km，于2008年正式投入使用，設(shè)計(jì)車(chē)流量為20000輛∕日。項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于高溫多雨地區(qū)，全年降雨量在1076～1867.9mm范圍內(nèi)，年平均相對(duì)濕度為76.3%，年平均氣溫在18.6～22.3℃之間。對(duì)實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行勘察研究，道路的路面結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于原路板斷板率高于30%，因此對(duì)原路基進(jìn)行挖除處理，在原有土基的基礎(chǔ)上建設(shè)新的路面結(jié)構(gòu)層。對(duì)各層進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度分析，水泥混凝土面層和碾壓貧混凝土基層的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度分別為5MPa和3MPa，彎拉的彈性模量分別為30000MPa和23000MPa，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石底基層彈性模量為1000MPa。

圖1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 溫度及荷載對(duì)水泥混凝土路面受力影響

通過(guò)對(duì)路面斷裂機(jī)理分析可知，路面溫度和道路荷載是導(dǎo)致路面斷裂的重要因素，本文將溫度和荷載因素進(jìn)行耦合，對(duì)溫度條件分別為10℃、15℃、20℃、25℃和30℃的工況，不同荷載作用下水泥混凝土路面板層底拉應(yīng)力進(jìn)行研究，得到如圖2所示結(jié)果。由圖2可以看出，同一荷載下，水泥混凝土路面板層底的拉應(yīng)力隨溫度的升高而增大，且呈線性關(guān)系；同一溫度工況下，水泥混凝土路面板層底的拉應(yīng)力隨路面荷載的增加而增大，總體來(lái)說(shuō)在路面溫度為30℃，路面荷載為100%時(shí)層底拉應(yīng)力最大值可達(dá)到4.55MPa。這說(shuō)明在溫度和道路荷載綜合影響下，最大拉應(yīng)力可能對(duì)路面造成一次性損傷，因此在道路施工時(shí)一定要保證路面各層的厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效避免路面產(chǎn)生裂縫等損傷。

圖2 溫度和荷載對(duì)面層層底拉應(yīng)力的影響

2.3 車(chē)輛荷載次數(shù)對(duì)水泥混凝土路面韌性影響

根據(jù)斷裂力學(xué)機(jī)理分析可知，當(dāng)路面斷裂裂縫開(kāi)始向外延伸擴(kuò)展時(shí)，水泥混凝土的開(kāi)裂韌度與路面的疲勞作用次數(shù)有明顯關(guān)系[3]。本文分別對(duì)25kN、50kN和75kN三種荷載情況下，荷載作用次數(shù)與路面的開(kāi)裂韌度進(jìn)行模擬分析，得到如圖3所示結(jié)果。可以看出同一荷載作用下，隨荷載作用次數(shù)的增加路面斷裂韌度逐漸降低；應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，路面斷裂韌度的下降速率越高，對(duì)比三種工況，應(yīng)力作用為75kN時(shí)，應(yīng)力作用因子為0.4，荷載作用103～104之間時(shí)斷裂韌度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，應(yīng)力強(qiáng)度因子為0.2045時(shí)，需要荷載作用次數(shù)達(dá)到106～107之間時(shí)斷裂韌度才明顯下降，因此可以從路面荷載強(qiáng)度和荷載作用次數(shù)綜合計(jì)算，將路面的斷裂韌度控制在合理范圍內(nèi)。此外，若考慮路面受損傷的情況，路面的中性軸會(huì)隨損傷的加劇出現(xiàn)上移，此時(shí)路面可承受的荷載作用次數(shù)更低，路面更加容易達(dá)到斷裂臨界值，這主要是因?yàn)槁访娴臄嗔堰^(guò)程是一種逐漸積累的損傷過(guò)程，板底的裂縫受荷載作用不斷擴(kuò)展，造成道路損傷逐漸增加，斷裂韌度不斷下降，形成加劇路面損傷的循環(huán)鏈路，因此對(duì)路面損傷應(yīng)及時(shí)處理，避免損傷進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖3 荷載作用次數(shù)與路面開(kāi)裂韌度之間的關(guān)系

2.4 層間摩擦對(duì)水泥混凝土路面受力影響

層間摩擦力是保證路面層間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要指標(biāo)[4]，本文分別對(duì)水泥混凝土面層和貧混凝土層的摩擦系數(shù)和層底的拉應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，得到如圖4所示結(jié)果。

圖4 摩擦系數(shù)對(duì)面層層底拉應(yīng)力影響

可以看出，隨摩擦系數(shù)的增大，層底的拉應(yīng)力呈逐漸降低趨勢(shì)，當(dāng)層間無(wú)摩擦?xí)r，水泥混凝土面層和貧混凝土層的層底拉應(yīng)力分別為1.62MPa和1.1MPa，當(dāng)摩擦系數(shù)設(shè)置到最大1 時(shí)，二者的層底拉應(yīng)力分別為0.98MPa 和0.84MPa，說(shuō)明隨面層間粗糙度的增加，層間出現(xiàn)相對(duì)滑移的趨勢(shì)越弱，層間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槟Σ料禂?shù)高的面層層間顆粒的嵌合程度高，在外部荷載的作用下形成相對(duì)穩(wěn)定的嵌合結(jié)構(gòu)，層底的拉應(yīng)力減小。對(duì)比兩種面層層底拉應(yīng)力隨摩擦系數(shù)的變化情況，可以看出水泥混凝土面層的最大拉應(yīng)力減小了39.5%，而貧混凝土層的拉應(yīng)力減少了23.6%，相對(duì)而言，水泥混凝土面層層底拉應(yīng)力受摩擦系數(shù)的影響較大，貧混凝土基層層間相對(duì)穩(wěn)定，這主要是因?yàn)樗嗷炷撩鎸雍拓毣炷翆拥幕旌狭喜馁|(zhì)和面層厚度不同，相對(duì)來(lái)說(shuō)貧混凝土基層材料粒徑相對(duì)較大，顆粒間的嵌合程度相對(duì)較高，隨摩擦系數(shù)的增大，層間結(jié)構(gòu)的抗滑移能力增強(qiáng)，因此在工程應(yīng)用中要注意水泥混凝土粗糙度的控制，增加摩擦系數(shù)可提高層間穩(wěn)定性，避免路面裂縫的產(chǎn)生。

3 水泥混凝土路面斷裂防治措施

從上述實(shí)驗(yàn)分析可知，對(duì)水泥混凝土路面斷裂進(jìn)行有效的防治要從結(jié)構(gòu)力學(xué)和溫度力學(xué)等多個(gè)角度考慮。首先針對(duì)路面裂縫的長(zhǎng)度、寬度以及裂縫形狀等因素進(jìn)行初步的判斷，對(duì)裂縫的有害程度進(jìn)行定級(jí)，并選擇合適的治理方案。工程應(yīng)用中采取先防后治的方式處理道路病害[5]。

針對(duì)路面斷裂等路面結(jié)構(gòu)問(wèn)題，早期預(yù)防至關(guān)重要，因此要在道路設(shè)計(jì)階段就應(yīng)將路面斷裂防治措施考慮其中，在道路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)氣候條件、地質(zhì)情況和交通荷載等進(jìn)行調(diào)查，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)路面各層厚度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行合理選擇，強(qiáng)化路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低各層裂縫產(chǎn)生的可能性。施工質(zhì)量是導(dǎo)致路面斷裂的直接原因，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制路基壓實(shí)度、彎沉值等，保證路基具有足夠的承載力；在施工過(guò)程中，還應(yīng)控制作業(yè)環(huán)境條件，避免陽(yáng)光直射，防止水泥混凝土出現(xiàn)干縮裂縫。合理選擇水泥混凝土混合料，嚴(yán)格控制水泥、集料和水等用量，保證材料強(qiáng)度，混合料制備過(guò)程中要控制振搗度，避免混合料離析，防止路面出現(xiàn)早期裂縫。

4 結(jié)束語(yǔ)

水泥混凝土路面在使用過(guò)程中常出現(xiàn)路面斷裂的問(wèn)題，嚴(yán)重降低路面的使用效果，降低道路的使用壽命，本文對(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：

（1）路面溫度和道路荷載是導(dǎo)致路面斷裂的重要因素，水泥混凝土路面板層底的拉應(yīng)力隨溫度的升高而增大，水泥混凝土路面板層底的拉應(yīng)力隨路面荷載的增加而增大，當(dāng)溫度和荷載達(dá)到最大時(shí)，層底拉應(yīng)力最大值可達(dá)到4.55MPa。因此在道路施工時(shí)一定要保證路面各層的厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效避免路面產(chǎn)生裂縫等損傷。

（2）可以看出同一荷載作用下，隨荷載作用次數(shù)的增加，路面斷裂韌度逐漸降低；應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，路面斷裂韌度的下降速率越高，應(yīng)力作用分別為75kN和25kN時(shí)，后者可承受的作用次數(shù)是前者的1000倍，因此可以從路面荷載強(qiáng)度和荷載作用次數(shù)綜合計(jì)算，將路面的斷裂韌度控制在合理范圍內(nèi)。

（3）對(duì)水泥混凝土面層和貧混凝土層的層底拉應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，可以看出水泥混凝土面層的最大拉應(yīng)力減小了39.5%，而貧混凝土層的拉應(yīng)力減少了23.6%，相對(duì)而言水泥混凝土面層層底拉應(yīng)力受摩擦系數(shù)的影響較大，因此在工程應(yīng)用中，增加摩擦系數(shù)可提高層間穩(wěn)定性，避免路面裂縫的產(chǎn)生。