沥青混凝土路面裂缝分布规律及影响因素分析

黄涛胜,董兰凤

(兰州大学，兰州 730000)

沥青混凝土是沥青与矿料组成的混合料[1]，将其作为路面结构层，在世界各地均得到了广泛应用。随着我国国民经济的发展，道路交通量日益加重，重载交通越来越多，沥青混凝土路面的病害难以避免。其中裂缝类是主要病害之一，初期产生的裂缝对路面的使用性能并无明显影响，主要是影响美观，但随着裂缝的逐渐增加和发展，不仅使路面的品质下降，而且带来路面病害的恶性循环[2]。因此，找出裂缝的影响因素，对路面裂缝产生的原因进行分析，提出更有针对性的防治措施具有十分重要的意义。目前，很多学者对沥青混凝土路面裂缝的产生进行了分析研究。雷超旭等基于统计学原理对沥青混凝土路面病害分布规律进行研究，发现行车荷载是裂缝产生的主要原因之一[3]。董贤芸通过统计分析和室内试验发现沥青混凝土路面裂缝与环境温度关系极大[2]。刘彦光等通过实际调查分析发现除了地基不均匀沉降，超限重载车也是引发纵向裂缝的主要因素之一[4]，除此之外还有其他影响因素如沥青用量、路面结构类型和沥青混凝土面层厚度等[5]。

本文通过调查统计得出裂缝分布规律，基于统计学原理[]将路形和行车方向对裂缝的影响进行分析，并在已有研究成果的基础上分析裂缝的成因。

1 现场统计方法

采用实地调查法和抽样调查法，将选定的调查范围细分为若干段，从中抽取具有代表性的路面展开实地调查并进行详细测量。主要测量项目有裂缝的长度与宽度，长度采用卷尺测量，裂缝宽度用游标卡尺，以保证数据的准确度。对于面积这样的破损，在现场根据其真实形状近似处理为相近的规则几何图形以便于计算。

2 裂缝分布规律

同一工程项目的不同路段，开裂情况相差很大。以省道101为例，测量结果如表1所示。

表1 裂缝汇总

注：线裂缝率是指单位长度上的裂缝条数，本文取100m为单位长度；路面面积=路段长度×路面宽度(路面宽度为8.3m)

由表1可知，调查的前三个路段均主要为网状裂缝和不规则裂缝，网状裂缝和不规则裂缝发育的面积占路面面积的百分比均值分别达到19.3%和27.2%，没有纵向裂缝发育，仅发育有很少横向裂缝。后三段主要发育横向和纵向裂缝，三个路段横向裂缝和纵向裂缝发育的数量分别约为20条/100m和12条/100m；没有发育网状裂缝，不规则裂缝的面积占路面面积的百分比均值为也仅为6%。前三段网裂和不规则裂缝的发育情况有所差别，路段1网状裂缝的发育占多数，而路段2和路段3不规则裂缝的发育占多数，尤其是路段3，不规则裂缝发育的面积占路面面积的百分比达到33.0%，而网状裂缝发育的面积仅占路面面积的10.6%。后三段横向裂缝和纵向裂缝的发育情况也有所差别，都是横向裂缝的数量大于纵向裂缝，以路段5尤为突出，横向裂缝的发育数量达到18条/100m，而纵向裂缝的数量仅为8条/100m。

调查还发现，弯道在较低一侧的路面开裂比较高一侧严重，如表2所示，且较高一侧的部分裂缝是由较低一侧的裂缝延伸过去形成的，可见，较低一侧的开裂行为对整个路面开裂的影响不容忽视。

表2 弯道裂缝面积

分析认为车辆在行驶至弯道时较低一侧所受荷载更大，应该提高弯道较低一侧的路面强度。

此外，调查过程中发现有很多位于道路两边的横缝都是成对出现，如表3所示省道101中的路段6，33条横向裂缝中有10条是两两成对出现，分别是3和4、10和11、12和13、18和19、25和26，几乎是该路段发育的横向裂缝数量的1/3。在测量过程中还发现，许多贯通路幅的横向裂缝靠近路边的部分缝宽较大，而位于路中间的部分缝宽较小，例如贯通路幅的横缝(以下简称横缝)1、16、29、30，均符合该规律。通缝路边部位缝宽更大意味着路边部位受荷载的时间更长，又存在边缝成对出现的现象，因此推测道路两边成对的边缝是通缝的初始阶段，即先成对出现道路两边的横缝，然后逐渐发展搭接形成贯通路幅的横缝。

3 影响裂缝的主要因素

本文主要考虑道路曲直和行车方向对裂缝的影响。采用前述的现场统计方法对省道101的3段直道和3段弯道的裂缝状况进行调查研究，并区分上行、下行方向(取驶向兰州为上行方向)的裂缝，结果如表4所示。

根据本次检测的实际情况(上行下行一一对应)，结合统计学原理，各路段上、下行和直、弯道的裂缝情况可看作为一一配对的样本，因此可通过假设检验[7]对对应变量进行比较，看其是否存在显著性差异。

表3 横缝数据

表4 上下行裂缝数据统计结果

注：裂缝度是指每1km路面各种裂缝(横、纵向裂缝)的总长度；裂缝率是指路面裂缝破损面积(各横、纵向裂缝面积=裂缝长度×0.2)与所调查路段的路面总面积之比。

3.1 假设检验及正态性检验

假设检验是数理统计学中根据一定假设条件由样本推断总体的一种方法[6-7]，常用的假设检验方法有U检验法、T检验法、F检验法等。

在进行假设检验前，通常需要判断总体分布是否为正态分布[7]，采用K-S单个样本判断。选取裂缝率为评价指标，将表4的上行下行裂缝率数据相加得到表5，由此得到分布检验表如表6和表7所示。

表5 上下行裂缝率统计结果 %

表6 上行裂缝率正态分布检验

表7 下行裂缝率正态分布检验

根据分布检验表，上下行裂缝率拟合正态分布的均值分别为0.2495和0.2870；标准差分别为0.4813和0.2822；而相应的渐进显著性(双侧)分别为0.3567和0.9892均大于0.05，可以认为上下行裂缝率总体均符合正态分布。

3.2 裂缝率与道路曲直的关系

由表4整理得到直道与弯道路段裂缝率统计数据(取下行方向)，见表8；并对直道与弯道的裂缝率进行差异比较，本文采用的方法是T检验法，结果如表9所示。

表8 直道与弯道路段裂缝率统计 %

注：表中每一个路段的裂缝率由表4中该路段下行方向的横向裂缝和纵向裂缝的裂缝率相加得到。

表9 直道与弯道裂缝率差异比较

表9“方差方程的Levene检验”列方差齐次性检验结果：F值为1.6215，显著性概率为0.2718，大于0.05，因此两组方差不显著。

从表9的“假设方差相等”行读取数值，t值是-0.9166，Sig.(双侧)是双尾T检验的显著性概率0.4112，大于0.05。可以得出结论：直道与弯道的裂缝率无显著差异，这表明路面裂缝率应该与道路的曲直没有必然的联系。

3.3 上下行裂缝率差异性比较

上行下行裂缝率数据见表5，对上行与下行的裂缝率进行差异比较，结果如表10所示。

表10 上下行裂缝率差异比较

表10“方差方程的Levene检验”列方差齐次性检验结果：F值为0.4781，显著性概率为0.5050，大于0.05，因此两组方差不显著。

从表10的“假设方差相等”行读取数值，t值是0.1646，Sig.(双侧)是双尾T检验的显著性概率0.8725，大于0.05。可以得出结论：上行与下行的裂缝率无显著差异，这表明路面裂缝率应该与行车方向没有必然的联系。

4 成因分析

一般而言，沥青混凝土路面裂缝包括两种类型，即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝主要是因行车荷载作用而引起的；非荷载型裂缝产生的原因包括：温度裂缝、所用的原材料质量和施工工艺不当等造成的裂缝[8]。本文研究的是荷载型裂缝。

行车荷载是本文的主要研究对象，无论是上行、下行还是直道、弯道，都对路面所受的行车荷载有重要影响。虽然影响因素分析结果显示路面裂缝率与道路曲直和行车方向均无显著的联系，但也有可能是所调查路段在直道、弯道处及上行、下行方向的行车荷载无显著差异。

测量的同时对现场的车流量进行统计，得到表11。由表11发现，下行方向的车流量大于上行方向；且根据现场观察得知，上下行的车型无显著差别，以轿车和大中型卡车为主，但下行方向出现过车辆自行加高挡板的超载情况，即下行方向的行车荷载大于上行方向。

表11 车流量统计

对表4裂缝的缝长、缝宽取均值得到表12，可以发现上下行的裂缝严重程度有差异。

下行横缝缝长均值为2.750m，上行为2.267m，即下行横缝缝长大于上行；下行横缝缝宽均值为2.148mm，上行为2.034mm，即下行横缝缝宽大于上行。下行纵缝缝长均值为4.100m，上行为2.141m，即下行纵缝缝长大于上行；下行纵缝缝宽均值为2.006 mm，上行为0.667 mm，即下行纵缝缝宽大于上行。

表12 上下行裂缝严重程度统计结果

综上，下行方向裂缝的开裂程度较上行方向更严重，纵缝尤为明显，这与上下行的行车荷载大小相吻合。且下行方向出现车辆超载的情况，根据刘彦光等学者的研究[4 ]，超限重载车是引发纵缝的主要因素之一。

裂缝分布规律显示：同一工程项目的不同路段开裂情况相差很大。根据表1可知，101省道前三段以网状裂缝和不规则裂缝为主，裂缝面积和破坏程度大；后三段以横向裂缝和纵向裂缝为主，相对前三段破坏程度较小。根据现场观察，前三段车流量较大，车辆以轿车和中小型客车为主，偶尔会出现大型卡车；后三段的车流量较前者小，车辆以小型机动车居多，偶尔有中型巴士行驶，大型卡车出现的频率较前三段小。可见101省道裂缝严重程度与行车荷载相关。

从裂缝分布规律可知，弯道路段较低一侧的路面裂缝比较高一侧严重，对表2中弯道高低侧裂缝面积进行差异比较，结果如表13所示。

表13 高低侧裂缝面积差异比较

表13“方差方程的Levene检验”列方差齐次性检验结果：F值为0.0565，显著性概率为0.8200，大于0.05，因此两组方差不显著。

从表13的“假设方差相等”行读取数值，t值是8.9590，Sig.(双侧)是双尾T检验的显著性概率0.0001，远小于0.05。可以得出结论：高低侧裂缝严重程度有显著差异，表现为较低一侧的裂缝面积大于较高一侧，究其原因，主要是由于向心力，较低一侧的路面所受的荷载作用力更大，路面某点的荷载作用持续时间相对更长(车辆通过弯道的时间一定，而较低侧的路程更短)，而沥青混合料是一种黏弹性材料，在持续荷载作用下易产生塑性变形，久而久之产生裂缝。

综上所述，可以认定裂缝产生的主要原因之一应为行车荷载，包括超限重载车、车流量过大、荷载的持续时间过长等。

5 结论

(1)同一工程项目的不同路段，开裂情况相差很大。

(2)弯道在较低侧的路面开裂更严重。

(3)道路两边成对出现横缝，且大多数贯通路幅的横缝在路边的缝宽比路中间的大；推测是先成对出现道路两边的横缝，然后逐渐发展搭接形成贯通路幅的横缝。

(4)行车荷载是裂缝产生的主要原因之一，包括超限重载车、车流量过大、荷载的持续时间过长等。