基于疲劳开裂的沥青面层施工控制指标研究

赵瑜隆，崔 峰，石祥玉，柳鹏辉

(1.山东科晋软件科技有限公司，济南 250357；2.山东省路桥集团有限公司，济南 250021；3.山东交通学院 交通土建工程学院，济南 250357)

0 引 言

疲劳开裂从最初出现时的不受重视，到后来受到越来越多的关注[1]。伴随对疲劳开裂研究，研究人员从力学领域提出疲劳破坏理论标志着对于疲劳开裂的研究完成了从主观经验的研究过渡到力学理论的理性认识[2-3]。沥青路面面层结构设计也经历了由经验公式到半经验半公式的过渡，由此建立的沥青路面面层结构疲劳开裂破坏的理论与实践相结合的模型，最终提出更符合实际工程情况的修正公式[4-5]。

对于疲劳开裂最初研究由于缺乏足够的路面施工数据和使用数据，通过仅有数据分析提出的经验公式对于路面使用寿命预测结果存在较大偏差。目前国内外研究成果广泛运用的是疲劳断裂力学理论下的疲劳寿命预测方法，我国学者也开展了沥青路面疲劳破坏方面的相应研究工作。国内外的研究大多集中于道路使用阶段的疲劳开裂研究，而很少对施工阶段施工指标进行控制的方法来减少沥青路面后期的疲劳开裂问题。而施工阶段的指标控制对于疲劳开裂控制有明显的效果，是影响沥青路面疲劳开裂的重要因素之一。因此，基于疲劳开裂的沥青路面施工指标控制具有很重要的意义。

1 疲劳开裂分析

1.1 疲劳开裂机理

疲劳开裂是影响路面使用寿命的一种主要病害形式。疲劳裂缝产生有很多成因，裂缝的生成是多种影响因素(施工温度、交通荷载、路面结构组成、路面厚度等)单独作用或多种因素共同作用下产生的结果。在很低的应力(远低于极限强度)重复作用下产生的路面开裂病害，属于疲劳开裂损坏，主要是交通荷载的反复作用和环境温度的循环作用产生的结果[6]。沥青路面表层会在轮迹带内外侧出现一条或多条纵向或横向者裂缝，连贯交错，并且最终扩展成龟状开裂的疲劳裂缝，是沥青路面(尤其是中、薄沥青表层)最为常见的一种病害。这种主要由交通荷载反复作用产生的疲劳开裂损坏形式，是各国进行道路建设时都必须注意的病害形式。

1.2 疲劳裂缝的分类

沥青路面的疲劳开裂裂缝形式可以分为从下而上和从上而下两种。

路面疲劳开裂主要由于所受到的总应力中拉应力超限而破坏，路面结构受到的拉应力最大处一般位于面层结构下底面处。裂缝与拉应力相伴而生，应力过大即会产生疲劳裂缝。疲劳开裂通常分为轻(短纵向裂缝)、中(多条交错连贯的纵向裂缝)和重(龟状裂缝)三种级别。实际应力分析结果表明，沥青层底面在单轴双轮或双轴双轮荷载重复荷载作用下的纵向应变远超横向应变。因此，沥青路面结构最先出现的是横向开裂裂缝[7]。

沥青层较薄时通常发生从下而上的开裂，而当沥青面层厚度超过16cm，在轮迹带内通常会出现上宽下窄的纵向裂缝。并在交通荷载的反复作用下向结构层下部扩展，但大多数仅扩展到沥青面层底面处。这种从上而下的纵向裂缝产生的原因主要有以下解释：

(1)防水性能严重下降。随着路面结构裂缝出现，路表水就有进入路面结构内部的通道，在水的作用下使混合料松动。

(2)路面基层压力过大。基层会产生裂缝，裂缝的存在使路面结构不能作为一个整体受力。受到车辆荷载作用，开裂处附近产生较大变形，同时由于受到的压力过大而破坏。

(3)沥青路面受力和变形增大。路面结构开裂后，很容易在路面结构中积累很大的应力和应变，在交通荷载反复作用下将导致结构层的寿命明显变短。

(4)磨耗层在裂缝产生处发生损坏。路面磨耗层作为路表面耐磨损结构具有较高的强度和硬度。没有疲劳开裂前磨耗层作为一个整体不容易损坏，而裂缝的出现就使磨耗层出现薄弱点。在荷载、水分、温度等外界环境因素作用下，路面磨耗层将会沿着裂缝发生损坏。

1.3 沥青路面疲劳破坏的主要因素

路面疲劳开裂主要原因：正常温度下，路面面层结构受到车辆荷载反复作用。在沥青面层或基层层底拉应力大于所能承载的拉应力，因此未达到设计轴载累积值之前就发生破坏。路面结构疲劳开裂，最重要的两方面影响因素：一是正常温度下车辆荷载引起的结构层层底拉应力；二是沥青混合料的原本的抗疲劳性能，即荷载作用于材料产生的不可逆损害。由于沥青路面面层结构在荷载和温度循环作用下，其破坏表现为疲劳破坏特征。除此之外，影响沥青混合料疲劳特性的还有混合料组成和性质。其中最主要的因素：沥青类型、空气含量、沥青含量以及集料性质和组成。

2 层次分析法

2.1 层次分析法

层次分析法是按各层次因素对上一层次或总目标的重要性标度进行两两组合，最后形成一个三层次或多层次目标结构模型。通过模型中两两因素之间比较，得出最下层因素对于总目标影响的重要性排序。

同一层次多因素直接比较很难得到准确的因素之间对比关系，因此层次分析法将同一层次上的指标两两进行比较，而且通过两因素之间相对尺度关系进行对比。这种方法降低了多因素一起比较时的混乱，尽可能提高因素对比间的准确性。综上所述，采用层次分析法建立控制指标之间重要性排序，确定最重要的控制指标。

2.2 层次分析法基本步骤

APH法基本步骤如下：

(1)建立模型

构建对于具体问题的层次结构树状图模型，通过该模型清楚表达影响因素间的从属关系。

(2)构造判断矩阵

根据建立的指标之间重要性标度，对比单元进行重要性判断，从而各指标之间成对比较矩阵。

(3)单排序及一致性检验

表1 平均一致性指标RI取值表

(4)总排序及一致性检验

总排序是最下层各指标元素对总目标的权重排序，方案层影响因素对于准则层的单排序一致性指标为CI，相应的平均一致性指标为RI。则方案层总排序随机一致性比率为公式(1)：

(1)

式中：CR为一致性比率；CI为一致性指标；RI为随机一致性指标；a为矩阵A的元素。

3 结果分析

3.1 建立层次结构模型

关键参数选取：影响沥青路面疲劳开裂的施工控制指标很多，不可能一一对其进行研究。因此，根据相关领域施工建设人员意见选出五个较为重要的施工控制指标，通过专家意见调查表给出的权重值做出重要性排序。专家表共回收五十五份，其中有效为五十份，无效五份。对专家调查表结果进行调查统计，将每个指标所获得权重相加，统计如表2。

表2 专家调查结果统计表

从表2数据可以得出，道路建设人员对于疲劳开裂影响较大的五个施工控制指标，意见基本统一。即普遍认为影响沥青路面疲劳开裂的5项关键施工控制指标是：油石比、施工温度、路面压实度、面层厚度、混合料级配。这些指标直接影响路面建成后质量和使用寿命，因此必须在施工阶段就做好指标控制。

沥青混凝土路面疲劳开裂成因比较复杂，这些因素控制不好都容易造成沥青路面的疲劳开裂病害。对于沥青疲劳开裂病害原因进行分析，查阅相关资料结合沥青路面病害调查及后期养护经验，建立目标层(K)、准则层(A)、指标层(B)建立层次结构模型如图1。

图1层次结构模型

3.2 构造判断成对比较矩阵，并进行一致性检验

对各层次对于目标层的判断矩阵进行一致性检验，若一致性检验合格则进行单层次排序。目标层对于准则层判断矩阵及一致性检验结果如表3。

表3 准则层(A)对指标层(B)判断矩阵

以上判断矩阵的一致性指标CI小于0.1，因此判断矩阵均满足一致性检验。所求权重系数合理，若不满足应重新调整判断矩阵。

由上表准则层对于目标层权重值可知：路面压实度对于疲劳开裂影响权重为0.4237，在所有主要控制指标中占有决定性的比重，是最为重要的影响指标。在施工阶段要作为主要的控制因素，对于减缓沥青路面以后的疲劳开裂有明显效果。其余各指标依次是：油石比、施工温度、混合料级配、面层厚度。所占比重依次是0.2802、0.1449、0.1018、0.0494，对于疲劳开裂影响依次递减，但同样是施工中应引起注意的施工指标。如果对这些因素重视不够，同样会引起路面使用阶段的疲劳开裂。

4 结 语

通过对沥青路面疲劳开裂的分析，结合层次分析法，对于影响沥青路面的施工因素进行深入的分析总结，得出以下结论：

(1)通过调研，明确了沥青路面疲劳开裂的若干施工指标，主要包括施工温度、油石比、压实度、路面平整度、路面厚度等。

(2)在层次分析法的基础上，根据该领域专家给出的各因素权重值，确立五个主要的影响因素，对于其他因素暂不考虑它们的影响。建立成对比较矩阵，通过两两因素比较，经过单层次排序、多层次排序，采用符合一致性检验的分析结果。初步确立各影响因素之间重要性的排序，重要性依次是：路面压实度、沥青用量、施工温度、混合料级配、路面厚度。

(3)沥青混合料疲劳开裂作为影响沥青道路使用性能的主要病害，需要引起广大道路工作者的重视。对于已知影响疲劳开裂的关键指标，在施工过程中要严格控制它们的施工质量。在道路施工阶段就对这些施工指标进行严格控制，而且道路一旦疲劳开裂，破坏速度增长非常迅速。