超长服役期沥青路面内部损伤规律研究

张于平 曾思清 王端宜 罗传熙

(广深高速公路改扩建管理处1) 广州 510000) (华南理工大学土木与交通学院2) 广州 510000)

0 引 言

损伤是指在外部荷载或环境作用下，由结构缺陷的萌生、发展等不可逆变化引起的材料或结构宏观力学性能的劣化.在过去，学者们致力于研究基于均衡条件的路面结构损伤机理，关注损伤发展的材料或结构自身问题[1-3].但是对于道路而言，路面结构荷载、环境因素千差万别，部分路面结构即使建设期带有严重缺陷，其在运营期也不会发展扩大[4-5]；但是部分路面结构即便建设期结构性能状态良好，在运营期也可能产生严重的病害[6-7].对于道路实体而言，沥青路面结构内部损伤发展规律与道路结构形式息息相关[8-10].文中通过分析超长服役期路面内部损伤类型与发展规律，研究沥青路面结构内部损伤与道路结构类型、路基特征、防护特征等因素的相关性.

广东境内至今已运营27年的某高速公路，原设计交通量为5.5万pcu/d，现状交通量约为12.3万pcu/d，路面经受了大交通量、高温、多雨的荷载环境考验.路面整体性能良好，得益于其特有的组合式基层路面结构(见图1)，但慢车道路面损坏状况指数PCI仍高达95.此外，该高速公路运营至今只进行过一次整体性罩面养护，常规养护措施均为浅层铣刨重铺，从未开展过深层病害处理，这为超长服役期的沥青路面内部损伤规律研究提供了良好的研究基础.本文将依托该高速公路实体，开展路面内部损伤探测，分析沥青路面结构内部损伤在超长服役状况下的发展规律.

该路基段落全长为72 km，采用三维探地雷达开展路面结构内部损伤探测，探测范围覆盖50%路基段落，以硬路肩、慢车道、主车道为主，一共探测132 km车道，检测段落随机分布.

图1 路面结构图

1 内部损伤

1.1 损伤类型

结合组合式基层沥青路面可能存在的损伤病害，脱空与松散采用个数统计，并分别分析面积指标；裂缝采用裂缝率指标(包括横向裂缝、纵向裂缝)表征检测范围内裂缝分布情况，计算见式(1).为分析裂缝随深度变化的发展情况，截取距路表8 cm(即AC-25层顶)及距路表36 cm(即半刚性基层层顶)作为分析界面.

(1)

式中：γc为裂缝率，m/100 m2；A为段落内面层、基层裂缝长度，m；A为段落面积，m2，统计单元为50 m/车道，即A=187.5 m2.

探测范围内存在45处脱空病害与38处松散病害，均出现于碎石层，并且均为小型脱空、松散病害.探测范围内存在合计长度为15.5 km裂缝病害，分布于沥青结构层与半刚性基层中，其中包含444条纵向裂缝.根据上述探测结果可知：在超长服役期的组合式基层沥青路面结构内部损伤主要以裂缝病害为主.组合式基层由柔性基层及半刚性基层组合而成，半刚性基层仍然为主要承重层，裂缝病害依然为该类路面结构内部损伤的主要病害类型.

1.2 裂缝病害

为分析沥青路面结构内部裂缝发展规律，将不同车道以及不同结构层的裂缝率进行统计分析，见图2.

图2 不同车道和层位平均裂缝率

由图2a)可知：慢车道裂缝率>硬路肩裂缝率>主车道裂缝率.慢车道主要承受重型车辆荷载作用，路面结构所承受的荷载大于主车道与硬路肩，因此慢车道裂缝率较主车道与硬路肩高.主车道裂缝率在车辆荷载作用下较无车辆荷载作用的硬路肩低，分析主要原因为硬路肩在无侧向支挡作用下，边部自然沉降，存在侧倾拉裂趋势；或者由于边部压实度不足，运营期间自然沉降导致裂缝发展；此外，硬路肩处于边部，所受环境因素(温度、湿度)影响更为直接，因此硬路肩裂缝率高于主车道.不同车道裂缝率差异表明，路面结构内部裂缝不仅仅与荷载作用相关，外部环境因素也将直接导致路面结构内部严重开裂.

由图2b)可知：半刚性基层裂缝率高于沥青层，即半刚性基层中仍有较多裂缝未反射致沥青结构层，裂缝反射率仅为42%.由于半刚性基层为路面结构主要承重层，并且是裂缝发展的主要源头，因此下文将以半刚性基层作为研究对象，将裂缝率细分为横向裂缝率与纵向裂缝率，进一步开展数据分析工作.

2 横向裂缝发展规律

2.1 横向裂缝分布规律

将同一断面中同时探测硬路肩、慢车道与主车道的横向裂缝率见图3.

图3 不同车道横向裂缝率

由图3可知：慢车道横向裂缝率>主车道横向裂缝率>硬路肩横向裂缝率.主车道裂缝率在车辆荷载作用下较无车辆荷载作用的硬路肩高，但两者差距较小(仅2%)，考虑慢车道横向裂缝可延展贯穿至主车道与硬路肩，并且主车道由于存在交通荷载作用，理论上主车道横向裂缝率应显著高于硬路肩横向裂缝率，但实际两者基本一致.可见硬路肩外部环境对于横向开裂的影响与交通荷载对于主车道横向开裂的影响基本一致,即环境作用是硬路肩横向裂缝病害发展的主要因素.

2.2 影响因素

1) 不分车道的横向裂缝影响因素 将半刚性基层横向裂缝率与填挖形式、软基情况、挡墙情况进行统计分析，见图4.

图4 横向裂缝影响因素

由图4可知：在不分车道的情况下横向裂缝率与填挖形式、软基情况、挡墙情况均无显著相关性.

2) 硬路肩的横向裂缝影响因素 将硬路肩横向裂缝率进行统计分析，见图5.

图5 硬路肩横向裂缝影响因素

由图5可知：硬路肩横向裂缝发展与填挖方形式、软基情况相关性不高，但与挡墙情况存在显著相关性.

3) 非硬路肩的横向裂缝影响因素 将非硬路肩的横向裂缝率进行统计分析，见图6.

图6 非硬路肩横向裂缝影响因素

由图6可知：非硬路肩横向裂缝发展与填挖方形式相关性不高，但其与软基情况、挡墙情况存在一定相关性.

2.3 影响因素分析

将不同车道横向裂缝率分别进行统计分析，见图7.

图7 不同车道横向裂缝率影响因素分析

由图7可知：①填挖形式对于不同车道横向裂缝的发展并未产生显著的影响；②因此，软基是引起非硬路肩区域横向裂缝发展的原因之一；③非挡墙横向裂缝率显著高于挡墙区域；但非挡墙横向裂缝率显著低于挡墙区域.分析原因是挡墙为硬路肩提供了可靠的支撑，减少了硬路肩的沉降，但同时约束了慢车道与主车道的形变，增大了内部应力，一定程度上促进横向裂缝病害发展.

3 纵向裂缝发展规律

3.1 纵向裂缝分布规律

针对沥青层、半刚性基层以及不同车道的纵向裂缝率进行统计分析，见表1和图8.

表1 不同结构层纵向裂缝

图8 不同车道纵向裂缝率

由表1可知：半刚性基层纵向裂缝数量是沥青层的264%，可见半刚性基层仍有较多纵向裂缝未反射至沥青面层，组合式基层路面结构中，裂缝宽度较小的纵向裂缝无法反射至路表.

由图8可知：硬路肩纵向裂缝率>慢车道纵向裂缝率率>主车道纵向裂缝.硬路肩在无侧向支挡作用下，边部自然沉降，引起纵向裂缝病害，或在挡墙段落由于边部压实度不佳，造成自然沉降，进而形成纵向裂缝病害.慢车道承受重型交通荷载，并且慢车道较主车道更靠近边部，因此慢车道纵向裂缝率较主车道纵向裂缝率高.

3.2 影响因素

1) 不分车道的纵向裂缝影响因素 将半刚性基层横向裂缝率与填挖形式、软基情况、挡墙情况相关性进行统计分析，见图9.

图9 不分车道纵向裂缝影响因素

由图9可知：在不分车道的情况下纵向裂缝率与填挖形式、软基情况、挡墙情况均存在显著相关性，其中与填挖形式相关性最显著.

2) 硬路肩的纵向裂缝影响因素 将硬路肩纵向裂缝率进行统计分析，见图10.

图10 硬路肩纵向裂缝影响因素

由图10可知：硬路肩纵向裂缝发展与挡墙情况相关性不高，但与填挖形式、软基情况存在显著相关性.

3) 非硬路肩的纵向裂缝影响因素 将非硬路肩纵向裂缝进行统计分析，见图11.

图11 非硬路肩纵向裂缝影响因素

由图11可知：硬路肩纵向裂缝发展与填挖形式、软基情况与挡墙情况均存在显著相关性.

3.3 影响因素分析

将不同车道纵向裂缝率分别进行统计分析，见图12.

图12 不同车道纵向裂缝率影响因素分析

1) 填挖形式对于纵向裂缝的发展存在显著的影响，并且纵向裂缝常出现于填方路段.分析主要原因为填方路基由人工填筑，未经过长时间自然沉降，在超长服役期是由于不均匀沉降导致出现纵向裂缝.

2) 在软基与非软基形式中，硬路肩的纵向裂缝率差异为-31%，可见软基并不是引起硬路肩纵向裂缝的主要因素；但非硬路肩的纵向裂缝差异为124%，可见软基是引起主车道与慢车道纵向裂缝的因素之一.

3) 在挡墙与非挡墙形式中，硬路肩的纵向裂缝率差异为-10%，可见非挡墙并不是引起硬路肩纵向裂缝的主要因素；但非硬路肩的纵向裂缝率差异为166%，即挡墙的设置极大的增大慢车道与主车道的纵向裂缝率，分析原因主要为挡墙约束了慢车道与主车道的形变，增大了内部应力，促进横向裂缝病害发展.

4 结 论

1) 超长服役期的组合式基层路面结构内部损伤主要为裂缝病害，由于厚沥青层的原因，半刚性基层大部分裂缝在超长服役期间也无法反射至路表.

2) 荷载作用是慢车道横向裂缝病害发展的主要因素，但硬路肩横向裂缝病害发展的主要因素是环境作用.自然沉降是纵向裂缝病害发展的主要因素，并非荷载作用.

3) 软基是引起非硬路肩车道横向裂缝发展的原因之一；设置挡墙可以有效减少硬路肩横向裂缝，但有可能增加非硬路肩车道的横向裂缝.

4) 纵向裂缝常出现于填方路段，软基将增加非硬路肩纵向裂缝发生风险，挡墙的设置将增大非硬路肩车道的纵向裂缝病害风险.