瀝青混凝土路面裂縫分布規(guī)律及影響因素分析

黃濤勝,董蘭鳳

(蘭州大學(xué)，蘭州 730000)

瀝青混凝土是瀝青與礦料組成的混合料[1]，將其作為路面結(jié)構(gòu)層，在世界各地均得到了廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路交通量日益加重，重載交通越來(lái)越多，瀝青混凝土路面的病害難以避免。其中裂縫類是主要病害之一，初期產(chǎn)生的裂縫對(duì)路面的使用性能并無(wú)明顯影響，主要是影響美觀，但隨著裂縫的逐漸增加和發(fā)展，不僅使路面的品質(zhì)下降，而且?guī)?lái)路面病害的惡性循環(huán)[2]。因此，找出裂縫的影響因素，對(duì)路面裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出更有針對(duì)性的防治措施具有十分重要的意義。目前，很多學(xué)者對(duì)瀝青混凝土路面裂縫的產(chǎn)生進(jìn)行了分析研究。雷超旭等基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)瀝青混凝土路面病害分布規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)行車荷載是裂縫產(chǎn)生的主要原因之一[3]。董賢蕓通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土路面裂縫與環(huán)境溫度關(guān)系極大[2]。劉彥光等通過(guò)實(shí)際調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)除了地基不均勻沉降，超限重載車也是引發(fā)縱向裂縫的主要因素之一[4]，除此之外還有其他影響因素如瀝青用量、路面結(jié)構(gòu)類型和瀝青混凝土面層厚度等[5]。

本文通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出裂縫分布規(guī)律，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理[]將路形和行車方向?qū)α芽p的影響進(jìn)行分析，并在已有研究成果的基礎(chǔ)上分析裂縫的成因。

1 現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)方法

采用實(shí)地調(diào)查法和抽樣調(diào)查法，將選定的調(diào)查范圍細(xì)分為若干段，從中抽取具有代表性的路面展開實(shí)地調(diào)查并進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。主要測(cè)量項(xiàng)目有裂縫的長(zhǎng)度與寬度，長(zhǎng)度采用卷尺測(cè)量，裂縫寬度用游標(biāo)卡尺，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。對(duì)于面積這樣的破損，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)其真實(shí)形狀近似處理為相近的規(guī)則幾何圖形以便于計(jì)算。

2 裂縫分布規(guī)律

同一工程項(xiàng)目的不同路段，開裂情況相差很大。以省道101為例，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 裂縫匯總

注：線裂縫率是指單位長(zhǎng)度上的裂縫條數(shù)，本文取100m為單位長(zhǎng)度；路面面積=路段長(zhǎng)度×路面寬度(路面寬度為8.3m)

由表1可知，調(diào)查的前三個(gè)路段均主要為網(wǎng)狀裂縫和不規(guī)則裂縫，網(wǎng)狀裂縫和不規(guī)則裂縫發(fā)育的面積占路面面積的百分比均值分別達(dá)到19.3%和27.2%，沒(méi)有縱向裂縫發(fā)育，僅發(fā)育有很少橫向裂縫。后三段主要發(fā)育橫向和縱向裂縫，三個(gè)路段橫向裂縫和縱向裂縫發(fā)育的數(shù)量分別約為20條/100m和12條/100m；沒(méi)有發(fā)育網(wǎng)狀裂縫，不規(guī)則裂縫的面積占路面面積的百分比均值為也僅為6%。前三段網(wǎng)裂和不規(guī)則裂縫的發(fā)育情況有所差別，路段1網(wǎng)狀裂縫的發(fā)育占多數(shù)，而路段2和路段3不規(guī)則裂縫的發(fā)育占多數(shù)，尤其是路段3，不規(guī)則裂縫發(fā)育的面積占路面面積的百分比達(dá)到33.0%，而網(wǎng)狀裂縫發(fā)育的面積僅占路面面積的10.6%。后三段橫向裂縫和縱向裂縫的發(fā)育情況也有所差別，都是橫向裂縫的數(shù)量大于縱向裂縫，以路段5尤為突出，橫向裂縫的發(fā)育數(shù)量達(dá)到18條/100m，而縱向裂縫的數(shù)量?jī)H為8條/100m。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，彎道在較低一側(cè)的路面開裂比較高一側(cè)嚴(yán)重，如表2所示，且較高一側(cè)的部分裂縫是由較低一側(cè)的裂縫延伸過(guò)去形成的，可見(jiàn)，較低一側(cè)的開裂行為對(duì)整個(gè)路面開裂的影響不容忽視。

表2 彎道裂縫面積

分析認(rèn)為車輛在行駛至彎道時(shí)較低一側(cè)所受荷載更大，應(yīng)該提高彎道較低一側(cè)的路面強(qiáng)度。

此外，調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有很多位于道路兩邊的橫縫都是成對(duì)出現(xiàn)，如表3所示省道101中的路段6，33條橫向裂縫中有10條是兩兩成對(duì)出現(xiàn)，分別是3和4、10和11、12和13、18和19、25和26，幾乎是該路段發(fā)育的橫向裂縫數(shù)量的1/3。在測(cè)量過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，許多貫通路幅的橫向裂縫靠近路邊的部分縫寬較大，而位于路中間的部分縫寬較小，例如貫通路幅的橫縫(以下簡(jiǎn)稱橫縫)1、16、29、30，均符合該規(guī)律。通縫路邊部位縫寬更大意味著路邊部位受荷載的時(shí)間更長(zhǎng)，又存在邊縫成對(duì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，因此推測(cè)道路兩邊成對(duì)的邊縫是通縫的初始階段，即先成對(duì)出現(xiàn)道路兩邊的橫縫，然后逐漸發(fā)展搭接形成貫通路幅的橫縫。

3 影響裂縫的主要因素

本文主要考慮道路曲直和行車方向?qū)α芽p的影響。采用前述的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)省道101的3段直道和3段彎道的裂縫狀況進(jìn)行調(diào)查研究，并區(qū)分上行、下行方向(取駛向蘭州為上行方向)的裂縫，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)本次檢測(cè)的實(shí)際情況(上行下行一一對(duì)應(yīng))，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，各路段上、下行和直、彎道的裂縫情況可看作為一一配對(duì)的樣本，因此可通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)[7]對(duì)對(duì)應(yīng)變量進(jìn)行比較，看其是否存在顯著性差異。

表3 橫縫數(shù)據(jù)

表4 上下行裂縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：裂縫度是指每1km路面各種裂縫(橫、縱向裂縫)的總長(zhǎng)度；裂縫率是指路面裂縫破損面積(各橫、縱向裂縫面積=裂縫長(zhǎng)度×0.2)與所調(diào)查路段的路面總面積之比。

3.1 假設(shè)檢驗(yàn)及正態(tài)性檢驗(yàn)

假設(shè)檢驗(yàn)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中根據(jù)一定假設(shè)條件由樣本推斷總體的一種方法[6-7]，常用的假設(shè)檢驗(yàn)方法有U檢驗(yàn)法、T檢驗(yàn)法、F檢驗(yàn)法等。

在進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)前，通常需要判斷總體分布是否為正態(tài)分布[7]，采用K-S單個(gè)樣本判斷。選取裂縫率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將表4的上行下行裂縫率數(shù)據(jù)相加得到表5，由此得到分布檢驗(yàn)表如表6和表7所示。

表5 上下行裂縫率統(tǒng)計(jì)結(jié)果 %

表6 上行裂縫率正態(tài)分布檢驗(yàn)

表7 下行裂縫率正態(tài)分布檢驗(yàn)

根據(jù)分布檢驗(yàn)表，上下行裂縫率擬合正態(tài)分布的均值分別為0.2495和0.2870；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.4813和0.2822；而相應(yīng)的漸進(jìn)顯著性(雙側(cè))分別為0.3567和0.9892均大于0.05，可以認(rèn)為上下行裂縫率總體均符合正態(tài)分布。

3.2 裂縫率與道路曲直的關(guān)系

由表4整理得到直道與彎道路段裂縫率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(取下行方向)，見(jiàn)表8；并對(duì)直道與彎道的裂縫率進(jìn)行差異比較，本文采用的方法是T檢驗(yàn)法，結(jié)果如表9所示。

表8 直道與彎道路段裂縫率統(tǒng)計(jì) %

注：表中每一個(gè)路段的裂縫率由表4中該路段下行方向的橫向裂縫和縱向裂縫的裂縫率相加得到。

表9 直道與彎道裂縫率差異比較

表9“方差方程的Levene檢驗(yàn)”列方差齊次性檢驗(yàn)結(jié)果：F值為1.6215，顯著性概率為0.2718，大于0.05，因此兩組方差不顯著。

從表9的“假設(shè)方差相等”行讀取數(shù)值，t值是-0.9166，Sig.(雙側(cè))是雙尾T檢驗(yàn)的顯著性概率0.4112，大于0.05?？梢缘贸鼋Y(jié)論：直道與彎道的裂縫率無(wú)顯著差異，這表明路面裂縫率應(yīng)該與道路的曲直沒(méi)有必然的聯(lián)系。

3.3 上下行裂縫率差異性比較

上行下行裂縫率數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，對(duì)上行與下行的裂縫率進(jìn)行差異比較，結(jié)果如表10所示。

表10 上下行裂縫率差異比較

表10“方差方程的Levene檢驗(yàn)”列方差齊次性檢驗(yàn)結(jié)果：F值為0.4781，顯著性概率為0.5050，大于0.05，因此兩組方差不顯著。

從表10的“假設(shè)方差相等”行讀取數(shù)值，t值是0.1646，Sig.(雙側(cè))是雙尾T檢驗(yàn)的顯著性概率0.8725，大于0.05?？梢缘贸鼋Y(jié)論：上行與下行的裂縫率無(wú)顯著差異，這表明路面裂縫率應(yīng)該與行車方向沒(méi)有必然的聯(lián)系。

4 成因分析

一般而言，瀝青混凝土路面裂縫包括兩種類型，即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫主要是因行車荷載作用而引起的；非荷載型裂縫產(chǎn)生的原因包括：溫度裂縫、所用的原材料質(zhì)量和施工工藝不當(dāng)?shù)仍斐傻牧芽p[8]。本文研究的是荷載型裂縫。

行車荷載是本文的主要研究對(duì)象，無(wú)論是上行、下行還是直道、彎道，都對(duì)路面所受的行車荷載有重要影響。雖然影響因素分析結(jié)果顯示路面裂縫率與道路曲直和行車方向均無(wú)顯著的聯(lián)系，但也有可能是所調(diào)查路段在直道、彎道處及上行、下行方向的行車荷載無(wú)顯著差異。

測(cè)量的同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的車流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表11。由表11發(fā)現(xiàn)，下行方向的車流量大于上行方向；且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察得知，上下行的車型無(wú)顯著差別，以轎車和大中型卡車為主，但下行方向出現(xiàn)過(guò)車輛自行加高擋板的超載情況，即下行方向的行車荷載大于上行方向。

表11 車流量統(tǒng)計(jì)

對(duì)表4裂縫的縫長(zhǎng)、縫寬取均值得到表12，可以發(fā)現(xiàn)上下行的裂縫嚴(yán)重程度有差異。

下行橫縫縫長(zhǎng)均值為2.750m，上行為2.267m，即下行橫縫縫長(zhǎng)大于上行；下行橫縫縫寬均值為2.148mm，上行為2.034mm，即下行橫縫縫寬大于上行。下行縱縫縫長(zhǎng)均值為4.100m，上行為2.141m，即下行縱縫縫長(zhǎng)大于上行；下行縱縫縫寬均值為2.006 mm，上行為0.667 mm，即下行縱縫縫寬大于上行。

表12 上下行裂縫嚴(yán)重程度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜上，下行方向裂縫的開裂程度較上行方向更嚴(yán)重，縱縫尤為明顯，這與上下行的行車荷載大小相吻合。且下行方向出現(xiàn)車輛超載的情況，根據(jù)劉彥光等學(xué)者的研究[4 ]，超限重載車是引發(fā)縱縫的主要因素之一。

裂縫分布規(guī)律顯示：同一工程項(xiàng)目的不同路段開裂情況相差很大。根據(jù)表1可知，101省道前三段以網(wǎng)狀裂縫和不規(guī)則裂縫為主，裂縫面積和破壞程度大；后三段以橫向裂縫和縱向裂縫為主，相對(duì)前三段破壞程度較小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，前三段車流量較大，車輛以轎車和中小型客車為主，偶爾會(huì)出現(xiàn)大型卡車；后三段的車流量較前者小，車輛以小型機(jī)動(dòng)車居多，偶爾有中型巴士行駛，大型卡車出現(xiàn)的頻率較前三段小?？梢?jiàn)101省道裂縫嚴(yán)重程度與行車荷載相關(guān)。

從裂縫分布規(guī)律可知，彎道路段較低一側(cè)的路面裂縫比較高一側(cè)嚴(yán)重，對(duì)表2中彎道高低側(cè)裂縫面積進(jìn)行差異比較，結(jié)果如表13所示。

表13 高低側(cè)裂縫面積差異比較

表13“方差方程的Levene檢驗(yàn)”列方差齊次性檢驗(yàn)結(jié)果：F值為0.0565，顯著性概率為0.8200，大于0.05，因此兩組方差不顯著。

從表13的“假設(shè)方差相等”行讀取數(shù)值，t值是8.9590，Sig.(雙側(cè))是雙尾T檢驗(yàn)的顯著性概率0.0001，遠(yuǎn)小于0.05。可以得出結(jié)論：高低側(cè)裂縫嚴(yán)重程度有顯著差異，表現(xiàn)為較低一側(cè)的裂縫面積大于較高一側(cè)，究其原因，主要是由于向心力，較低一側(cè)的路面所受的荷載作用力更大，路面某點(diǎn)的荷載作用持續(xù)時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)(車輛通過(guò)彎道的時(shí)間一定，而較低側(cè)的路程更短)，而瀝青混合料是一種黏彈性材料，在持續(xù)荷載作用下易產(chǎn)生塑性變形，久而久之產(chǎn)生裂縫。

綜上所述，可以認(rèn)定裂縫產(chǎn)生的主要原因之一應(yīng)為行車荷載，包括超限重載車、車流量過(guò)大、荷載的持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。

5 結(jié)論

(1)同一工程項(xiàng)目的不同路段，開裂情況相差很大。

(2)彎道在較低側(cè)的路面開裂更嚴(yán)重。

(3)道路兩邊成對(duì)出現(xiàn)橫縫，且大多數(shù)貫通路幅的橫縫在路邊的縫寬比路中間的大；推測(cè)是先成對(duì)出現(xiàn)道路兩邊的橫縫，然后逐漸發(fā)展搭接形成貫通路幅的橫縫。

(4)行車荷載是裂縫產(chǎn)生的主要原因之一，包括超限重載車、車流量過(guò)大、荷載的持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。