半刚性基层沥青路面反射裂缝形成机理分析

杨云涛+孙良程+黄磊+肖彬

摘 要：对于半刚性基层沥青路面，都存在着普遍现象：反射裂缝，根据西尔斯和不里恩公式，我们指出基层首先开裂主要是因为半刚性基层材料中的温缩、干缩应力，并且阐述拉裂型、剪切型是沥青路面反射裂缝的两种开裂模式。分别研究了行车荷载、温度荷载两种不同作用下造成的破坏模式。

关键词：反射裂缝；温缩、干缩应力；断裂力学

半刚性基层沥青路面凭借其整体性好、刚度大、强度高、水稳定性好、经济效益好等优点，目前已成为我国高等级公路路面结构的主要形式，然而，就在日益广泛应用该路面结构的同时，问题出现了，该路面结构存在着严重的裂缝问题。沥青路面裂缝中最常见的裂缝是反射裂缝，它的产生，使得路面结构的整体性和连续性遭到破坏，使得路面结构强度降低，加剧沥青路面的损坏，而且雨水、雪水会沿着裂缝下渗，软化半刚性基层，在大量行车荷载反复作用下大大降低了路面强度，产生一些常见病害，比如冲刷、沉陷等等，本文重点对沥青路面反射裂缝形成机理进行分析。

1 半刚性基层沥青路面反射裂缝产生和扩展机理

对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝主要是指：基层材料因其自身温缩和干缩开裂，随后沿着裂缝向面层上方反射的裂缝或者说是在行车荷载的反复作用下，结构层底面产生了裂缝，随后裂缝沿着已开裂半刚性基层向上扩展而形成的裂缝。显然得知，反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂，最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青面层的裂缝。

1.1 裂缝的形成

1.1.1 温度收缩机理。半刚性基层材料的温缩性非常显著，如表1。如半刚性基层沥青路面面层厚度<30cm时，在温差相差较大的北部，半刚性基层的内部会出现相当大温度梯度，此时基层内的温度应力也会较大。根据中国北部沥青路面温度场实验材料，对于沥青面层厚8-14cm时，12月中一天的时间中半刚性基层顶面要承受12±1℃的温差。面临这样的情况，对于水泥处置粒料和二灰稳定粒料等半刚性基层材料，若取其平均温缩系数αt=8×10-6℃-1，经计算半刚性基层的劲度模量平均值超过10000MPa。如设St=10000MPa，且设半刚性基层表面温度下降12℃，根据西尔斯和布里恩提出的公式可以得出半刚性基层顶面存在的温度应力：

σt=αt×St×ΔT （1）

σt=8×10-6×10000×12=0.96MPa （2）

在一般情况下，σt大于半刚性基层材料所容许的抗弯拉强度，由此可知，当温差越大时，基层开裂可能性越大。

表1 部分半刚性材料的温缩系数（με/℃）

材料 石灰土 水泥土 二灰土 石灰土砂砾 水泥砂砾 石灰粉煤灰砂砾

αt 64 39 41 17.1 13 12.7

1.1.2 干燥收缩机理。干燥收缩是由于材料内部含水量变化而导致的体积收缩的现象。干燥收缩也严重影响半刚性基层开裂程度，半刚性材料的干缩系数远远大于温缩系数，甚至达到10多倍，如表2。可以根据下式得出相应的干缩应力：

σ0=α0St×Δw （3）

式中：σ0为平均干缩系数；w1，w2为含水量；Δw为含水量的变化量；St为基层劲度模量。

半刚性基层材料经试验得出最佳含水量大致为9.6%，而混合料在进行风干后，其含水量为最佳含水量的72%-76.8%，则半刚性基层在风干状态下的失水量达到。设平均干缩系数为33×10-6/Δw，St=10000MPa，代入上式可知σ0=2.3MPa。经验算大于半刚性基层本身的抗弯拉强度。

由于半刚性基层现在没有适宜的养生条件，尤其是对于干缩性较大的稳定细粒土基层，其还没有完全形成抗拉强度，此时如果基层失水较大，基层内部的干缩应力会很大，从而导致干缩裂缝。

表2 几种半刚性基层材料的平均干缩系数

砂粒含量/% 不同材料干缩系数平均值α0（×10-6/Δw）

灰土砂砾 二灰砂砾 水泥砂砾 水泥含量/%

0 163.1 54.8 35.4 8

20 151.4 62.4 32.1 7

35 145.8 47.3 26.9 6

60 110.5 39.4 21.6 5

75 107.2 34.5 26.8 4

平均 135.6 47.7 28.6 6

1.2 裂缝的扩展

若在半刚性基层中形成裂缝后，由于温度应力和行车荷载不断作用，裂缝会逐渐向上扩展，最终在面层表面形成。

通过断裂力学理论，裂缝扩展的主要扩展形式有以下三种：撕裂、剪裂、拉裂。在半刚性基层中，由于荷载及荷载作用方式的差异，裂缝的扩展方式也会产生较大的差异。若交通荷载作用于不同的裂缝位置，也会产生不同的裂缝扩展模式。在纵向裂缝中产生的三级破坏的原因是在纵向裂缝的端部作用了行车荷载。裂缝扩展产生的重要因素就是温差变化较大，尤其是在冬季大幅度降温季节，此时因温差变化产生的温度应力为拉应力，故最终产生一型裂缝扩展形式。

有关研究指出，裂缝的扩展速率和裂缝尖端的应力场强度的关系很密切，我们参考断裂力学用强度因子K来表示裂缝尖端应力场的强度。即随着K值的增大，裂缝扩展速度随之加快，而面层的疲劳寿命将缩短。

综上所述，影响反射裂缝产生于半刚性基层沥青路面中的根本因素就是外界因素，也就是温差变化和湿度变化使得温缩和干缩开裂形成于半刚性基层中。又在裂缝尖端出现了应力重分布的情况，导致尖端出现显著的应力集中现象，结果首先在仅靠裂缝尖端的面层底部出现开裂，而交通及环境荷载作用重复作用于沥青面层，使得裂缝逐渐向上扩展、延伸，最终使得反射裂缝贯穿整个沥青面层。

2 结语

反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂，最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青面层的裂缝。影响反射裂缝形成和扩展的因素主要有两个：（1）沥青面层厚度值；（2）半刚性基层的温缩性质。

参考文献

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 周富杰，孙立军.防止反射裂缝的措施及其分析[J].华东公路， 1996，102（5）.

[3] 曹克平，王树行.沥青路面裂缝的机理及其防治措施[J].国外公路，1998，18（5）.

[4] 张起森，郑健龙.半刚性基层沥青路面的开裂机理[J].土木工程学报，1992，25（2）.

[5] 同济大学道路与交通工程研究所.半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1991.

[6] 何兆益.碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究[D].南京：东南大学，1997.

摘 要：对于半刚性基层沥青路面，都存在着普遍现象：反射裂缝，根据西尔斯和不里恩公式，我们指出基层首先开裂主要是因为半刚性基层材料中的温缩、干缩应力，并且阐述拉裂型、剪切型是沥青路面反射裂缝的两种开裂模式。分别研究了行车荷载、温度荷载两种不同作用下造成的破坏模式。

关键词：反射裂缝；温缩、干缩应力；断裂力学

半刚性基层沥青路面凭借其整体性好、刚度大、强度高、水稳定性好、经济效益好等优点，目前已成为我国高等级公路路面结构的主要形式，然而，就在日益广泛应用该路面结构的同时，问题出现了，该路面结构存在着严重的裂缝问题。沥青路面裂缝中最常见的裂缝是反射裂缝，它的产生，使得路面结构的整体性和连续性遭到破坏，使得路面结构强度降低，加剧沥青路面的损坏，而且雨水、雪水会沿着裂缝下渗，软化半刚性基层，在大量行车荷载反复作用下大大降低了路面强度，产生一些常见病害，比如冲刷、沉陷等等，本文重点对沥青路面反射裂缝形成机理进行分析。

1 半刚性基层沥青路面反射裂缝产生和扩展机理

对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝主要是指：基层材料因其自身温缩和干缩开裂，随后沿着裂缝向面层上方反射的裂缝或者说是在行车荷载的反复作用下，结构层底面产生了裂缝，随后裂缝沿着已开裂半刚性基层向上扩展而形成的裂缝。显然得知，反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂，最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青面层的裂缝。

1.1 裂缝的形成

1.1.1 温度收缩机理。半刚性基层材料的温缩性非常显著，如表1。如半刚性基层沥青路面面层厚度<30cm时，在温差相差较大的北部，半刚性基层的内部会出现相当大温度梯度，此时基层内的温度应力也会较大。根据中国北部沥青路面温度场实验材料，对于沥青面层厚8-14cm时，12月中一天的时间中半刚性基层顶面要承受12±1℃的温差。面临这样的情况，对于水泥处置粒料和二灰稳定粒料等半刚性基层材料，若取其平均温缩系数αt=8×10-6℃-1，经计算半刚性基层的劲度模量平均值超过10000MPa。如设St=10000MPa，且设半刚性基层表面温度下降12℃，根据西尔斯和布里恩提出的公式可以得出半刚性基层顶面存在的温度应力：

σt=αt×St×ΔT （1）

σt=8×10-6×10000×12=0.96MPa （2）

在一般情况下，σt大于半刚性基层材料所容许的抗弯拉强度，由此可知，当温差越大时，基层开裂可能性越大。

表1 部分半刚性材料的温缩系数（με/℃）

材料 石灰土 水泥土 二灰土 石灰土砂砾 水泥砂砾 石灰粉煤灰砂砾

αt 64 39 41 17.1 13 12.7

1.1.2 干燥收缩机理。干燥收缩是由于材料内部含水量变化而导致的体积收缩的现象。干燥收缩也严重影响半刚性基层开裂程度，半刚性材料的干缩系数远远大于温缩系数，甚至达到10多倍，如表2。可以根据下式得出相应的干缩应力：

σ0=α0St×Δw （3）

式中：σ0为平均干缩系数；w1，w2为含水量；Δw为含水量的变化量；St为基层劲度模量。

半刚性基层材料经试验得出最佳含水量大致为9.6%，而混合料在进行风干后，其含水量为最佳含水量的72%-76.8%，则半刚性基层在风干状态下的失水量达到。设平均干缩系数为33×10-6/Δw，St=10000MPa，代入上式可知σ0=2.3MPa。经验算大于半刚性基层本身的抗弯拉强度。

由于半刚性基层现在没有适宜的养生条件，尤其是对于干缩性较大的稳定细粒土基层，其还没有完全形成抗拉强度，此时如果基层失水较大，基层内部的干缩应力会很大，从而导致干缩裂缝。

表2 几种半刚性基层材料的平均干缩系数

砂粒含量/% 不同材料干缩系数平均值α0（×10-6/Δw）

灰土砂砾 二灰砂砾 水泥砂砾 水泥含量/%

0 163.1 54.8 35.4 8

20 151.4 62.4 32.1 7

35 145.8 47.3 26.9 6

60 110.5 39.4 21.6 5

75 107.2 34.5 26.8 4

平均 135.6 47.7 28.6 6

1.2 裂缝的扩展

若在半刚性基层中形成裂缝后，由于温度应力和行车荷载不断作用，裂缝会逐渐向上扩展，最终在面层表面形成。

通过断裂力学理论，裂缝扩展的主要扩展形式有以下三种：撕裂、剪裂、拉裂。在半刚性基层中，由于荷载及荷载作用方式的差异，裂缝的扩展方式也会产生较大的差异。若交通荷载作用于不同的裂缝位置，也会产生不同的裂缝扩展模式。在纵向裂缝中产生的三级破坏的原因是在纵向裂缝的端部作用了行车荷载。裂缝扩展产生的重要因素就是温差变化较大，尤其是在冬季大幅度降温季节，此时因温差变化产生的温度应力为拉应力，故最终产生一型裂缝扩展形式。

有关研究指出，裂缝的扩展速率和裂缝尖端的应力场强度的关系很密切，我们参考断裂力学用强度因子K来表示裂缝尖端应力场的强度。即随着K值的增大，裂缝扩展速度随之加快，而面层的疲劳寿命将缩短。

综上所述，影响反射裂缝产生于半刚性基层沥青路面中的根本因素就是外界因素，也就是温差变化和湿度变化使得温缩和干缩开裂形成于半刚性基层中。又在裂缝尖端出现了应力重分布的情况，导致尖端出现显著的应力集中现象，结果首先在仅靠裂缝尖端的面层底部出现开裂，而交通及环境荷载作用重复作用于沥青面层，使得裂缝逐渐向上扩展、延伸，最终使得反射裂缝贯穿整个沥青面层。

2 结语

反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂，最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青面层的裂缝。影响反射裂缝形成和扩展的因素主要有两个：（1）沥青面层厚度值；（2）半刚性基层的温缩性质。

参考文献

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 周富杰，孙立军.防止反射裂缝的措施及其分析[J].华东公路， 1996，102（5）.

[3] 曹克平，王树行.沥青路面裂缝的机理及其防治措施[J].国外公路，1998，18（5）.

[4] 张起森，郑健龙.半刚性基层沥青路面的开裂机理[J].土木工程学报，1992，25（2）.

[5] 同济大学道路与交通工程研究所.半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1991.

[6] 何兆益.碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究[D].南京：东南大学，1997.

摘 要：对于半刚性基层沥青路面，都存在着普遍现象：反射裂缝，根据西尔斯和不里恩公式，我们指出基层首先开裂主要是因为半刚性基层材料中的温缩、干缩应力，并且阐述拉裂型、剪切型是沥青路面反射裂缝的两种开裂模式。分别研究了行车荷载、温度荷载两种不同作用下造成的破坏模式。

关键词：反射裂缝；温缩、干缩应力；断裂力学

半刚性基层沥青路面凭借其整体性好、刚度大、强度高、水稳定性好、经济效益好等优点，目前已成为我国高等级公路路面结构的主要形式，然而，就在日益广泛应用该路面结构的同时，问题出现了，该路面结构存在着严重的裂缝问题。沥青路面裂缝中最常见的裂缝是反射裂缝，它的产生，使得路面结构的整体性和连续性遭到破坏，使得路面结构强度降低，加剧沥青路面的损坏，而且雨水、雪水会沿着裂缝下渗，软化半刚性基层，在大量行车荷载反复作用下大大降低了路面强度，产生一些常见病害，比如冲刷、沉陷等等，本文重点对沥青路面反射裂缝形成机理进行分析。

1 半刚性基层沥青路面反射裂缝产生和扩展机理

对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝主要是指：基层材料因其自身温缩和干缩开裂，随后沿着裂缝向面层上方反射的裂缝或者说是在行车荷载的反复作用下，结构层底面产生了裂缝，随后裂缝沿着已开裂半刚性基层向上扩展而形成的裂缝。显然得知，反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂，最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青面层的裂缝。

1.1 裂缝的形成

1.1.1 温度收缩机理。半刚性基层材料的温缩性非常显著，如表1。如半刚性基层沥青路面面层厚度<30cm时，在温差相差较大的北部，半刚性基层的内部会出现相当大温度梯度，此时基层内的温度应力也会较大。根据中国北部沥青路面温度场实验材料，对于沥青面层厚8-14cm时，12月中一天的时间中半刚性基层顶面要承受12±1℃的温差。面临这样的情况，对于水泥处置粒料和二灰稳定粒料等半刚性基层材料，若取其平均温缩系数αt=8×10-6℃-1，经计算半刚性基层的劲度模量平均值超过10000MPa。如设St=10000MPa，且设半刚性基层表面温度下降12℃，根据西尔斯和布里恩提出的公式可以得出半刚性基层顶面存在的温度应力：

σt=αt×St×ΔT （1）

σt=8×10-6×10000×12=0.96MPa （2）

在一般情况下，σt大于半刚性基层材料所容许的抗弯拉强度，由此可知，当温差越大时，基层开裂可能性越大。

表1 部分半刚性材料的温缩系数（με/℃）

材料 石灰土 水泥土 二灰土 石灰土砂砾 水泥砂砾 石灰粉煤灰砂砾

αt 64 39 41 17.1 13 12.7

1.1.2 干燥收缩机理。干燥收缩是由于材料内部含水量变化而导致的体积收缩的现象。干燥收缩也严重影响半刚性基层开裂程度，半刚性材料的干缩系数远远大于温缩系数，甚至达到10多倍，如表2。可以根据下式得出相应的干缩应力：

σ0=α0St×Δw （3）

式中：σ0为平均干缩系数；w1，w2为含水量；Δw为含水量的变化量；St为基层劲度模量。

半刚性基层材料经试验得出最佳含水量大致为9.6%，而混合料在进行风干后，其含水量为最佳含水量的72%-76.8%，则半刚性基层在风干状态下的失水量达到。设平均干缩系数为33×10-6/Δw，St=10000MPa，代入上式可知σ0=2.3MPa。经验算大于半刚性基层本身的抗弯拉强度。

由于半刚性基层现在没有适宜的养生条件，尤其是对于干缩性较大的稳定细粒土基层，其还没有完全形成抗拉强度，此时如果基层失水较大，基层内部的干缩应力会很大，从而导致干缩裂缝。

表2 几种半刚性基层材料的平均干缩系数

砂粒含量/% 不同材料干缩系数平均值α0（×10-6/Δw）

灰土砂砾 二灰砂砾 水泥砂砾 水泥含量/%

0 163.1 54.8 35.4 8

20 151.4 62.4 32.1 7

35 145.8 47.3 26.9 6

60 110.5 39.4 21.6 5

75 107.2 34.5 26.8 4

平均 135.6 47.7 28.6 6

1.2 裂缝的扩展

若在半刚性基层中形成裂缝后，由于温度应力和行车荷载不断作用，裂缝会逐渐向上扩展，最终在面层表面形成。

通过断裂力学理论，裂缝扩展的主要扩展形式有以下三种：撕裂、剪裂、拉裂。在半刚性基层中，由于荷载及荷载作用方式的差异，裂缝的扩展方式也会产生较大的差异。若交通荷载作用于不同的裂缝位置，也会产生不同的裂缝扩展模式。在纵向裂缝中产生的三级破坏的原因是在纵向裂缝的端部作用了行车荷载。裂缝扩展产生的重要因素就是温差变化较大，尤其是在冬季大幅度降温季节，此时因温差变化产生的温度应力为拉应力，故最终产生一型裂缝扩展形式。

有关研究指出，裂缝的扩展速率和裂缝尖端的应力场强度的关系很密切，我们参考断裂力学用强度因子K来表示裂缝尖端应力场的强度。即随着K值的增大，裂缝扩展速度随之加快，而面层的疲劳寿命将缩短。

综上所述，影响反射裂缝产生于半刚性基层沥青路面中的根本因素就是外界因素，也就是温差变化和湿度变化使得温缩和干缩开裂形成于半刚性基层中。又在裂缝尖端出现了应力重分布的情况，导致尖端出现显著的应力集中现象，结果首先在仅靠裂缝尖端的面层底部出现开裂，而交通及环境荷载作用重复作用于沥青面层，使得裂缝逐渐向上扩展、延伸，最终使得反射裂缝贯穿整个沥青面层。

2 结语

反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂，最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青面层的裂缝。影响反射裂缝形成和扩展的因素主要有两个：（1）沥青面层厚度值；（2）半刚性基层的温缩性质。

参考文献

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 周富杰，孙立军.防止反射裂缝的措施及其分析[J].华东公路， 1996，102（5）.

[3] 曹克平，王树行.沥青路面裂缝的机理及其防治措施[J].国外公路，1998，18（5）.

[4] 张起森，郑健龙.半刚性基层沥青路面的开裂机理[J].土木工程学报，1992，25（2）.

[5] 同济大学道路与交通工程研究所.半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1991.

[6] 何兆益.碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究[D].南京：东南大学，1997.