半剛性基層瀝青路面橫向裂縫發(fā)展規律分析

謝曉旺

(江蘇現代路橋有限責任公司 南京 210049)

為適應高速公路的交通量大、車(chē)輛荷載較重的特點(diǎn)，半剛性基層路面結構形式廣泛應用于高速公路。半剛性基層路面強度較高，具有優(yōu)秀的承載能力，抗疲勞性能較好。但半剛性基層路面在使用過(guò)程中開(kāi)裂現象普遍，裂縫問(wèn)題比較嚴重[1]。瀝青路面的破損病害主要有龜裂、裂縫、沉陷、坑槽等，而其中最主要的病害是裂縫病害[2]。瀝青路面出現裂縫的原因有很多，比如溫度降低后瀝青面層與基層變形能力不同導致的溫度裂縫、在車(chē)輛荷載的作用下產(chǎn)生的疲勞裂縫[3-4]，除此之外面層與基層材料的性質(zhì)、路面施工質(zhì)量的不同也會(huì )導致路面產(chǎn)生裂縫病害[5]。關(guān)于瀝青路面裂縫產(chǎn)生原因的研究比較多，但這些研究大多是針對裂縫開(kāi)裂原因和裂縫擴展規律開(kāi)展的，研究大多數是基于有限元模擬分析進(jìn)行的[6-9]，缺少針對實(shí)際工況下長(cháng)期服役路面裂縫的宏觀(guān)演變規律研究。

本文依托江蘇省典型高速開(kāi)展路面破損檢測，擬通過(guò)長(cháng)期跟蹤檢測，對橫向裂縫的發(fā)展規律進(jìn)行分析闡述。

1.1 基礎信息

文中選取滬寧高速為典型高速開(kāi)展長(cháng)期跟蹤檢測，分析橫向裂縫發(fā)展規律。在分析橫向裂縫變化規律前對滬寧高速的建設歷史、路面結構和交通量等基本信息進(jìn)行調研。

滬寧高速是江蘇省第一條高速公路。該路東起上海，從昆山花橋進(jìn)入江蘇，西止于南京馬群，江蘇段主線(xiàn)全長(cháng)249.68 km，設計行車(chē)速度120 km/h，雙向四車(chē)道；
隨著(zhù)交通量的不斷增長(cháng)，滬寧高速在高峰時(shí)段的服務(wù)水平已明顯下降，因此于2001年12月開(kāi)始對滬寧高速公路擴建的工程開(kāi)展可行性研究，2003年4月11日，擴建方案得以確定，滬寧高速公路擴建為8車(chē)道高速公路，設計行車(chē)速度120 km/h。

擴建前滬寧高速路面整體結構較為統一，均采用4 cm AC-16 B+6 cm AC-25 I+6 cm AC-25 II的結構形式?；鶎蛹暗谆鶎泳捎枚宜槭投彝恋慕Y構形式。擴建后滬寧高速在老路部分(第一、二車(chē)道)結構形式主要采用病害處理后加鋪SMA-13或Sup-20瀝青面層，盡可能利用原路面，合理調整縱坡；
新建部分(第三、四車(chē)道和硬路肩)采用半剛性基層瀝青混合料，面層采用雙層改性瀝青混合料，結構形式采用4 cm SMA-13+8 cm Sup-20+8 cm Sup-25，基層采用水泥穩定碎石，改擴建前后滬寧高速路面結構示意見(jiàn)圖1。

圖1 滬寧高速公路路面結構示意

在交通量方面，滬寧高速公路沿線(xiàn)經(jīng)濟發(fā)達，自1996年通車(chē)以來(lái)，交通量增長(cháng)迅速，年均復合增長(cháng)率約14.64%，2003年日均車(chē)流量已經(jīng)達到31 038輛/d，由于經(jīng)濟發(fā)展不平衡和路網(wǎng)完善程度不同的原因，交通量呈現東高西低、寧滬向貨車(chē)滿(mǎn)載率大于滬寧向的特點(diǎn)；
滬寧高速在擴建之后全線(xiàn)交通量仍呈穩步增長(cháng)趨勢，截止2019年滬寧高速整體交通量基本保持5%以上的年增長(cháng)率，受疫情影響2020年年增長(cháng)率為負，截止2020年，全線(xiàn)年平均日交通量達到112 644輛/d，對道路運營(yíng)管理及養護維修工作提出了嚴峻考驗。

1.2 橫向裂縫總體現狀

在分析裂縫發(fā)展規律前，需要先對滬寧高速裂縫總體現狀進(jìn)行了解。2021年，針對滬寧高速全線(xiàn)的路面破損情況進(jìn)行了檢測。對于路面橫向裂縫的發(fā)展程度，采用橫向裂縫間距指標進(jìn)行評價(jià)，滬寧高速公路雙向路面裂縫間距平均值統計表見(jiàn)表1，滬寧高速公路雙向路面裂縫間距與累計當量軸次分布統計見(jiàn)圖2。

表1 滬寧高速公路雙向路面裂縫間距平均值統計

圖2 滬寧高速公路雙向路面裂縫間距與累計當量軸次分布統計

如表1所示,滬寧高速公路上海方向平均最大裂縫間距出現在第二車(chē)道，為75 m，平均最小裂縫間距出現在第四車(chē)道，為36 m；
南京方向平均最大裂縫間距出現在第一、二車(chē)道，為86 m，平均最小裂縫間距出現在第四車(chē)道，為31 m?？傮w來(lái)說(shuō)，雙向第一、二車(chē)道裂縫間距較大，橫向裂縫病害不密集，雙向第三、四車(chē)道裂縫間距較小，表明雙向第三、四車(chē)道橫向裂縫較多。如圖2所示,第一、二車(chē)道的累計當量軸次較小，第三、四車(chē)道的累計當量軸次較大，裂縫間距在車(chē)道間分布的差異和交通荷載在車(chē)道間分布的差異有較大的相關(guān)性。

2.1 滬寧高速橫向裂縫發(fā)展趨勢分析

對滬寧高速裂縫發(fā)展趨勢進(jìn)行研究，滬寧高速公路2006-2020年路面橫向裂縫發(fā)展趨勢示意見(jiàn)圖3。

圖3 橫向裂縫發(fā)展趨勢圖(考慮養護因素影響)

為了避免其他因素的干擾，更準確地獲取橫向裂縫變化趨勢，需要考慮養護因素，即認為養護后裂縫仍然存在。通過(guò)橫向裂縫整體發(fā)展趨勢，可以發(fā)現：

他剛一伸出手去，翠姨就突然地拉了他的手，而且大聲地哭起來(lái)了，好像一顆心也哭出來(lái)了似的。哥哥沒(méi)有準備，就很害怕，不知道說(shuō)什么，作什么。他不知道現在應該是保護翠姨的地位，還是保護自己的地位。同時(shí)聽(tīng)得見(jiàn)外邊已經(jīng)有人來(lái)了，就要開(kāi)門(mén)進(jìn)來(lái)了。一定是翠姨的祖父。

1)裂縫數量隨通車(chē)時(shí)間的增長(cháng)而逐年增加，存在增長(cháng)速度加快的拐點(diǎn)，目前處于持續穩定發(fā)展狀態(tài)，且近3年增長(cháng)趨勢變大。

2)第三、四車(chē)道裂縫數量增長(cháng)最快，年均裂縫增長(cháng)速度分別為1 317條/年、1 327條/年。

3)滬寧方向第三車(chē)道和寧滬方向第四車(chē)道在2019年裂縫數量增加最多，分別增加了1 886條、1 806條。

4)橫向裂縫主要分布在第三、四車(chē)道，到2020年底，第三、四車(chē)道裂縫數量占裂縫總數量的68.90%。

2.2 滬寧高速橫向裂縫演變規律

使用不同的回歸公式對滬寧高速路面裂縫發(fā)展情況進(jìn)行回歸分析，選擇相關(guān)性較高的回歸公式作為滬寧高速裂縫發(fā)展規律的回歸結果。不同回歸公式的相關(guān)系數比較分析結果見(jiàn)表2。

表2 不同回歸公式相關(guān)系數取值

通過(guò)對不同回歸公式回歸分析結果的相關(guān)性進(jìn)行分析，可知相關(guān)性最低的一組回歸公式是采用對數回歸分析得到的，而采用二次多項式進(jìn)行回歸分析得到的結果相關(guān)性較高。選用二次多項式回歸分析路面裂縫狀況演變規律，滬寧高速路面破損狀況回歸分析結果見(jiàn)表3。

表3 滬寧高速路面破損狀況回歸分析

由表3可見(jiàn)，第三車(chē)道的裂縫增長(cháng)速率相對較大。

蘇州北樞紐至正儀樞紐未進(jìn)行過(guò)大修，受到養護因素影響較小，因此進(jìn)一步選取該路段進(jìn)行橫縫發(fā)展規律分析，選取S形曲線(xiàn)進(jìn)行回歸，回歸公式如式(1)，相關(guān)性R2=0.957 2。

(1)

橫向裂縫發(fā)展趨勢S形曲線(xiàn)擬合圖見(jiàn)圖4。

圖4 橫向裂縫發(fā)展趨勢S形曲線(xiàn)擬合(蘇州北樞紐至正儀樞紐)

由圖4可知，對于蘇州北樞紐至正儀樞紐交通軸載較大路段，橫向裂縫數量發(fā)展呈現出S形曲線(xiàn)趨勢，初期2年內無(wú)裂縫；
通車(chē)3～8年裂縫穩定增長(cháng)，裂縫增值至20條/km；
通車(chē)9～20年加速發(fā)展，通車(chē)15年裂縫增長(cháng)至60條/km，通車(chē)20年裂縫增長(cháng)至100條/km；
通車(chē)20年以后裂縫緩慢增長(cháng)。

針對裂縫影響因素進(jìn)行分析，分析因素包括路齡和交通軸次，橫向裂縫數量發(fā)展趨勢單因素分析圖見(jiàn)圖5。

圖5 橫向裂縫數量發(fā)展趨勢單因素分析(第三、四車(chē)道)

由圖5可知，對于橫向裂縫發(fā)展，橫縫數量與路齡的相關(guān)性為74.7%，與軸次的相關(guān)性為36.3%，表明影響因素水平為路齡>軸次。

采用雙因素回歸分析，橫向裂縫數量發(fā)展趨勢雙因素分析圖見(jiàn)圖6，回歸公式如式(2)、(3)。第三、四車(chē)道回歸相關(guān)系數為0.8，第一、二車(chē)道回歸相關(guān)系數為0.7，表明采用路齡和軸載次數雙因素可以較好地解釋橫縫發(fā)展趨勢。

圖6 橫向裂縫數量發(fā)展趨勢雙因素分析

y=0.29+0.088x1+0.20x12+0.002 8x2(第三、四車(chē)道)

(2)

y=1.42-0.72x1+0.12x12+0.001 7x2(第一、二車(chē)道)

(3)

式中：y為橫縫數量，條/km；
x1為路齡，年；
x2為荷載軸次。

根據輕、中、重、特重和極重等不同交通荷載等級的軸次，計算路面橫向裂縫達到養護維修處治標準時(shí)的年限，分析交通荷載對橫向裂縫發(fā)展的影響。根據實(shí)際工程經(jīng)驗，裂縫數量達到50條/km時(shí)，路面結構內部狀態(tài)和路表狀況較差，需要進(jìn)行養護處治。不同交通等級橫向裂縫發(fā)展情況見(jiàn)表4。

表4 不同交通等級橫向裂縫發(fā)展情況

通過(guò)對數據分析可知，交通等級為輕和中時(shí)，第15年橫向裂縫數量分別為47.74條/km、48.84條/km，當交通量分別為重、特重和極重時(shí)，分別在第14年后、第13年后與第12年后達到50條/km，需要進(jìn)行處治。交通等級越重，達到處治標準的年限也越短。

文中匯總整理了滬寧高速歷年路表功能檢測數據，對滬寧高速橫向裂縫演變規律進(jìn)行了研究，分析了橫向裂縫的總體現狀、發(fā)展趨勢、演變規律和影響因素，主要結論如下。

1)對滬寧高速的建設歷史、路面結構、交通量，以及橫向裂縫總體現狀等進(jìn)行了調研，滬寧高速橫向裂縫間距平均值最大為86 m，最小為31 m，雙向第一、二車(chē)道裂縫間距較大，雙向第三、四車(chē)道裂縫間距較小，雙向第三、四車(chē)道橫向裂縫較多。

2)橫向裂縫數量隨通車(chē)時(shí)間的增長(cháng)而逐年增加，存在增長(cháng)速度加快的拐點(diǎn)，目前處于持續穩定發(fā)展狀態(tài)，且近3年增長(cháng)趨勢變大。到2020年底，第三、四車(chē)道裂縫數量占裂縫總數量的68.90%；
對滬寧高速路面裂縫發(fā)展情況進(jìn)行回歸分析，采用二次多項式回歸分析得到的結果相關(guān)性較好，R2均在0.97以上?；貧w分析結果與檢測數據均表明第三、四車(chē)道橫向裂縫數量增長(cháng)速度最快。

3)選取了交通軸載較大，養護次數較少的蘇州北樞紐至正儀樞紐分析其橫向裂縫全壽命周期發(fā)展規律，選取S形曲線(xiàn)進(jìn)行回歸，回歸分析結果相關(guān)性R2=0.957 2。

4)針對路齡及交通軸次對裂縫的影響程度進(jìn)行分析，分析結果發(fā)現路齡的影響程度大于交通軸次。并采用雙因素回歸分析，分析在路齡及交通軸次影響下橫向裂縫發(fā)展趨勢。第三、四車(chē)道回歸相關(guān)系數為0.8，第一、二車(chē)道回歸相關(guān)系數為0.7，表明采用路齡和軸載次數雙因素可以較好地解釋橫縫發(fā)展趨勢。

5)計算了在不同交通等級下橫向裂縫的發(fā)展情況，當交通量分別為重、特重和極重時(shí)，分別在第14年后、第13年后與第12年后達到50條/km，需要進(jìn)行處治。