肖 倩，王旭東*，周興業(yè)，單伶燕，陶亞平

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.北京大杜社公路材料腐蝕與工程安全國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 100088；3.甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

裂縫是瀝青路面典型病害之一[1-3]。實(shí)際工程中，裂縫的發(fā)展是一個(gè)持續(xù)漸進(jìn)的過(guò)程，需要通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)以明晰它的產(chǎn)生、發(fā)展規(guī)律及影響因素。在瀝青路面長(zhǎng)期性能觀測(cè)研究方面，美國(guó)于1987年啟動(dòng)了LTPP計(jì)劃，建立了2 000多個(gè)試驗(yàn)路段，該計(jì)劃持續(xù)了20多年，獲取了大量路面性能觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)LTPP數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)裂縫產(chǎn)生、發(fā)展的規(guī)律及影響因素、裂縫預(yù)測(cè)模型等開(kāi)展了諸多研究[4-9]，取得了很多有價(jià)值的成果。此外，美國(guó)NCAT和MnRoad試驗(yàn)環(huán)道設(shè)置了不同的試驗(yàn)段，比較和驗(yàn)證了4種瀝青混合料、7種再生瀝青混合料表面層的抗裂性能差異[10-11]，目前該研究工作仍在繼續(xù)。我國(guó)對(duì)于裂縫在實(shí)際荷載作用下的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程的長(zhǎng)期觀測(cè)研究由于缺乏有效手段，現(xiàn)有研究大多通過(guò)實(shí)體工程的短期裂縫調(diào)查或采用有限元模擬分析的方法來(lái)分析裂縫產(chǎn)生的原因[12-16]。2015年，我國(guó)第1條足尺路面試驗(yàn)環(huán)道建成，為相關(guān)研究提供了試驗(yàn)平臺(tái)。足尺路面試驗(yàn)環(huán)道共鋪設(shè)了25種不同結(jié)構(gòu)形式和材料品質(zhì)的瀝青路面，其中19種鋪設(shè)于直線段和緩和曲線段，是主要試驗(yàn)路段，另外6種鋪設(shè)于圓曲線段，作為抗車轍驗(yàn)證的試驗(yàn)段。該環(huán)道自2015年建成通車以來(lái)，至今已經(jīng)歷了7個(gè)自然年氣候環(huán)境的交替作用，以及7 000萬(wàn)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)的作用，各個(gè)試驗(yàn)路段產(chǎn)生了不同程度的裂縫狀態(tài)。本研究基于環(huán)道各試驗(yàn)段裂縫發(fā)展過(guò)程的長(zhǎng)期觀測(cè)，對(duì)環(huán)道裂縫現(xiàn)狀及一些新現(xiàn)象進(jìn)行闡述，并對(duì)裂縫成因進(jìn)行分析和判斷，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和預(yù)防瀝青路面裂縫提供一些新的啟發(fā)和思路。

1 環(huán)道試驗(yàn)段服役條件概況

1.1 環(huán)境條件

RIOHTrack環(huán)道的公路自然區(qū)劃為Ⅱ4區(qū)東部濕潤(rùn)季凍區(qū)，環(huán)道于2015年年底建成，圖1為2016—2021年6 a間環(huán)道氣象站采集的月均最高溫度、月均最低溫度和降雨量分布圖。2016—2021年6 a間，環(huán)道年平均氣溫為15.3 ℃，最冷月平均溫度為-2.3 ℃，最熱月平均氣溫為28.6 ℃，極端最高溫度42.5 ℃，極端最低溫度-20.9 ℃。年平均總降水量403.7 mm，月平均最大降水量166.9 mm。

圖1 2016—2021年月均最高溫度、月均最低溫度和降雨量分布圖Fig.1 Distribution map of rainfall，monthly average maximum and minimum temperature from 2016 to 2021

1.2 荷載條件

RIOHTrack環(huán)道加載至今先后采用了兩種加載模式：2016年11月28日至2018年12月31日，采用模式A，為4輛10輪卡車加載，采用16 t的軸載水平，即雙后軸為32 t；2019年1月1日至今，采用模式B，多軸重載列車進(jìn)行實(shí)車加載，即1個(gè)單軸牽引軸+1個(gè)雙聯(lián)軸+3個(gè)單軸載重軸，共6個(gè)軸，為了加快路面的疲勞損傷，在每年的冬季和春季加重軸載水平，主要載重軸(后面的3個(gè)單軸)的軸重標(biāo)準(zhǔn)為18 t，而夏季和秋季為16 t。

1.3 材料與結(jié)構(gòu)情況[17]

為了比較不同結(jié)構(gòu)類型瀝青路面裂縫發(fā)展的規(guī)律，RIOHTrack環(huán)道設(shè)置了25種瀝青路面結(jié)構(gòu)，包括位于直線段和緩和曲線段的主試驗(yàn)段，共布設(shè)7大類19種瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖2，以及布設(shè)在圓曲線段的6種抗車轍試驗(yàn)段。

圖2 RIOHTrack主要試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig.2 Main test pavement structure of RIOHTrack (unit：cm)

第1類為典型的強(qiáng)基薄面型半剛性基層結(jié)構(gòu)，包括STR1，STR2和STR3這3個(gè)結(jié)構(gòu)，瀝青混凝土面層分兩層鋪筑，上層為4 cm SBS改性瀝青混凝土AC13-65，下層為8 cm 30#瀝青的高模量瀝青混凝土層AC20，總厚度12 cm；這3個(gè)結(jié)構(gòu)的基層均為設(shè)計(jì)強(qiáng)度6 MPa的40 cm水穩(wěn)定碎石；同時(shí)，為了延緩反射裂縫的產(chǎn)生，在上面層和下面層底下均設(shè)置改性瀝青防水黏結(jié)層(又稱為應(yīng)力吸收層)，瀝青灑鋪量分別為(1.8±0.2)kg/m2和(2.2±0.2)kg/m2。

第2類為剛性基層結(jié)構(gòu)，包括STR4和STR5兩個(gè)結(jié)構(gòu)，瀝青混凝土層總厚度為12 cm，上層為4 cmSBS改性瀝青混凝土AC13-65，下層為6 cm 30#瀝青的高模量瀝青混凝土層AC20，在下面層下面又設(shè)置2 cm的SBS改性瀝青混凝土應(yīng)力吸收層AC10。STR5的基層為24 cm水泥混凝土，STR4的基層為24 cm 碾壓貧混凝土(7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度8 MPa)。設(shè)置瀝青混凝土應(yīng)力吸收層的目的是：延緩這2個(gè)結(jié)構(gòu)剛性基層反射裂縫的產(chǎn)生。此外，在上面層下面設(shè)置同第1類結(jié)構(gòu)的改性瀝青防水黏結(jié)層。

第3類為常用半剛性基層結(jié)構(gòu)，包括STR6，STR7，STR8和STR9這4個(gè)結(jié)構(gòu)，STR6的瀝青混凝土層厚度為16 cm，具體組合為4 cm AC13-70+10 cm AC25+2 cm AC10，其中AC10同第2類結(jié)構(gòu)，為改性瀝青混凝土應(yīng)力吸收層。后3個(gè)結(jié)構(gòu)瀝青混凝土層厚度均為18 cm，組合為4 cm AC13+6 cm AC20+8 cm AC25，其中STR9為多空隙瀝青混凝土PAC13，STR7和STR8為AC13-70。這4個(gè)結(jié)構(gòu)的基層均為水泥穩(wěn)定碎石，其中：STR6和STR7的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為6.0 MPa，STR8和STR9為4.5 MPa。與第1類結(jié)構(gòu)一樣，在上面層下面設(shè)置同第1類結(jié)構(gòu)的改性瀝青防水黏結(jié)層，同時(shí)在STR7，STR8和STR9結(jié)構(gòu)下面層底下設(shè)置同第1類結(jié)構(gòu)的改性瀝青防水黏結(jié)層。

第4類為倒裝結(jié)構(gòu)，包括STR10和STR12兩個(gè)結(jié)構(gòu)，瀝青混凝土層厚度分別為24 cm和28 cm，并在瀝青混凝土層與半剛性基層之間設(shè)置了20 cm的級(jí)配碎石聯(lián)結(jié)層(又稱過(guò)渡層)。

第5類為厚瀝青混凝土結(jié)構(gòu)(一)，包括STR11，STR12，STR13和STR14這4個(gè)結(jié)構(gòu)，其瀝青混凝土層厚度同第4類結(jié)構(gòu)，但未設(shè)置級(jí)配碎石聯(lián)結(jié)層，而是直接座落在半剛性基層上面。

第6類為厚瀝青混凝土結(jié)構(gòu)(二)，包括STR15，STR16和STR17這3個(gè)結(jié)構(gòu)，瀝青混凝土層厚度36 cm，下設(shè)半剛性材料結(jié)構(gòu)層。

第7類為全厚式瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，包括STR18和STR19兩個(gè)結(jié)構(gòu)，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層厚度分別為52 cm和48 cm。

在圓曲線段的6種瀝青路面，基層、底基層的結(jié)構(gòu)、材料的技術(shù)要求與主試驗(yàn)段STR1是相同的，而且瀝青混凝土層厚度均為18 cm，主要的差異在于瀝青混凝土層材料的品質(zhì)不同。同樣，在上面層底下和下面層底下均設(shè)置改性瀝青防水黏結(jié)層。

環(huán)道25種瀝青路面結(jié)構(gòu)均采取了一定的抗反射裂縫措施。主要的對(duì)策有：(1)在上面層底下均設(shè)置改性瀝青防水黏結(jié)層；(2)對(duì)于瀝青混凝土層厚度不大于18 cm的結(jié)構(gòu)，在下面層底下也設(shè)置了一層改性瀝青防水黏結(jié)層(STR4～STR6除外)；(3)對(duì)于STR4，STR5和STR6，在下面層瀝青混凝土與剛性或半剛性基層之間設(shè)置了改性瀝青混凝土應(yīng)力吸收層；(4)在24，28 cm瀝青混凝土層下面設(shè)置級(jí)配碎石層，作為對(duì)比驗(yàn)證；(5)鋪設(shè)了一些厚瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層。這些措施將在之后的加載試驗(yàn)過(guò)程中，驗(yàn)證其使用效果。

2 環(huán)道路表裂縫的發(fā)展情況

路面裂縫是隨荷載累積作用與自然環(huán)境變化綜合影響下，逐漸產(chǎn)生和發(fā)展的，是一個(gè)漸變的過(guò)程。環(huán)道從2016年11月28日開(kāi)始加載試驗(yàn)，到2022年春季(4月底，120周期)，共承受了6 587萬(wàn)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次的作用，期間經(jīng)歷了3個(gè)荷載作用狀態(tài)：(1)2016年的“零荷”檢測(cè)階段，期間未進(jìn)行加載試驗(yàn)，僅是自然環(huán)境的變化影響；(2)2016年底至2018年底的A模式加載階段；(3)2019年初至今的B模式加載階段。

2.1 各階段環(huán)道裂縫發(fā)展簡(jiǎn)述

在“零荷”檢測(cè)階段的2016年1月(冬季)，在STR1和STR3路段先后產(chǎn)生5條橫向的貫通型裂縫，即行車道和超車道同時(shí)開(kāi)裂，這是一種典型的半剛性基層薄瀝青面層結(jié)構(gòu)的溫度裂縫形態(tài)，此時(shí)環(huán)道尚未進(jìn)行加載試驗(yàn)，裂縫的產(chǎn)生主要由于溫度變化引起。冬季隨著外界氣溫的降低，路面材料變硬并開(kāi)始收縮，由于層狀路面結(jié)構(gòu)的相互約束，當(dāng)收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)路面材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫，且通常是橫向裂縫[18]。

在A模式加載階段，荷載水平較輕，但隨著荷載作用次數(shù)的增加，在溫度和荷載的雙重作用下，環(huán)道一些試驗(yàn)段的裂縫逐漸增加。裂縫的特征主要表現(xiàn)為首先產(chǎn)生于行車道的輪跡帶上，左側(cè)或右側(cè)輪跡帶，然后逐漸向兩邊拓展，形成貫穿行車道的橫向裂縫，此時(shí)，裂縫并沒(méi)有拓展到超車道上。

通過(guò)后期跨縫鉆芯發(fā)現(xiàn)，這種類型的橫向裂縫是自上而下發(fā)展的，為車道Top-Down裂縫。主要有兩種情況：(1)基層未開(kāi)裂，裂縫產(chǎn)生于上面層，并逐漸向下拓展，見(jiàn)圖3(a)；(2)基層雖然已經(jīng)開(kāi)裂，但中間瀝青混凝土層并未開(kāi)裂，而是在上面層產(chǎn)生裂縫，見(jiàn)圖3(b)。由此判斷這種橫向裂縫并不是常見(jiàn)的反射裂縫，而是與荷載作用相關(guān)的一種疲勞裂縫。

圖3 橫向裂縫芯樣狀態(tài)Fig.3 Core state of transverse cracks

進(jìn)入到B模式加載后，環(huán)道加載效率大幅提升，與此同時(shí)，路表裂縫數(shù)量也迅速增加。該階段裂縫發(fā)展主要呈現(xiàn)出3個(gè)特點(diǎn)：

(1)原有行車道橫向裂縫大幅增加，尤其是開(kāi)始B模式加載的第1 a，即2019年，共產(chǎn)生34條橫向裂縫，是迄今為止裂縫發(fā)展最快的一年。這些裂縫都產(chǎn)生在行車道上，沒(méi)有產(chǎn)生貫通型橫向裂縫。

(2)2019年5月，環(huán)道行車道上出現(xiàn)了一種類似裂縫的水痕(見(jiàn)圖4)。它的主要表現(xiàn)是，在中午之前、空氣濕度較大時(shí)，在行車道輪跡帶處會(huì)出現(xiàn)類似橫向裂縫的水痕，隨著溫度升高、水分蒸發(fā)，這些水痕會(huì)逐漸消失。經(jīng)過(guò)后期持續(xù)的觀測(cè)，有些水痕已發(fā)展成為正常肉眼可見(jiàn)的橫向裂縫，有些尚未發(fā)展。筆者認(rèn)為這是由于肉眼不可見(jiàn)的微裂縫在水汽作用下呈現(xiàn)出來(lái)的一種形態(tài)，稱之為“水印型裂縫”，這些“水印型裂縫”是否都會(huì)發(fā)展成為肉眼可見(jiàn)的橫向裂縫，需要持續(xù)跟蹤觀測(cè)。

圖4 “水印型”裂縫Fig.4 ‘Watermark’ cracks

(3)2020年以后，橫向裂縫的拓展性損傷逐漸加快。①橫向裂縫出現(xiàn)“啃邊”，逐漸由單一裂縫逐漸發(fā)展成2條平行的裂縫，盡管采用瀝青灌封，也難以阻止重載交通條件下的裂縫發(fā)展，最終于發(fā)展為橫向的局部龜裂(見(jiàn)圖5)。②2021年9月，在STR6的橫向裂縫位置，由于裂縫擴(kuò)展和動(dòng)水壓力沖刷，產(chǎn)生了環(huán)道第1個(gè)坑槽(見(jiàn)圖6)。③原有行車道橫向裂縫出現(xiàn)進(jìn)一步拓展現(xiàn)象，逐漸向超車道發(fā)展。

圖5 STR19局部龜裂Fig.5 Localized cracking in STR19

圖6 STR6坑槽Fig.6 Crater in STR6

(4)在圓曲線路段上，最初也產(chǎn)生與主試驗(yàn)段相同的橫向裂縫，直到2020年4月份，在輪跡帶上產(chǎn)生了第1條縱向裂縫，通過(guò)鉆芯發(fā)現(xiàn)，裂縫僅產(chǎn)生于表面層，其發(fā)展方向也是自上而下的。環(huán)道加載至今，圓曲線段已產(chǎn)生了4條縱向裂縫，并逐步延長(zhǎng)，最長(zhǎng)的已達(dá)到6 m。

2.2 各試驗(yàn)路段裂縫狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析

表1為環(huán)道各試驗(yàn)段的裂縫病害統(tǒng)計(jì)表，目前環(huán)道裂縫類型主要包括：橫向貫通裂縫、僅行車道開(kāi)裂的橫向裂縫和縱向裂縫3大類。需要注意的是，在各個(gè)試驗(yàn)段交界處和傳感器埋設(shè)處等特殊位置處，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在一些特殊情況，更容易產(chǎn)生橫向貫通裂縫，所以我們將其定義為特殊裂縫，在研究由于荷載、環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)與材料等因素引起的裂縫成因時(shí)，不考慮這類裂縫。本研究只針對(duì)剔除特殊裂縫的情況進(jìn)行討論。

表1 RIOHTrack瀝青混凝土路面試驗(yàn)段裂縫統(tǒng)計(jì)(至2022年4月)Tab.1 Crack statistics in asphalt concrete pavement test sections of RIOHTrack (until April 2022)

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)試驗(yàn)路段車道橫向裂縫占總裂縫數(shù)量的比例，以及橫向裂縫占總裂縫數(shù)量的比例，見(jiàn)圖7。由圖7看出：

圖7 各試驗(yàn)路段車道橫向裂縫對(duì)比Fig.7 Comparative chart of lateral cracks in driving lane of each test section

(1)除圓曲線段外，在19個(gè)主要試驗(yàn)路段上，STR1和STR3的車道橫向裂縫占比為50%，其余各路段均大于50%，STR5，STR7～STR19等路段達(dá)到100%。

(2)各個(gè)路段橫向裂縫的占比均大于50%，除STR2外，19個(gè)主要試驗(yàn)路段的橫向裂縫占比均為100%。

(3)由于圓曲線段線形的不同，其裂縫分布狀態(tài)不僅與19個(gè)主要試驗(yàn)路段存在明顯差異，而且與相同瀝青混凝土層厚度的STR7～STR9有明顯不同。

總的來(lái)說(shuō)，除圓曲線路段外，環(huán)道以橫向裂縫為主，或以橫向?yàn)橹鞯牟灰?guī)則裂縫，尚未產(chǎn)生明顯的縱向裂縫；橫向裂縫以行車道(包括輪跡帶)的裂縫為主，貫通于整個(gè)試驗(yàn)路段(雙車道)的裂縫較少；不同瀝青混凝土層厚度的試驗(yàn)路段，裂縫數(shù)量有明顯的差異。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)路段總橫向裂縫和正常產(chǎn)生的橫向裂縫的分布數(shù)量，并根據(jù)路段的實(shí)際長(zhǎng)度計(jì)算相應(yīng)的橫向裂縫密度。在裂縫密度計(jì)算過(guò)程中，車道橫縫加權(quán)系數(shù)為0.5，貫通橫縫為1。相關(guān)的計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 各試驗(yàn)路段橫向裂縫條數(shù)和密度統(tǒng)計(jì)分析Fig.8 Statistical analysis of number and density of transverse cracks in each test section

由圖8可見(jiàn)：

(1)大部分路段正常產(chǎn)生的橫向裂縫密度不大于0.05條/m，相當(dāng)于實(shí)際工程中20 m間距1條橫縫。

(2)除圓曲線路段外，正常產(chǎn)生的橫向裂縫密度小于0.02條/m的路段有半剛性基層結(jié)構(gòu)的STR3，STR6，STR7和第4～7類的倒裝結(jié)構(gòu)和厚瀝青混凝土結(jié)構(gòu)。由此可初步推斷，加厚瀝青混凝土層厚度有利于減少橫向裂縫的產(chǎn)生。

(3)在19個(gè)主要試驗(yàn)路段上，裂縫密度最大的是第2類的組合式路面結(jié)構(gòu)，這是否與剛性基層的板縫有關(guān)，還需要進(jìn)一步分析。

(4)第1類與第3類結(jié)構(gòu)的裂縫密度基本相當(dāng)，其中第1類結(jié)構(gòu)中，整體剛度最弱的STR3的裂縫密度最??；而第3類結(jié)構(gòu)中，設(shè)置瀝青混凝土應(yīng)力吸收層的STR6和半剛性基層強(qiáng)度較高的STR7的裂縫密度最小。

(5)對(duì)于同為18 cm瀝青混凝土層的圓曲線段，整體的橫向裂縫密度明顯大于第3類結(jié)構(gòu)，這與該路段行車受力狀態(tài)有關(guān)。

3 裂縫成因分析及判斷

影響瀝青路面裂縫產(chǎn)生的因素多而復(fù)雜，有環(huán)境因素、荷載因素、結(jié)構(gòu)因素、施工因素等，以及各類因素之間的耦合作用。當(dāng)前，環(huán)道裂縫有近1/3產(chǎn)生在傳感器埋設(shè)位置和結(jié)構(gòu)接縫位置處，這些裂縫可歸結(jié)為施工因素引起的。這說(shuō)明，即使在嚴(yán)格施工管理和控制下，由于材料、結(jié)構(gòu)的不均勻性，也會(huì)產(chǎn)生裂縫。在實(shí)際工程中，施工因素是導(dǎo)致路面產(chǎn)生裂縫不可忽視的問(wèn)題。刨除施工因素，以下僅對(duì)環(huán)道正常路段的Top-Down裂縫成因，從環(huán)境、荷載以及結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析。

3.1 環(huán)境因素影響

圖9為2016年1月至2022年4月期間各個(gè)月份新增裂縫的統(tǒng)計(jì)分布圖。由圖9看出，環(huán)道裂縫主要產(chǎn)生于每年的11月、12月和1月份，這與環(huán)道所處的華北平原地區(qū)的氣候條件比較吻合。11月為深秋時(shí)節(jié)，晝夜氣溫波動(dòng)較大，降溫速度也比較大；12月和1月為冬季嚴(yán)寒時(shí)節(jié)。另外，2月份雖也屬于乍暖還寒時(shí)節(jié)，但由于是春節(jié)期間，環(huán)道不加載，因此裂縫增加很少；3月份為初春季節(jié)，因此2019年裂縫增加較為明顯。除此之外，每年從4月份到10月份，環(huán)道新增裂縫數(shù)量都較少，大多情況下沒(méi)有裂縫產(chǎn)生，此時(shí)路面的病害逐漸表現(xiàn)為車轍損傷，車道橫向裂縫與車轍呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖9 不同月份新增裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistical chart of new cracks added by month

根據(jù)圖9的新增裂縫的月份分布圖，可明顯看出，這些裂縫的產(chǎn)生與低溫環(huán)境密切相關(guān)的，然而通過(guò)觀察，裂縫的形態(tài)卻又與一般的低溫裂縫不同。一般情況下，低溫裂縫與反射裂縫具有類似的形態(tài)，即橫向的、規(guī)則的、貫通于整個(gè)車道(包括行車道和超車道)的裂縫。對(duì)此，2016年1月份產(chǎn)生的5條裂縫可以判定為典型的低溫裂縫，除此之外，環(huán)道大量的橫向裂縫并不符合這樣的形態(tài)特征。

通過(guò)以上分析可知，環(huán)道主要裂縫有兩個(gè)典型特征：(1)首先產(chǎn)生于輪跡帶位置；(2)首先產(chǎn)生于表面層，并自上而下發(fā)展。由此可以推斷，環(huán)道這些裂縫是一類由瀝青面層荷載疲勞引起，且與低溫環(huán)境有關(guān)的裂縫。由于溫度的降低，表面層瀝青混凝土的模量大幅度增加，這一方面提高了承載能力，另一方面也降低了材料的變形適應(yīng)性，在重荷載作用下容易產(chǎn)生開(kāi)裂。此外，還有一種推論，即在4—10月份期間，在繁重荷載作用下，瀝青面層已產(chǎn)生除車轍之外的裂縫損傷，但是由于溫度較高，這些裂縫難以被直接觀測(cè)到，直到冬季來(lái)臨，氣溫降低，裂縫逐漸張開(kāi)，從而表現(xiàn)出來(lái)。總之，這兩方面因素綜合在一起，是導(dǎo)致冬季裂縫顯著產(chǎn)生的主要原因。

3.2 荷載因素影響

除了外部環(huán)境，外部荷載也是引起瀝青路面裂縫產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。圖10為按年份統(tǒng)計(jì)的環(huán)道各種類型裂縫的總數(shù)量的分布狀態(tài)。由圖10中可以看出，環(huán)道裂縫是與荷載水平密切相關(guān)的，加載第1 a(2017年)環(huán)道裂縫明顯產(chǎn)生，加載第2 a(2018年)，新增裂縫數(shù)量明顯減小。當(dāng)更換B模式加載后，隨著荷載水平顯著增加，2019年新增裂縫大幅度增加(與2017年相比增加1倍)，但隨之而來(lái)的2020年，新增裂縫數(shù)量又大幅度減??；此后2021年新增裂縫數(shù)量又有所增加，2022年新增裂縫數(shù)較2021年略有減少。

圖10 各年度裂縫新增數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistical chart of new cracks added by year

荷載對(duì)裂縫影響的趨勢(shì)是：荷載水平的增加，會(huì)引起裂縫的快速增加，荷載水平越高，裂縫數(shù)量越多，同時(shí)，裂縫增加的數(shù)量呈現(xiàn)隔年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，路面裂縫的發(fā)展存在一個(gè)“緩沖階段”。在兩種荷載模式加載的初期，裂縫數(shù)量增加都比較迅速(如2017，2019年)，隨之而來(lái)的第2 a，路面裂縫的發(fā)展主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：(1)既有裂縫的拓展；(2)產(chǎn)生新增裂縫?；谧饔媚芰康刃У脑恚徊糠肿饔煤奢d促使原有裂縫的進(jìn)一步拓展，從而導(dǎo)致新增裂縫數(shù)量的減少。但是在第3 a(如2021年)，隨著路面疲勞效應(yīng)的持續(xù)增加，新增裂縫數(shù)量又進(jìn)一步增多。預(yù)計(jì)2022年及其以后，每年裂縫新增數(shù)量將會(huì)逐步穩(wěn)定，直至路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞損傷后，新增裂縫數(shù)量將會(huì)出現(xiàn)明顯的增加現(xiàn)象。

環(huán)道19個(gè)主試驗(yàn)段，荷載作用還未對(duì)其產(chǎn)生足夠大的剪切疲勞效應(yīng)，引發(fā)縱向的自上而下的疲勞裂縫，其裂縫主要以車道橫向Top-Down裂縫為主。位于環(huán)道圓曲線的試驗(yàn)段，最初也是以車道橫向Top-Down裂縫為主，隨著荷載作用次數(shù)的增加，在2020年之后，先后在外側(cè)輪跡帶上產(chǎn)生4條縱向Top-Down裂縫，這主要是由于環(huán)道圓曲線半徑較小，汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生的離心力作用于路面，形成徑向水平荷載導(dǎo)致路面開(kāi)裂，是一種瀝青面層在重荷載作用下的剪切破壞形式。環(huán)道圓曲線半徑為300 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般高速公路的曲線半徑，在正常高速公路上，曲線徑向的水平荷載遠(yuǎn)小于環(huán)道的水平荷載，由荷載剪切疲勞引起的瀝青面層自上而下的縱向裂縫產(chǎn)生的幾率很小。從荷載疲勞角度看，在正常的使用階段(即未產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞前)，路面裂縫應(yīng)以車道橫向裂縫為主。然而，在實(shí)際工程中常常會(huì)看到縱向裂縫的產(chǎn)生，這主要是由于兩種情況：(1)施工因素引起的，由于攤鋪過(guò)程中產(chǎn)生縱向的離析帶，導(dǎo)致薄弱環(huán)節(jié)，引發(fā)縱向裂縫；(2)由于下面結(jié)構(gòu)層首先產(chǎn)生縱向裂縫，進(jìn)而反射到表面層。

3.3 結(jié)構(gòu)因素影響

對(duì)比環(huán)道19種不同結(jié)構(gòu)形式主試驗(yàn)段的裂縫狀態(tài)，可反映出結(jié)構(gòu)形式對(duì)橫向裂縫的影響規(guī)律。由圖8可知，在相同氣候環(huán)境和荷載作用下，不同類型結(jié)構(gòu)的裂縫差異是顯著的。

環(huán)道19個(gè)主試驗(yàn)段，基層剛度最大的為第2類剛性基層路段，總體來(lái)說(shuō)，這類結(jié)構(gòu)橫向裂縫數(shù)量最多，密度最大。然而從相應(yīng)的橫向裂縫間距看，并不是直接由原有剛性基層的板縫或預(yù)切縫引起的。分析原因主要有：首先，這類結(jié)構(gòu)路段尚未產(chǎn)生橫向的貫通縫，主要是行車道的橫向裂縫，或者是由這些橫向裂縫拓展引起的不規(guī)則裂縫；其次，這些橫向裂縫的間距一般為2～3 m，明顯小于板縫間距和預(yù)切縫間距。因此這類結(jié)構(gòu)的橫向裂縫并不是反射裂縫引起的，但與基層剛度密切相關(guān)。

第1類結(jié)構(gòu)與第2類結(jié)構(gòu)瀝青面層厚度相同，基層為強(qiáng)度6 MPa的半剛性基層，其裂縫密度明顯小于第2類結(jié)構(gòu)，但高于其他類型結(jié)構(gòu)，這兩類結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)都是基層剛度較大，瀝青面層較薄，為12 cm。第3類結(jié)構(gòu)中的STR6，基層采用與第1類結(jié)構(gòu)相同的6 MPa的半剛性基層，但其瀝青混凝土層厚度增加到16 cm后，裂縫密度較第1類結(jié)構(gòu)大幅度減少，與厚瀝青混凝土層的試驗(yàn)路段基本相當(dāng)?；谶@兩類結(jié)構(gòu)的對(duì)比，可以推知，第2類結(jié)構(gòu)裂縫密度較大，主要是由于基層剛度大、瀝青面層薄，在重荷載作用下，瀝青面層表面產(chǎn)生較大的剪切荷載所致。

環(huán)道第3類4種瀝青路面結(jié)構(gòu)，其瀝青混凝土層厚度基本相當(dāng)(16～18 cm)，半剛性基層結(jié)構(gòu)也基本一致(2層水泥穩(wěn)定碎石和1層水泥穩(wěn)定土)，但從圖8可以看出，各結(jié)構(gòu)裂縫密度卻差異較大，分析其原因主要是由于不同結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組合方式和材料品質(zhì)不同。如采用6.0 MPa的水泥穩(wěn)定碎石基層的STR6和STR7，其裂縫密度明顯小于采用4.5 MPa 的水泥穩(wěn)定碎石基層STR8和STR9；設(shè)置了2 cm瀝青混凝土應(yīng)力吸收層的STR6，其裂縫密度明顯小于同類其他結(jié)構(gòu)；采用開(kāi)級(jí)配磨耗層的STR9，其裂縫密度明顯大于同類其他結(jié)構(gòu)。由此得到以下認(rèn)知：(1)適當(dāng)提高基層的強(qiáng)度有利于減少裂縫的產(chǎn)生，但是，由前述對(duì)第2類結(jié)構(gòu)裂縫的分析可知，基層強(qiáng)度的提高存在一個(gè)界限；(2)設(shè)置瀝青混凝土應(yīng)力吸收層，可在適當(dāng)減薄瀝青混凝土層總厚度的情況下，減少裂縫的產(chǎn)生，其工程效果優(yōu)于設(shè)置防水黏結(jié)層；(3)對(duì)于多空隙瀝青混凝土表面層，一般荷載水平下有利于減少表面層裂縫，但對(duì)于重荷載作用，由于表面顆粒容易剝落，其裂縫的產(chǎn)生反而容易加劇。

第1類結(jié)構(gòu)總體裂縫密度比較大，各結(jié)構(gòu)的裂縫密度差異也較大。這類結(jié)構(gòu)均采用6.0 MPa強(qiáng)度的水泥穩(wěn)定碎石基層，且厚度相同，主要的差異在于底基層的剛度不同。相較而言，裂縫密度最大的STR2與第3類結(jié)構(gòu)STR7的基層、底基層基本一致，主要差異在于瀝青面層厚度的不同(相差6 cm)，由此說(shuō)明，增加瀝青面層厚度有利于減少車道橫向裂縫。

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于薄面層的瀝青路面結(jié)構(gòu)，基層剛度、結(jié)構(gòu)組合形式對(duì)于車道橫向裂縫產(chǎn)生的影響是顯著的，其力學(xué)機(jī)理值得進(jìn)一步研究。

3.4 關(guān)于路表裂縫與車轍對(duì)偶性的探討

通過(guò)前述對(duì)環(huán)道裂縫的分析可知，在重交通荷載作用下，瀝青路面的主要裂縫是自上而下的車道Top-Down裂縫，包括正常路段上的車道橫向裂縫，以及在小半徑曲線上輪跡帶位置的縱向裂縫。對(duì)裂縫和車轍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)兩類裂縫與車轍病害之間存在明顯的對(duì)偶性。即：裂縫病害嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)，車轍深度往往較??；反之，裂縫病害較輕的結(jié)構(gòu)，車轍深度往往較大。

圖11為各類結(jié)構(gòu)的橫向裂縫密度與車轍深度的對(duì)比圖。由圖11看出：橫向裂縫多的結(jié)構(gòu)類型，相應(yīng)的平均車轍深度比較小，反之，車轍深度較大。荷載型橫向Top-Down裂縫和車轍病害，作為瀝青面層兩種典型的荷載疲勞損傷，具有對(duì)偶性，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型的不同，要么以Top-Down裂縫為主，要么以車轍病害為主。此外，環(huán)道試驗(yàn)表明，當(dāng)瀝青面層為18 cm時(shí)，路面的Top-Down裂縫和車轍病害都較為嚴(yán)重，瀝青面層18 cm可能是半剛性基層結(jié)構(gòu)對(duì)偶性病害的“拐點(diǎn)”厚度。

圖11 橫向裂縫密度與車轍深度分布規(guī)律Fig.11 Distribution diagram of transverse crack densities and rut depths

4 結(jié)論

本研究針對(duì)近7 000萬(wàn)次加載后，RIOHTrack環(huán)道25種瀝青路面試驗(yàn)段裂縫現(xiàn)象及其發(fā)展規(guī)律，重載交通環(huán)境下，瀝青路面裂縫的表象和形成機(jī)理進(jìn)行分析、討論，得到以下結(jié)論。這將有助于全面理解瀝青路面服役規(guī)律，進(jìn)一步完善長(zhǎng)壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理論研究。

(1)在重載交通使用環(huán)境下，瀝青混凝土層厚18 cm及其以下的路面結(jié)構(gòu)，其主要裂縫是自上而下的車道Top-Down裂縫，表現(xiàn)為兩種形態(tài)：①正常路段上的車道橫向裂縫；②在小半徑曲線上輪跡帶位置的縱向裂縫。且裂縫的產(chǎn)生與瀝青混凝土層厚度、基層剛度等多種因素有關(guān)。在實(shí)際工程中，為了減少這些裂縫，合理、優(yōu)化的路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)是必要的。

(2)瀝青混凝土層厚18 cm及其以下的路面結(jié)構(gòu)，車道Top-Down裂縫首先產(chǎn)生于表面層，雖然是一種剪切疲勞損傷，但并不影響整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的疲勞破壞，可這將對(duì)于進(jìn)一步完善長(zhǎng)壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)理論和方法，提供有益的參考和啟示。

(3)車道Top-Down裂縫與車轍病害之間存在一種負(fù)相關(guān)的對(duì)偶性，現(xiàn)行的線彈性小變形的層狀力學(xué)模型還難以解析當(dāng)前車道裂縫的形成機(jī)理，研發(fā)新的路面力學(xué)理論，以適應(yīng)路面技術(shù)的發(fā)展，是十分必要和迫切的。