吳 博

（邢臺(tái)市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

邢臺(tái)地區(qū)的公路交通網(wǎng)絡(luò)較完善，主要交通干線有106國(guó)道、107國(guó)道、308國(guó)道、邢清線、邢德線、邢左線、京珠高速公路等。大部分公路采取的是次高級(jí)或高級(jí)瀝青路面形式。本文以邢清線為例，對(duì)瀝青路面裂紋形成機(jī)理及擴(kuò)展行為進(jìn)行研究。選擇邢清公路樁號(hào)為K32+500~K35+700，全長(zhǎng)3 200m的范圍，作為研究試驗(yàn)段。在該試驗(yàn)段內(nèi)，公路路面寬9m，兩側(cè)各設(shè)置1m土路肩，采取瀝青油面，屬于二級(jí)公路。在對(duì)邢清公路試驗(yàn)段檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)該線路中的瀝青路面存在較多破損，對(duì)該瀝青路面裂縫的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 瀝青路面裂紋的破損形式及其形成機(jī)理分析

1.1 瀝青路面裂縫的破損形式

裂縫屬于較常見(jiàn)的影響瀝青路面質(zhì)量結(jié)構(gòu)的破損形式。邢清公路裂縫較為常見(jiàn)。按裂縫的表現(xiàn)形式，可分為橫向裂縫、縱向裂縫與網(wǎng)狀裂縫三種；按裂縫的成因，可分為荷載裂縫和非荷載裂縫。荷載裂縫是指，在車輛通行過(guò)程中，路面承載力或強(qiáng)度不足時(shí)，導(dǎo)致路面無(wú)法承擔(dān)車輛荷載，或因路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工質(zhì)量較差或車輛超載等，導(dǎo)致瀝青面層拉應(yīng)力超過(guò)其疲勞程度，最終導(dǎo)致瀝青路面斷裂。在車輛荷載影響下，裂縫逐漸擴(kuò)展。非荷載裂縫成因較多，如反射性裂縫、溫縮裂縫等，主要以橫向裂縫為主。

（1）縱向裂縫

縱向裂縫主要表現(xiàn)為沿行車方向所產(chǎn)生的單根裂縫，一般縱向裂縫方向與路面中心線基本保持平行。若路基壓實(shí)不足，在外部荷載作用下，路基會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降問(wèn)題。在進(jìn)行瀝青混合料攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，缺乏對(duì)縱向接縫的有效處理，導(dǎo)致路面過(guò)早滲水或路面壓實(shí)度不足等問(wèn)題，在外部荷載的影響下，則會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫。公路施工過(guò)程中，地基與填土在橫向上的不均勻性是無(wú)法避免的，也就是說(shuō)縱向裂縫的產(chǎn)生是無(wú)法避免的，但如果縱向裂縫產(chǎn)生過(guò)早，且裂縫發(fā)展較快，則會(huì)對(duì)公路使用功能及使用壽命造成嚴(yán)重影響。

（2）橫向裂縫

橫向裂縫是指與路面行車方向大致垂直分布的單根裂縫，引起橫向裂縫的原因較多，如地基不均勻沉降，橫向接縫處理不當(dāng)?shù)?。大部分瀝青路面的橫向裂縫屬于溫度裂縫，裂縫多是由瀝青面層表面開(kāi)裂，并不斷向路基擴(kuò)展而形成的。邢清公路中，可見(jiàn)橫向裂縫多貫穿整個(gè)路面寬度，且每隔一段距離就會(huì)有一條裂縫，間距多在6~10m之間。

（3）反射裂縫

反射裂縫是指瀝青路面下鋪層跨裂縫，或接縫位置施加給瀝青面層應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度，而引起瀝青面層底面出現(xiàn)開(kāi)裂。這類裂縫不斷向上擴(kuò)展，并穿透面層，并最終反應(yīng)在表面。

（4）龜裂

瀝青路面龜裂又被稱為網(wǎng)裂，指裂縫與裂縫間相互連接形成的一種不規(guī)則裂縫。龜裂多在車輛荷載作用下，路面產(chǎn)生較大的撓度及變形，路面材料在疲勞破壞下產(chǎn)生的一種裂縫，也被稱為疲勞裂縫。邢清公路中，龜裂主要表現(xiàn)為局部龜裂，多分布于行車道上。

（5）塊裂

瀝青面層寬度較大時(shí)，產(chǎn)生橫向裂縫的同時(shí)會(huì)伴隨著縱向裂縫的出現(xiàn)，并形成塊裂現(xiàn)象。塊裂多表現(xiàn)為不規(guī)則、大塊、多邊形的裂縫。塊裂產(chǎn)生的主要原因是瀝青混合料中應(yīng)用了大量的親水性集料，導(dǎo)致瀝青加速老化，彈性較差，在車輛荷載影響下產(chǎn)生裂縫。

（6）滑移裂縫

滑移裂縫是在車輛加速、轉(zhuǎn)彎、剎車過(guò)程中突然增加的水平力，并作用于瀝青路面，在路面上形成一種裂縫，這種裂縫多表現(xiàn)為新月?tīng)罨騏形。邢清公路中，在車輛剎車、加速與轉(zhuǎn)彎區(qū)域，多存在滑移裂縫。

1.2 瀝青路面裂縫的形成機(jī)理

1.2.1 縱向裂縫的形成機(jī)理

產(chǎn)生瀝青路面縱向裂縫的原因較多，形成機(jī)理為：在瀝青公路的施工過(guò)程中，換填土沒(méi)有碾壓密實(shí)或換填土兩側(cè)密實(shí)度不均勻，而引起公路路基不均勻沉陷等并產(chǎn)生裂縫；在進(jìn)行公路改建時(shí)，新施工區(qū)域與舊公路在相接位置缺乏科學(xué)有效處理，引起路基不均勻沉陷等；尤其在公路挖填結(jié)合位置缺乏有效的處理，導(dǎo)致壓實(shí)度不足等，在沉陷作用下產(chǎn)生縱向裂縫。

在雨水的侵蝕下，公路路基承載力降低，換填土含水量較大，凍脹作用下形成路面裂縫；長(zhǎng)期的車輛荷載，引起縱向裂縫。瀝青路面中還有一種荷載型縱向裂縫，稱為瀝青路面向下擴(kuò)展裂紋，這種裂縫由瀝青路面表面向?yàn)r青面層內(nèi)部擴(kuò)展。瀝青路面向下擴(kuò)展裂紋形成機(jī)理為：車輛超載時(shí)在車輛輪胎作用下產(chǎn)生表面拉應(yīng)力；瀝青路面表面溫度較高，導(dǎo)致瀝青路面面層剛度較低，容易出現(xiàn)車轍，引起縱向裂縫；公路應(yīng)用的瀝青膠結(jié)物逐漸硬化或老化；瀝青混合料在施工過(guò)程中應(yīng)用的集料質(zhì)量偏低，出現(xiàn)離析現(xiàn)象，或?yàn)r青路面壓實(shí)不均勻。

1.2.2 橫向裂縫的形成機(jī)理

橫向裂縫形成機(jī)理為：公路路基土體不均勻沉降引起橫向裂縫；剛性路面接縫或半剛性路基裂縫影響下產(chǎn)生橫向裂縫；瀝青面層在自然環(huán)境影響下出現(xiàn)老化，降低其極限拉伸，并在外界荷載下引起裂縫；溫度變化是瀝青路面橫向裂縫產(chǎn)生的重要原因。溫度裂縫主要為低溫收縮或基層收縮引起。如果在瀝青路面的施工過(guò)程中，外界溫度變化較大，在瀝青混凝土內(nèi)外部溫度應(yīng)力作用下，會(huì)引起裂縫問(wèn)題。溫度裂縫首先出現(xiàn)在瀝青混合料抗拉強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)，瀝青公路面層出現(xiàn)裂縫后，裂縫逐漸發(fā)展并最終貫徹整個(gè)瀝青面層。瀝青路面低溫抗裂性能直接影響著瀝青公路施工質(zhì)量。

1.2.3 反射裂縫的形成機(jī)理

反射裂縫是瀝青路面下鋪層跨裂縫或接縫位置施加給瀝青面層應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度而引起的裂縫問(wèn)題，其形成機(jī)理為：在溫度發(fā)生變化時(shí)，瀝青接縫或裂縫位置會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，如拉伸應(yīng)力超出瀝青面層極限拉伸值，則會(huì)引起裂縫問(wèn)題，在車輛荷載下引起裂縫擴(kuò)展。在溫度應(yīng)力或交通荷載作用下引起的剪切疲勞與受拉疲勞是反射裂縫的主要形成機(jī)理。反射裂縫擴(kuò)展速率與公路基層裂縫率及半剛性基層板長(zhǎng)存在著緊密聯(lián)系。公路施工中應(yīng)用的瀝青等級(jí)、礦料粒徑、孔隙率、瀝青面層厚度等因素，均會(huì)使裂縫路面疲勞而影響其使用壽命。提高公路基層材料柔韌性是預(yù)防反射裂縫的有效措施。

1.2.4 龜裂的形成機(jī)理

公路瀝青路面老化、路面整體強(qiáng)度不足，在車輛荷載影響下產(chǎn)生裂縫是龜裂形成的主要機(jī)理。龜裂屬于相互交錯(cuò)疲勞的裂縫。龜裂剛出現(xiàn)時(shí)，多表現(xiàn)為沿行車輪跡出現(xiàn)縱向裂縫，縱向裂縫逐漸發(fā)展出斜向連接縫與橫向連接縫，最終形成網(wǎng)狀裂縫。龜裂多是因公路瀝青老化，瀝青松弛性能不足，在荷載反復(fù)作用下而引起；公路基層的排水設(shè)計(jì)較差，低溫作用下導(dǎo)致瀝青混合料變脆，也是引起龜裂的原因之一。邢清公路中存在局部龜裂的問(wèn)題，雨季及春融時(shí)，龜裂問(wèn)題較嚴(yán)重。

1.2.5 塊狀裂縫的形成機(jī)理

瀝青基層與面層集料離析、瀝青路面壓實(shí)不均、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、瀝青混凝土老化或低溫作用等，是引起塊狀裂縫形成的重要因素。如荷載拉應(yīng)力或低溫拉應(yīng)力超過(guò)瀝青混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起塊狀裂縫。公路施工過(guò)程中，如未按照施工規(guī)范進(jìn)行操作，引起公路基層與面層厚度及壓實(shí)度不符合設(shè)計(jì)要求，在車輛荷載作用下會(huì)產(chǎn)生塊狀裂縫。

1.2.6 滑移裂縫的形成機(jī)理

滑移裂縫多是因?yàn)r青面層與基層結(jié)合不良引起，如在鋪設(shè)混凝土下封層前，沒(méi)有將基層頂面清理，會(huì)影響封層與基層黏結(jié)力，在車輛荷載下導(dǎo)致卷皮、脫皮等問(wèn)題；當(dāng)外力超出瀝青混凝土面層抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度時(shí)，瀝青面層多會(huì)產(chǎn)生滑移裂縫。

2 瀝青路面裂紋的擴(kuò)展行為研究

由于瀝青路面長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中且受到車輛荷載作用，導(dǎo)致其受荷狀態(tài)十分復(fù)雜。為研究瀝青路面結(jié)構(gòu)中存在的表面裂紋及基層底面裂紋問(wèn)題，應(yīng)用模擬程序APCPPS2D，建立瀝青路面結(jié)構(gòu)分析模型，如圖1所示。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)分析模型

選擇邢清公路為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際情況建立分析模型，模型初始表面裂紋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為3cm，初始基層底面裂紋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5cm，表面裂紋到車輛荷載中心為45cm，設(shè)垂直荷載P=0.7MPa，水平荷載值為0.21MPa。模型計(jì)算參數(shù)及計(jì)算表見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)表

2.1 荷載作用位置對(duì)多裂紋擴(kuò)展的影響

車輛運(yùn)行過(guò)程中，其荷載作用的位置相對(duì)公路瀝青路面表面裂紋與基層裂紋位置是不同的，通過(guò)計(jì)算車輛荷載作用于瀝青路面不同表層與基層裂紋位置時(shí)其復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋起裂角，可知交通荷載在基層底面裂紋正上方位置時(shí)，其復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度值最大。研究發(fā)現(xiàn)交通荷載通過(guò)裂紋的過(guò)程中，其基層裂紋起裂角會(huì)在26.015~24.480°間變化，說(shuō)明荷載對(duì)裂紋起裂角存在一定影響。

2.2 面層與基層對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

選擇瀝青公路面層彈性模量為3 000MPa，基層彈性模型為2 000MPa，進(jìn)行復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力強(qiáng)度因子在增加瀝青混凝土面層厚度與基層厚度的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了近似線性減少，說(shuō)明面層與基層越薄，越容易產(chǎn)生開(kāi)裂。在荷載及溫度應(yīng)力的共同作用下，容易引起瀝青路面表面裂紋及基層底面裂紋，多表現(xiàn)為疲勞開(kāi)裂。

2.3 面層模量對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

選擇16cm面層與25cm基層，基層彈性模量為2 000MPa，研究不同面層模量對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，獲得不同面層模量下的裂紋值，如表2所示。

表2 不同面層模量下的裂紋值

研究結(jié)果顯示，隨著彈性模量增加，裂紋應(yīng)力強(qiáng)度值增加。

2.4 基層模量對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

研究基層模量對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在基層彈性模量增加的過(guò)程中，應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸降低，并且降低幅度較大。由此可知，如果基層模量較低，瀝青路面面層存在裂紋，則容易出現(xiàn)疲勞擴(kuò)展，引起質(zhì)量問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

瀝青路面是我國(guó)主要的公路路面形式，在道路施工中應(yīng)用十分廣泛，但其在公路的運(yùn)行過(guò)程中，容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。裂縫是公路施工及運(yùn)行中常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。本文以邢清公路為研究對(duì)象，對(duì)瀝青路面主要的裂縫類型及其形成機(jī)理進(jìn)行了研究，并應(yīng)用模擬程序APCPPS2D建立分析模型，對(duì)瀝青路面裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了分析。在掌握裂紋形成機(jī)理及擴(kuò)展行為的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)措施，可以有效提高公路施工質(zhì)量及運(yùn)行效益。

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