謝曉旺

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司 南京 210049)

為適應(yīng)高速公路的交通量大、車輛荷載較重的特點(diǎn)，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)形式廣泛應(yīng)用于高速公路。半剛性基層路面強(qiáng)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(xiàn)象普遍，裂縫問(wèn)題比較嚴(yán)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(xiàn)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(dǎo)致的溫度裂縫、在車輛荷載的作用下產(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(dǎo)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(duì)裂縫開(kāi)裂原因和裂縫擴(kuò)展規(guī)律開(kāi)展的，研究大多數(shù)是基于有限元模擬分析進(jìn)行的[6-9]，缺少針對(duì)實(shí)際工況下長(zhǎng)期服役路面裂縫的宏觀演變規(guī)律研究。

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

1 典型路段基本工況

1.1 基礎(chǔ)信息

文中選取滬寧高速為典型高速開(kāi)展長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，分析橫向裂縫發(fā)展規(guī)律。在分析橫向裂縫變化規(guī)律前對(duì)滬寧高速的建設(shè)歷史、路面結(jié)構(gòu)和交通量等基本信息進(jìn)行調(diào)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，江蘇段主線全長(zhǎng)249.68 km，設(shè)計(jì)行車速度120 km/h，雙向四車道；隨著交通量的不斷增長(zhǎng)，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(duì)滬寧高速公路擴(kuò)建的工程開(kāi)展可行性研究，2003年4月11日，擴(kuò)建方案得以確定，滬寧高速公路擴(kuò)建為8車道高速公路，設(shè)計(jì)行車速度120 km/h。

擴(kuò)建前滬寧高速路面整體結(jié)構(gòu)較為統(tǒng)一，均采用4 cm AC-16 B+6 cm AC-25 I+6 cm AC-25 II的結(jié)構(gòu)形式。基層及底基層均采用二灰碎石和二灰土的結(jié)構(gòu)形式。擴(kuò)建后滬寧高速在老路部分(第一、二車道)結(jié)構(gòu)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(diào)整縱坡；新建部分(第三、四車道和硬路肩)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(jié)構(gòu)形式采用4 cm SMA-13+8 cm Sup-20+8 cm Sup-25，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，改擴(kuò)建前后滬寧高速路面結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 滬寧高速公路路面結(jié)構(gòu)示意

在交通量方面，滬寧高速公路沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，自1996年通車以來(lái)，交通量增長(zhǎng)迅速，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約14.64%，2003年日均車流量已經(jīng)達(dá)到31 038輛/d，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡和路網(wǎng)完善程度不同的原因，交通量呈現(xiàn)東高西低、寧滬向貨車滿載率大于滬寧向的特點(diǎn)；滬寧高速在擴(kuò)建之后全線交通量仍呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，截止2019年滬寧高速整體交通量基本保持5%以上的年增長(zhǎng)率，受疫情影響2020年年增長(zhǎng)率為負(fù)，截止2020年，全線年平均日交通量達(dá)到112 644輛/d，對(duì)道路運(yùn)營(yíng)管理及養(yǎng)護(hù)維修工作提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1.2 橫向裂縫總體現(xiàn)狀

在分析裂縫發(fā)展規(guī)律前，需要先對(duì)滬寧高速裂縫總體現(xiàn)狀進(jìn)行了解。2021年，針對(duì)滬寧高速全線的路面破損情況進(jìn)行了檢測(cè)。對(duì)于路面橫向裂縫的發(fā)展程度，采用橫向裂縫間距指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，滬寧高速公路雙向路面裂縫間距平均值統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1，滬寧高速公路雙向路面裂縫間距與累計(jì)當(dāng)量軸次分布統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2。

表1 滬寧高速公路雙向路面裂縫間距平均值統(tǒng)計(jì)

圖2 滬寧高速公路雙向路面裂縫間距與累計(jì)當(dāng)量軸次分布統(tǒng)計(jì)

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

2 橫向裂縫總體發(fā)展情況

2.1 滬寧高速橫向裂縫發(fā)展趨勢(shì)分析

對(duì)滬寧高速裂縫發(fā)展趨勢(shì)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(shì)示意見(jiàn)圖3。

圖3 橫向裂縫發(fā)展趨勢(shì)圖(考慮養(yǎng)護(hù)因素影響)

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

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(zhǔn)備，就很害怕，不知道說(shuō)什么，作什么。他不知道現(xiàn)在應(yīng)該是保護(hù)翠姨的地位，還是保護(hù)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)門進(jìn)來(lái)了。一定是翠姨的祖父。

1)裂縫數(shù)量隨通車時(shí)間的增長(zhǎng)而逐年增加，存在增長(zhǎng)速度加快的拐點(diǎn)，目前處于持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且近3年增長(zhǎng)趨勢(shì)變大。

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

3)滬寧方向第三車道和寧滬方向第四車道在2019年裂縫數(shù)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、四車道，到2020年底，第三、四車道裂縫數(shù)量占裂縫總數(shù)量的68.90%。

2.2 滬寧高速橫向裂縫演變規(guī)律

使用不同的回歸公式對(duì)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(guī)律的回歸結(jié)果。不同回歸公式的相關(guān)系數(shù)比較分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同回歸公式相關(guān)系數(shù)取值

通過(guò)對(duì)不同回歸公式回歸分析結(jié)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(duì)數(shù)回歸分析得到的，而采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行回歸分析得到的結(jié)果相關(guān)性較高。選用二次多項(xiàng)式回歸分析路面裂縫狀況演變規(guī)律，滬寧高速路面破損狀況回歸分析結(jié)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)，第三車道的裂縫增長(zhǎng)速率相對(duì)較大。

3 橫向裂縫全壽命周期發(fā)展規(guī)律分析

蘇州北樞紐至正儀樞紐未進(jìn)行過(guò)大修，受到養(yǎng)護(hù)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(guī)律分析，選取S形曲線進(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(shì)S形曲線擬合圖見(jiàn)圖4。

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

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

4 橫向裂縫發(fā)展關(guān)鍵影響因素分析

針對(duì)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(shù)量發(fā)展趨勢(shì)單因素分析圖見(jiàn)圖5。

圖5 橫向裂縫數(shù)量發(fā)展趨勢(shì)單因素分析(第三、四車道)

由圖5可知，對(duì)于橫向裂縫發(fā)展，橫縫數(shù)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(shù)量發(fā)展趨勢(shì)雙因素分析圖見(jiàn)圖6，回歸公式如式(2)、(3)。第三、四車道回歸相關(guān)系數(shù)為0.8，第一、二車道回歸相關(guān)系數(shù)為0.7，表明采用路齡和軸載次數(shù)雙因素可以較好地解釋橫縫發(fā)展趨勢(shì)。

圖6 橫向裂縫數(shù)量發(fā)展趨勢(shì)雙因素分析

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

(2)

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

(3)

式中：y為橫縫數(shù)量，條/km；x1為路齡，年；x2為荷載軸次。

5 橫向裂縫處治時(shí)機(jī)分析

根據(jù)輕、中、重、特重和極重等不同交通荷載等級(jí)的軸次，計(jì)算路面橫向裂縫達(dá)到養(yǎng)護(hù)維修處治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的年限，分析交通荷載對(duì)橫向裂縫發(fā)展的影響。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，裂縫數(shù)量達(dá)到50條/km時(shí)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)和路表狀況較差，需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處治。不同交通等級(jí)橫向裂縫發(fā)展情況見(jiàn)表4。

表4 不同交通等級(jí)橫向裂縫發(fā)展情況

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可知，交通等級(jí)為輕和中時(shí)，第15年橫向裂縫數(shù)量分別為47.74條/km、48.84條/km，當(dāng)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(dá)到50條/km，需要進(jìn)行處治。交通等級(jí)越重，達(dá)到處治標(biāo)準(zhǔn)的年限也越短。

6 結(jié)語(yǔ)

文中匯總整理了滬寧高速歷年路表功能檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)滬寧高速橫向裂縫演變規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了橫向裂縫的總體現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、演變規(guī)律和影響因素，主要結(jié)論如下。

1)對(duì)滬寧高速的建設(shè)歷史、路面結(jié)構(gòu)、交通量，以及橫向裂縫總體現(xiàn)狀等進(jìn)行了調(diào)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、二車道裂縫間距較大，雙向第三、四車道裂縫間距較小，雙向第三、四車道橫向裂縫較多。

2)橫向裂縫數(shù)量隨通車時(shí)間的增長(zhǎng)而逐年增加，存在增長(zhǎng)速度加快的拐點(diǎn)，目前處于持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且近3年增長(zhǎng)趨勢(shì)變大。到2020年底，第三、四車道裂縫數(shù)量占裂縫總數(shù)量的68.90%；對(duì)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(xiàng)式回歸分析得到的結(jié)果相關(guān)性較好，R2均在0.97以上。回歸分析結(jié)果與檢測(cè)數(shù)據(jù)均表明第三、四車道橫向裂縫數(shù)量增長(zhǎng)速度最快。

3)選取了交通軸載較大，養(yǎng)護(hù)次數(shù)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(guī)律，選取S形曲線進(jìn)行回歸，回歸分析結(jié)果相關(guān)性R2=0.957 2。

4)針對(duì)路齡及交通軸次對(duì)裂縫的影響程度進(jìn)行分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(shì)。第三、四車道回歸相關(guān)系數(shù)為0.8，第一、二車道回歸相關(guān)系數(shù)為0.7，表明采用路齡和軸載次數(shù)雙因素可以較好地解釋橫縫發(fā)展趨勢(shì)。

5)計(jì)算了在不同交通等級(jí)下橫向裂縫的發(fā)展情況，當(dāng)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(dá)到50條/km，需要進(jìn)行處治。