南友高速公路沥青路面裂缝病害特征分析

周志刚，刘宇, 姚新宇

(1.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530001；2.广西交投科技有限公司)

随着中国经济建设的快速发展，高速公路通车里程逐年增加，且目前建成的高速公路路面结构形式均以沥青路面为主。裂缝病害作为沥青路面主要病害之一，其出现时机贯穿于整个沥青路面使用周期。为了更准确地了解裂缝病害特征进而提出有效的处治措施，延长沥青路面使用寿命，近年来国内外工程研究人员在裂缝病害的检测效率、表现特征、发展规律以及与其他病害的关联特征等方面开展了大量研究。薛爱新、王洁光等对沥青路面裂缝特征、发展规律及对结构性能的影响规律等方面开展了相关研究，可为沥青路面养护提供决策参考；陈齐平、肖强对裂缝病害自动识别算法进行优化，进而提高了其检测效率与准确性；赵向敏、熊春龙等提出利用三维雷达对路面结构损伤进行诊断，并尝试建立落锤弯沉检测指标与三维雷达的关联，提出了沥青路面结构评价的创新方法。该文通过调研广西南(宁)友(谊关)高速公路沥青路面裂缝特征，深入分析路面破损指标形态与病害的关系，并尝试建立激光高速弯沉指标与裂缝特征的关联特征，为沥青路面养护维修决策提供科学的支撑。

1 南友高速公路概况

南宁至友谊关高速公路全长180.063 km，路线起于南宁吴圩镇，终于中越边境凭祥市友谊关，为双向四车道。项目于2003年开工建设，2005年12月建成通车。近年来管养路段均出现了一定程度的路面病害，主要为裂缝病害，病害数量逐年增加。南友高速公路自2014年开始铺筑20 mm厚AC-8超薄磨耗层，截至2019年底，全线完成了超薄磨耗层加铺工作。在加铺超薄磨耗层前，研究人员对裂缝病害特征进行了深入的分析。

1.1 路面结构

路面结构为半刚性基层沥青路面，面层总厚度为15 cm，结构为4 cmSBS改性沥青AC-13上面层+5 cmAH-70#沥青AC-20中面层+6 cmAH-70#沥青AC-25下面层，原设计路面结构见图1。上面层采用英安岩粗集料，石灰岩细集料；中下面层采用石灰岩碎石粗集料，AH-70#沥青。

图1 南友高速公路路面结构

1.2 交通状况分析

收集、统计和分析了南友高速公路2010—2018年交通量数据，交通量数据及变化趋势见图2。

由图2可见：南友高速公路自然车流量基本保持正向增长(除2016年负增长外)，自然车流量平均每年增长644 pcu/d，日均货车量平均每年增长154 pcu/d，由于客车增速较大，货车比例整体呈下降趋势，但货车流量基本保持正向增长(除2015—2016年负增长外，当时受经济危机影响，边贸货运量下降，导致货车流量减少)。

图2 南友高速公路交通量变化趋势图

2 裂缝病害特征

2.1 裂缝病害类型

在加铺超薄磨耗层前对路况进行调查，结果表明南友高速公路路面的典型病害主要为裂缝，包括纵向裂缝、块裂、横向裂缝以及车辙、坑槽等。多数纵向裂缝位于填方路基，少部分纵向裂缝出现于挖方膨胀土路基段。南友公路靠近东南亚地区，年气候特征呈现雨-旱双季，膨胀土路基吸水膨胀后强度减小，并有湿化崩解现象，常伴有路基沉陷、裂隙，病害进而发展到基层，并逐步扩展到面层，导致路面出现裂缝，宽度为20～50 mm。

南友高速公路另一类裂缝病害为块裂，由提取的芯样可见基层底部松散，发生块裂的主要原因是基层底部强度不足导致的疲劳开裂。

还有一类在轮迹带出现的不典型纵向裂缝，这一类路面裂缝主要是在行车荷载反复作用下的疲劳裂缝，该裂缝主要从面层顶部开始发生，逐渐向下发展，被称为Top-Down型裂缝。

2.2 裂缝病害分布

对南友高速公路双向沥青路面病害进行统计分析，发现路面病害以纵向裂缝、横向裂缝为主，裂缝密度较高路段病害情况如表1所示。

表1 南友高速公路裂缝密度较高路段病害情况汇总

由表1可见：南友高速公路主线路面裂缝主要集中在下行方向，其纵向裂缝及横向裂缝面积平均值均高于上行方向，主要和下行方向重车较多有关。上行方向纵向裂缝和横向裂缝面积约为下行方向的一半。

2.3 路面破碎率及其形态分析

南友高速公路主线路面双向PCI平均值为93.5，评价为优。上行方向PCI平均值为94.8，下行方向PCI平均值为92.2。上下行方向均存在个别评价单元路段PCI低于90，PCI偏低的路段主要为裂缝病害较为集中路段，这部分路段对应的就是膨胀土路基段。

通过筛选得到南友高速公路裂缝破损率DR为次差(DR>2)的路段，并对所有路段进行现场调研，分析归类病害类型及发展程度，按裂缝表现形式，包括等距横向反射裂缝、纵向长距离裂缝、沿轮迹带网裂以及整体大范围网裂进行统计分析，其结果见表2。

表2 裂缝病害表现形式与裂缝破损率关联统计

由表2可见：沥青路面裂缝病害类型与裂缝破损率有一定的相关性。随着路面病害增多和裂缝形式趋于复杂，路面DR不断增大。当路面仅为横向裂缝和局部短裂缝时，DR值在3%以内，当路面存在纵向裂缝和轮迹带网裂时，DR值为5%以上，当存在较大面积网裂时DR值达到6%以上。

2.4 激光高速弯沉与裂缝率相关性分析

激光高速弯沉系统，是目前最高效、无损、精确的弯沉检测系统，能以80 km/h速度对路面弯沉进行连续性的无损测试，远远超出了传统弯沉测试速度。其原理是采用世界先进的多普勒激光传感器采集路面变形速度，根据测量点相对于车轮中心的位置和它的沉降速度，利用弹性力学理论得到最终的动态弯沉值。

对南友公路全线上下行激光高速弯沉及裂缝数据采集，在相同桩号下的激光高速弯沉代表值与裂缝破损率值进行对比，其结果如图3、4所示。

图3 上行线激光高速弯沉值与裂缝率数据对比图

图4 下行线激光高速弯沉值与裂缝率数据对比图

由图3、4可知：南友公路上下行线激光高速弯沉值与裂缝率具有一定趋势相关性。其主要原因为：当弯沉值较大时，其路面承载能力下降，病害发生概率就越大。而裂缝病害是路面承载能力下降所导致的最直接病害，路面裂缝率与弯沉值的关系如图5、6所示。

图5 上行线激光高速弯沉值与裂缝率的关系

图6 下行线激光高速弯沉值与裂缝率的关系

由图5、6可知：当动态弯沉值为5～15(0.01 mm)时，其裂缝率DR小于5%的路段较为集中。当动态弯沉值大于15(0.01 mm)时其裂缝率DR大于5%的概率变大。

3 结论

通过对南友高速公路裂缝病害的调研，分析了裂缝病害的特征、分布和形态特征，并尝试建立了裂缝与激光高速弯沉之间的关系，得到以下结论：

(1)南友高速公路沥青路面主要裂缝病害包括纵向裂缝、横向裂缝和块裂。纵向裂缝主要成因为膨胀土路基变形产生，也存在少量轮迹带处反复行车荷载作用下形成的Top-Down疲劳裂缝。

(2)沥青路面裂缝病害类型与裂缝破损率有一定的相关性。随着路面病害增多和裂缝形式趋于复杂，路面DR值不断增大。当路面仅为横向裂缝和局部短裂缝时，DR值一般为3%以内；当路面存在纵向裂缝和网裂时，DR值为5%以上。

(3)激光高速弯沉值与裂缝率具有一定趋势相关性，当激光高速弯沉值较大时，裂缝病害发生概率越大。当动态弯沉指标为5～15(0.01 mm)时，其裂缝率DR小于5%的路段较为集中。当动态弯沉值大于15(0.01 mm)时其裂缝率DR大于5%的概率变大。