半刚性基层沥青路面横向裂缝发展规律分析

谢晓旺

(江苏现代路桥有限责任公司 南京 210049)

为适应高速公路的交通量大、车辆荷载较重的特点，半刚性基层路面结构形式广泛应用于高速公路。半刚性基层路面强度较高，具有优秀的承载能力，抗疲劳性能较好。但半刚性基层路面在使用过程中开裂现象普遍，裂缝问题比较严重[1]。沥青路面的破损病害主要有龟裂、裂缝、沉陷、坑槽等，而其中最主要的病害是裂缝病害[2]。沥青路面出现裂缝的原因有很多，比如温度降低后沥青面层与基层变形能力不同导致的温度裂缝、在车辆荷载的作用下产生的疲劳裂缝[3-4]，除此之外面层与基层材料的性质、路面施工质量的不同也会导致路面产生裂缝病害[5]。关于沥青路面裂缝产生原因的研究比较多，但这些研究大多是针对裂缝开裂原因和裂缝扩展规律开展的，研究大多数是基于有限元模拟分析进行的[6-9]，缺少针对实际工况下长期服役路面裂缝的宏观演变规律研究。

本文依托江苏省典型高速开展路面破损检测，拟通过长期跟踪检测，对横向裂缝的发展规律进行分析阐述。

1 典型路段基本工况

1.1 基础信息

文中选取沪宁高速为典型高速开展长期跟踪检测，分析横向裂缝发展规律。在分析横向裂缝变化规律前对沪宁高速的建设历史、路面结构和交通量等基本信息进行调研。

沪宁高速是江苏省第一条高速公路。该路东起上海，从昆山花桥进入江苏，西止于南京马群，江苏段主线全长249.68 km，设计行车速度120 km/h，双向四车道；随着交通量的不断增长，沪宁高速在高峰时段的服务水平已明显下降，因此于2001年12月开始对沪宁高速公路扩建的工程开展可行性研究，2003年4月11日，扩建方案得以确定，沪宁高速公路扩建为8车道高速公路，设计行车速度120 km/h。

扩建前沪宁高速路面整体结构较为统一，均采用4 cm AC-16 B+6 cm AC-25 I+6 cm AC-25 II的结构形式。基层及底基层均采用二灰碎石和二灰土的结构形式。扩建后沪宁高速在老路部分(第一、二车道)结构形式主要采用病害处理后加铺SMA-13或Sup-20沥青面层，尽可能利用原路面，合理调整纵坡；新建部分(第三、四车道和硬路肩)采用半刚性基层沥青混合料，面层采用双层改性沥青混合料，结构形式采用4 cm SMA-13+8 cm Sup-20+8 cm Sup-25，基层采用水泥稳定碎石，改扩建前后沪宁高速路面结构示意见图1。

图1 沪宁高速公路路面结构示意

在交通量方面，沪宁高速公路沿线经济发达，自1996年通车以来，交通量增长迅速，年均复合增长率约14.64%，2003年日均车流量已经达到31 038辆/d，由于经济发展不平衡和路网完善程度不同的原因，交通量呈现东高西低、宁沪向货车满载率大于沪宁向的特点；沪宁高速在扩建之后全线交通量仍呈稳步增长趋势，截止2019年沪宁高速整体交通量基本保持5%以上的年增长率，受疫情影响2020年年增长率为负，截止2020年，全线年平均日交通量达到112 644辆/d，对道路运营管理及养护维修工作提出了严峻考验。

1.2 横向裂缝总体现状

在分析裂缝发展规律前，需要先对沪宁高速裂缝总体现状进行了解。2021年，针对沪宁高速全线的路面破损情况进行了检测。对于路面横向裂缝的发展程度，采用横向裂缝间距指标进行评价，沪宁高速公路双向路面裂缝间距平均值统计表见表1，沪宁高速公路双向路面裂缝间距与累计当量轴次分布统计见图2。

表1 沪宁高速公路双向路面裂缝间距平均值统计

图2 沪宁高速公路双向路面裂缝间距与累计当量轴次分布统计

如表1所示,沪宁高速公路上海方向平均最大裂缝间距出现在第二车道，为75 m，平均最小裂缝间距出现在第四车道，为36 m；南京方向平均最大裂缝间距出现在第一、二车道，为86 m，平均最小裂缝间距出现在第四车道，为31 m。总体来说，双向第一、二车道裂缝间距较大，横向裂缝病害不密集，双向第三、四车道裂缝间距较小，表明双向第三、四车道横向裂缝较多。如图2所示,第一、二车道的累计当量轴次较小，第三、四车道的累计当量轴次较大，裂缝间距在车道间分布的差异和交通荷载在车道间分布的差异有较大的相关性。

2 横向裂缝总体发展情况

2.1 沪宁高速横向裂缝发展趋势分析

对沪宁高速裂缝发展趋势进行研究，沪宁高速公路2006-2020年路面横向裂缝发展趋势示意见图3。

图3 横向裂缝发展趋势图(考虑养护因素影响)

为了避免其他因素的干扰，更准确地获取横向裂缝变化趋势，需要考虑养护因素，即认为养护后裂缝仍然存在。通过横向裂缝整体发展趋势，可以发现：

他刚一伸出手去，翠姨就突然地拉了他的手，而且大声地哭起来了，好像一颗心也哭出来了似的。哥哥没有准备，就很害怕，不知道说什么，作什么。他不知道现在应该是保护翠姨的地位，还是保护自己的地位。同时听得见外边已经有人来了，就要开门进来了。一定是翠姨的祖父。

1)裂缝数量随通车时间的增长而逐年增加，存在增长速度加快的拐点，目前处于持续稳定发展状态，且近3年增长趋势变大。

2)第三、四车道裂缝数量增长最快，年均裂缝增长速度分别为1 317条/年、1 327条/年。

3)沪宁方向第三车道和宁沪方向第四车道在2019年裂缝数量增加最多，分别增加了1 886条、1 806条。

4)横向裂缝主要分布在第三、四车道，到2020年底，第三、四车道裂缝数量占裂缝总数量的68.90%。

2.2 沪宁高速横向裂缝演变规律

使用不同的回归公式对沪宁高速路面裂缝发展情况进行回归分析，选择相关性较高的回归公式作为沪宁高速裂缝发展规律的回归结果。不同回归公式的相关系数比较分析结果见表2。

表2 不同回归公式相关系数取值

通过对不同回归公式回归分析结果的相关性进行分析，可知相关性最低的一组回归公式是采用对数回归分析得到的，而采用二次多项式进行回归分析得到的结果相关性较高。选用二次多项式回归分析路面裂缝状况演变规律，沪宁高速路面破损状况回归分析结果见表3。

表3 沪宁高速路面破损状况回归分析

由表3可见，第三车道的裂缝增长速率相对较大。

3 横向裂缝全寿命周期发展规律分析

苏州北枢纽至正仪枢纽未进行过大修，受到养护因素影响较小，因此进一步选取该路段进行横缝发展规律分析，选取S形曲线进行回归，回归公式如式(1)，相关性R2=0.957 2。

(1)

横向裂缝发展趋势S形曲线拟合图见图4。

图4 横向裂缝发展趋势S形曲线拟合(苏州北枢纽至正仪枢纽)

由图4可知，对于苏州北枢纽至正仪枢纽交通轴载较大路段，横向裂缝数量发展呈现出S形曲线趋势，初期2年内无裂缝；通车3～8年裂缝稳定增长，裂缝增值至20条/km；通车9～20年加速发展，通车15年裂缝增长至60条/km，通车20年裂缝增长至100条/km；通车20年以后裂缝缓慢增长。

4 横向裂缝发展关键影响因素分析

针对裂缝影响因素进行分析，分析因素包括路龄和交通轴次，横向裂缝数量发展趋势单因素分析图见图5。

图5 横向裂缝数量发展趋势单因素分析(第三、四车道)

由图5可知，对于横向裂缝发展，横缝数量与路龄的相关性为74.7%，与轴次的相关性为36.3%，表明影响因素水平为路龄>轴次。

采用双因素回归分析，横向裂缝数量发展趋势双因素分析图见图6，回归公式如式(2)、(3)。第三、四车道回归相关系数为0.8，第一、二车道回归相关系数为0.7，表明采用路龄和轴载次数双因素可以较好地解释横缝发展趋势。

图6 横向裂缝数量发展趋势双因素分析

y=0.29+0.088x1+0.20x12+0.002 8x2(第三、四车道)

(2)

y=1.42-0.72x1+0.12x12+0.001 7x2(第一、二车道)

(3)

式中：y为横缝数量，条/km；x1为路龄，年；x2为荷载轴次。

5 横向裂缝处治时机分析

根据轻、中、重、特重和极重等不同交通荷载等级的轴次，计算路面横向裂缝达到养护维修处治标准时的年限，分析交通荷载对横向裂缝发展的影响。根据实际工程经验，裂缝数量达到50条/km时，路面结构内部状态和路表状况较差，需要进行养护处治。不同交通等级横向裂缝发展情况见表4。

表4 不同交通等级横向裂缝发展情况

通过对数据分析可知，交通等级为轻和中时，第15年横向裂缝数量分别为47.74条/km、48.84条/km，当交通量分别为重、特重和极重时，分别在第14年后、第13年后与第12年后达到50条/km，需要进行处治。交通等级越重，达到处治标准的年限也越短。

6 结语

文中汇总整理了沪宁高速历年路表功能检测数据，对沪宁高速横向裂缝演变规律进行了研究，分析了横向裂缝的总体现状、发展趋势、演变规律和影响因素，主要结论如下。

1)对沪宁高速的建设历史、路面结构、交通量，以及横向裂缝总体现状等进行了调研，沪宁高速横向裂缝间距平均值最大为86 m，最小为31 m，双向第一、二车道裂缝间距较大，双向第三、四车道裂缝间距较小，双向第三、四车道横向裂缝较多。

2)横向裂缝数量随通车时间的增长而逐年增加，存在增长速度加快的拐点，目前处于持续稳定发展状态，且近3年增长趋势变大。到2020年底，第三、四车道裂缝数量占裂缝总数量的68.90%；对沪宁高速路面裂缝发展情况进行回归分析，采用二次多项式回归分析得到的结果相关性较好，R2均在0.97以上。回归分析结果与检测数据均表明第三、四车道横向裂缝数量增长速度最快。

3)选取了交通轴载较大，养护次数较少的苏州北枢纽至正仪枢纽分析其横向裂缝全寿命周期发展规律，选取S形曲线进行回归，回归分析结果相关性R2=0.957 2。

4)针对路龄及交通轴次对裂缝的影响程度进行分析，分析结果发现路龄的影响程度大于交通轴次。并采用双因素回归分析，分析在路龄及交通轴次影响下横向裂缝发展趋势。第三、四车道回归相关系数为0.8，第一、二车道回归相关系数为0.7，表明采用路龄和轴载次数双因素可以较好地解释横缝发展趋势。

5)计算了在不同交通等级下横向裂缝的发展情况，当交通量分别为重、特重和极重时，分别在第14年后、第13年后与第12年后达到50条/km，需要进行处治。