瀝青路面Top-Down裂縫成因研究綜述

梁悅， 鄒曉翎

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400041)

根據(jù)中國《2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，中國公路總里程已達(dá)484.65萬km，半剛性基層是其主要基層形式。與此同時(shí)，已建成道路在外界條件的影響下干縮、溫縮現(xiàn)象顯著，致使基層出現(xiàn)反射裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)的破壞。半剛性基層破壞后的維修極為困難且成本高昂，極度影響正常交通運(yùn)行。經(jīng)過不斷的探究及實(shí)體工程的應(yīng)用，美國、日本、歐洲各國逐步提倡采用不會(huì)產(chǎn)生反射裂縫、裂縫處理相對簡單經(jīng)濟(jì)的柔性基層路面。從LTTP DPS-6 (FHWA-RD-00-165)提供的數(shù)據(jù)來看，柔性基層瀝青路面具有較長的使用壽命，可以在使用15年之后才進(jìn)行維修，并且很多柔性基層瀝青路面過了20多年才出現(xiàn)損壞。這與中國的半剛性基層瀝青路面的使用壽命形成強(qiáng)烈的對比，相信不久的將來，中國也會(huì)推廣柔性基層瀝青路面。

作為柔性基層瀝青路面早期病害的TDC，自然開始引起重視。為了順應(yīng)道路發(fā)展趨勢，做到未雨綢繆，該文擬開展TDC的機(jī)理研究，對于延長中國瀝青路面壽命、提高社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義，同時(shí)為日后的柔性基層瀝青道路的發(fā)展提供借鑒與思考。

TDC是指由路表產(chǎn)生并向?yàn)r青面層內(nèi)部擴(kuò)展傳播的裂縫。一般來說，TDC在產(chǎn)生初期既不影響路面結(jié)構(gòu)承載力，也不影響行車舒適性，導(dǎo)致人們忽視其危害性并錯(cuò)過絕佳養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。實(shí)際上，TDC對路面磨耗層的耐久性和路面結(jié)構(gòu)使用壽命具有強(qiáng)烈影響。TDC的存在使得雨水和其他物質(zhì)很容易進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，影響瀝青混合料的空隙率、層間接觸等，成為其他路面病害的誘因，并且加速裂縫處和裂縫周圍路面結(jié)構(gòu)使用壽命的衰減，加速路面服務(wù)性能的下降。該文在對國內(nèi)外瀝青路面TDC的研究方法進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，主要從車輛荷載、氣溫、結(jié)構(gòu)厚度和瀝青混合料性質(zhì)4個(gè)方面分析TDC產(chǎn)生原因及開展機(jī)理。以期對TDC開裂與發(fā)展進(jìn)行控制和預(yù)估，達(dá)到延長路面使用壽命的目的，提高社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為柔性基層瀝青路面早期病害的預(yù)防與控制提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 國內(nèi)外主要研究結(jié)論

國外最早對TDC的研究是從20世紀(jì)80年代開始。而中國早期研究主要集中在傳統(tǒng)半剛性基層路面的反射裂縫、溫縮裂縫等，對TDC的研究起步較晚。TDC的研究方法以試驗(yàn)研究和數(shù)值分析為主，隨著斷裂力學(xué)理論不斷更新，TDC的機(jī)理逐漸有據(jù)可循。但是，由于TDC的影響因素眾多，目前TDC的相關(guān)研究還不夠全面，學(xué)界對于TDC產(chǎn)生和發(fā)展的機(jī)理研究同時(shí)存在一致和尚未達(dá)成共識(shí)的結(jié)論。

國內(nèi)外研究目前已達(dá)成共識(shí)的有裂縫開裂形式及其特點(diǎn)等方面，均認(rèn)為TDC一般最先表現(xiàn)為輪跡帶位置處的縱向裂縫，之后漸漸出現(xiàn)橫向裂縫，最后縱向裂縫和橫向裂縫交匯形成網(wǎng)狀裂縫。根據(jù)路齡不同，TDC最多可穿透3層瀝青層。

對于TDC開裂和發(fā)展的影響因素，學(xué)界還存在不同意見。Zhao Y等利用多層彈性計(jì)算機(jī)代碼APRA計(jì)算路面上的水平應(yīng)力，認(rèn)為行車荷載造成的路表面的橫向拉應(yīng)力是導(dǎo)致TDC開裂的最主要因素；Roque等和Dinegdae等使用基于能量的裂縫開展模型研究后認(rèn)為，橫向拉應(yīng)力是影響TDC的關(guān)鍵因素；徐歐明和郝培文研究后也提出同意的觀點(diǎn)；Soon S等根據(jù)路表拉應(yīng)力產(chǎn)生的位置認(rèn)為拉應(yīng)力僅與非輪跡帶處的縱向TDC有關(guān)。相反地，Mohammad等、Al-Qadi等以及李峰、孫立軍將TDC歸因于輪胎邊緣處的載荷引起的剪切應(yīng)變；顧凡等使用佛羅里達(dá)大學(xué)建立的基于斷裂力學(xué)模型和AASHTO現(xiàn)有的路面ME設(shè)計(jì)模型對TDC根據(jù)產(chǎn)生位置的不同進(jìn)行分類并研究，將輪跡帶處TDC歸因于剪應(yīng)力，非輪跡帶處的TDC由拉應(yīng)力引起；文獻(xiàn)[21]使用基于Paris公式的數(shù)值模擬研究后也認(rèn)為是集中的剪應(yīng)力導(dǎo)致TDC產(chǎn)生；Wang L.B等提出對車轍敏感的混合料可能也對開裂敏感，剪應(yīng)力和拉應(yīng)力對TDC都有影響；同時(shí)，文獻(xiàn)[7]指出，當(dāng)不考慮老化，輪載下的剪應(yīng)力是造成TDC開裂的主要原因；老化及降溫后，路面結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力則成為主要因素；Miao. Y等將多域混合邊界點(diǎn)法(multi-domain hybrid boundary node method, hybrid BNM)和斷裂理論相結(jié)合，避免了有限元法中網(wǎng)格劃分對結(jié)果的影響，得到了更為精確的結(jié)果，結(jié)論指出水平應(yīng)力對TDC的擴(kuò)展有著不可忽視的作用。

除了圍繞應(yīng)力的意見分歧，學(xué)界還對路面結(jié)構(gòu)和瀝青混合料本身對TDC的影響有不同意見。文獻(xiàn)[23]引入CT技術(shù)對瀝青路面TDC的產(chǎn)生和擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，分析開裂過程中路面結(jié)構(gòu)的變化，認(rèn)為混合料級(jí)配類型是裂紋擴(kuò)展的影響因素之一。Svasdisant T等認(rèn)為TDC主要由荷載產(chǎn)生的路表橫向拉應(yīng)力和勁度模量的變化引起；Freitas D等使用加速加載試驗(yàn)和三維非線性黏彈性有限元模型，研究發(fā)現(xiàn)車轍會(huì)促進(jìn)TDC的產(chǎn)生，且空隙率、集料離析和黏層油在任何溫度下對TDC都有顯著影響，路表車轍對TDC的產(chǎn)生也有明顯影響；Md Rashadul Islam等在將29條試驗(yàn)段數(shù)據(jù)和已有的TDC預(yù)測模型進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，同時(shí)考慮溫度因素時(shí)，TDC預(yù)測模型和實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的誤差降低了13%；Holewinski J等研究認(rèn)為溫度是明尼蘇達(dá)州TDC的主要影響因素。

國內(nèi)外研究表明:TDC主要產(chǎn)生位置為輪跡帶，其余在非輪跡帶的縱向或路面橫向位置處；路面的溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力、路面的結(jié)構(gòu)、老化狀況、道路施工質(zhì)量等都會(huì)導(dǎo)致TDC的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

2 形成機(jī)理及影響因素

目前，針對瀝青路面TDC的機(jī)理研究主要有以下3種觀點(diǎn)：① 輪胎-路面接觸會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，在重復(fù)荷載作用下，輪-地接觸剪應(yīng)力超過瀝青路面結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度導(dǎo)致路面在輪跡帶處產(chǎn)生自上而下的剪切疲勞裂縫；② 極端溫度條件下溫度驟降導(dǎo)致路面產(chǎn)生難以松弛的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過極限應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)則導(dǎo)致路面TDC的產(chǎn)生，并且反復(fù)的升降溫也會(huì)致使由于施工不當(dāng)造成的微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展形成TDC；③ 施工質(zhì)量問題導(dǎo)致TDC的產(chǎn)生。

從以上觀點(diǎn)以及相關(guān)研究可以總結(jié)出瀝青路面TDC的形成主要受兩方面因素影響：外部因素即汽車荷載、氣候和施工因素，其中，車輛荷載包括行車速度以及行車荷載大??；內(nèi)部因素即路面本身特性，包括瀝青路面的厚度、模量、瀝青路面混合料類型、空隙率、路面結(jié)構(gòu)老化程度、黏結(jié)劑老化等。瀝青路面TDC形成的影響因素及其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 TDC形成的影響因素

2.1 外部因素

在瀝青路面TDC的研究中，外部因素主要指氣候因素和車輛荷載因素。其中，氣候因素包括溫度的高低和降溫幅度。

2.1.1 行車荷載

對于行車荷載這一因素，學(xué)者對于荷載引起的拉應(yīng)力還是剪應(yīng)力造成了TDC的產(chǎn)生各有看法。

文獻(xiàn)[3，10，12-17，20，22，24]認(rèn)為拉應(yīng)力是造成TDC開裂的主要原因。Miao Y.、張翔宇通過有限元模型分別研究了有無水平荷載情況下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，得到的路面結(jié)構(gòu)受力隨裂縫深度變化如圖2、3所示。

圖2 有無水平荷載作用下K值隨裂縫深度的變化

圖3 不同水平荷載作用下應(yīng)力隨深度的變化

由圖2、3可知：水平荷載的存在使應(yīng)力強(qiáng)度因子K增大2～3倍。且水平荷載引起的路面結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在路面表層，最大剪應(yīng)力在低水平荷載系數(shù)條件下出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)30～60 mm，隨著水平荷載系數(shù)的增大，剪應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在路表面。數(shù)據(jù)表明：水平荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力是引起TDC產(chǎn)生的主要因素。

顧凡等對TDC進(jìn)行了開裂位置的分類，對路面結(jié)構(gòu)的汽車荷載力學(xué)響應(yīng)做了更細(xì)致的研究，得到距荷載中心不同位置的橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力的峰值變化如圖4所示。

圖4 瀝青路面應(yīng)力峰值隨不同荷載中心距離的變化

由圖4可知：不論橫向應(yīng)力還是縱向應(yīng)力，路面的壓應(yīng)力均不會(huì)造成TDC，只有拉應(yīng)力超過路面極限抗拉應(yīng)力時(shí)才會(huì)造成路面的開裂。且拉應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在距車輪約0.6 m處，這可以解釋非輪跡帶處TDC的成因。

與此同時(shí)，文獻(xiàn)[7,10,15,18,19,21,22,28,33,34]認(rèn)為輪胎下的高剪應(yīng)力是造成TDC開裂的主要原因。其中，顧凡等對輪胎-路面接觸面應(yīng)力研究得到輪跡帶處路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力峰值變化如圖5所示，并指出由于輪胎接地壓力的存在，當(dāng)剪應(yīng)力超過路面結(jié)構(gòu)極限抗剪應(yīng)力時(shí)則產(chǎn)生輪跡帶處的TDC。

圖5 瀝青路面剪應(yīng)力峰值隨不同荷載中心距離的變化

此外，李峰、孫立軍的研究也得出相似結(jié)論，即：行車荷載引起的路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力峰值位于輪跡帶上，作用位置均位于路面結(jié)構(gòu)上面層，且位置穩(wěn)定。

由此可見，行車荷載是導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生TDC的主要因素之一。水平拉應(yīng)力造成了非輪跡帶處縱向TDC和橫向TDC，輪跡帶處的縱向TDC歸因于輪-地接觸時(shí)在輪跡帶處產(chǎn)生的高剪應(yīng)力。

2.1.2 車速

趙延慶等通過有限元模型對車速與TDC的關(guān)系進(jìn)行了研究，將結(jié)果繪制于圖6。

圖6 不同車速下KⅠ時(shí)程曲線

由圖6可知：行車速度對張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ的作用頻率有顯著影響, 車速越大，應(yīng)力強(qiáng)度因子的頻率增加，即作用時(shí)間變短。研究表明：隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子作用頻率的增加，瀝青混合料抵抗裂縫擴(kuò)展的能力提高。由此可得：較慢的行車速度會(huì)加速TDC擴(kuò)展。

2.1.3 溫度

由于瀝青混合料具有溫度敏感性，因此瀝青路面結(jié)構(gòu)在溫度變化的影響下，勢必會(huì)產(chǎn)生膨脹或收縮現(xiàn)象。特別是在急劇降溫時(shí)，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度梯度，且瀝青路面不像水泥混凝土路面那樣具有收縮縫，收縮變形就會(huì)受到基層對路面的摩阻力和路面無限連續(xù)板體的約束作用，使瀝青面層產(chǎn)生拉應(yīng)力。即使瀝青混凝土具有應(yīng)力松弛性能，但是在急劇降溫條件下，路面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力來不及松弛，應(yīng)力積累超過極限抗拉強(qiáng)度，則導(dǎo)致TDC的產(chǎn)生。

研究表明：急劇降溫而使路面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也是使瀝青路面產(chǎn)生TDC的原因之一。張翔宇通過有限元模型研究了路面溫度應(yīng)力在不同初始溫度及降溫幅度組合條件下隨路面結(jié)構(gòu)深度的變化情況，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：瀝青路面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力隨著初始溫度的升高和降溫速度的加快而增加，并且溫度應(yīng)力在路表達(dá)到峰值，隨著路面結(jié)構(gòu)深度的加深而減小。

圖7 不同降溫速度時(shí)路面不同深度溫度應(yīng)力

洪海等對黑龍江省10條高等級(jí)公路的瀝青混凝土路面裂縫調(diào)查分析后也提出，面層溫度收縮變化是引起TDC的主要原因之一。

2.1.4 荷載因素和溫度的比較

為了比較荷載和溫度對TDC影響程度的不同，毛成對行車荷載、溫度荷載以及兩者共同作用下的情況進(jìn)行計(jì)算分析。5種工況組合和計(jì)算結(jié)果見表1、2。

表1 荷載組合的計(jì)算工況

由表2可知：任一工況下剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ都遠(yuǎn)小于張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ。對于只有行車荷載作用的工況1，KⅠ遠(yuǎn)小于瀝青路面材料的斷裂韌度KIC值(KIC=4～5 MPa·cm1/2)，不可能導(dǎo)致TDC的產(chǎn)生。而在同時(shí)考慮行車荷載和溫度荷載的情況下，KⅠ增大為僅考慮行車荷載時(shí)的5倍左右，并且在路表溫差為-20 ℃時(shí)產(chǎn)生了大于KIC值的應(yīng)力強(qiáng)度，即會(huì)引起TDC的擴(kuò)展。因此，文獻(xiàn)[11,24,26,27,40]則提出，雖然行車荷載的反復(fù)作用會(huì)引起裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，但其中起主要作用的是由溫度(特指溫度急劇下降)引起的溫度應(yīng)力。

2.1.5 施工因素

禤煒安、胡力群等在對瀝青路面施工過程中的溫度離析現(xiàn)場進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，混合料的溫度離析程度和路面壓實(shí)變異度呈正相關(guān)；劉洪海提出了混合料攤鋪時(shí)的碾壓離析與路面壓實(shí)變異度的正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，顧凡等通過建立的預(yù)測模型指出，壓實(shí)度對TDC的開裂也存在影響，如表 3所示。N1路段作為控制路段使用PG 67-22瀝青和20%RAP；N2路段與N1混合料相同，但壓實(shí)度較高；N5與N1混合料相同，壓實(shí)度較低。由表3可以看出：壓實(shí)度的增加只能略微延長瀝青路面的TDC初始?jí)勖鴫簩?shí)度的降低卻能顯著降低TDC的壽命。

表3 NCAT試驗(yàn)路的TDC開裂壽命預(yù)測

文獻(xiàn)[24]指出由于施工引起的路面結(jié)構(gòu)的剛度差異可導(dǎo)致TDC的產(chǎn)生。

由此可見，路面結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量同樣影響著TDC的產(chǎn)生與發(fā)展。施工時(shí)應(yīng)遵循JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求，盡量減少由于溫度離析問題導(dǎo)致的TDC，對于碾壓產(chǎn)生的混合料離析，應(yīng)從施工工藝和碾壓設(shè)備兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 內(nèi)部因素

2.2.1 瀝青面層厚度

瀝青面層與車輛和大氣環(huán)境直接接觸，承受著較大的行車荷載以及變化的氣候條件的影響。為保證瀝青路面具有良好的路用性能和耐久性，瀝青面層必須具有足夠的厚度，同時(shí)又要符合最大收益的原則，不能太厚。馬正軍在保證土基、底基層、基層結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上分析面層厚度對TDC發(fā)育過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子K的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 不同面層厚度應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂縫切入深度的變化(偏載)

通過分析瀝青面層厚度和KI、KII的關(guān)系，可知較薄路面層在任何裂縫深度處的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子K總比較厚路面層高。這一結(jié)論與梁俊龍和李仕華分別使用有限元分析瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)時(shí)得到的結(jié)論和華盛頓州交通部(WSDOT)通過對州內(nèi)24條道路芯樣的分析得到的結(jié)論相近。說明瀝青路面越厚，越不容易產(chǎn)生TDC。但是，面層超過一定厚度之后，厚度對有效應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化已不具有關(guān)鍵性影響，在實(shí)際路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效益，酌情增加瀝青路面面層厚度。

2.2.2 瀝青面層模量

瀝青路面受行車荷載的直接作用，必須具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。面層的勁度模量對路面的壽命至關(guān)重要，它直接關(guān)系著路面的承載能力。同時(shí)，瀝青作為一種感溫性材料，瀝青材料模量的變化與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度低，模量就大，溫度高，模量就低。因此，考慮模量的變化其實(shí)就包含了溫度的影響。討論面層模量對有效應(yīng)力強(qiáng)度因子K的影響，得到在對稱均布荷載作用下,半剛性基層瀝青路面面層層底K值隨面層模量的變化規(guī)律，即：面層模量越高，面層底面的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，裂縫更容易擴(kuò)展。

同時(shí)，瀝青模量也隨著瀝青的老化而增大。瀝青老化造成的極高熱應(yīng)力被認(rèn)為是產(chǎn)生橫向TDC的因素之一。

2.2.3 瀝青混合料類型

瀝青路面由瀝青混合料加以攤鋪、碾壓成型。而瀝青混合料又是由一定黏度和用量的瀝青材料和一定級(jí)配的礦質(zhì)集料通過配合比設(shè)計(jì)和充分混合而成。不同的瀝青種類、瀝青含量和礦料級(jí)配等對瀝青路面TDC的形成具有不同的影響。

(1) 瀝青含量。文獻(xiàn)[44]指出，瀝青混合料中瀝青含量越大抗裂性越好。

(2) 級(jí)配。文獻(xiàn)[45]通過測定試件的平均線收縮系數(shù)來評(píng)價(jià)瀝青路面在低溫條件下的開裂，發(fā)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)級(jí)配的瀝青混合料的線收縮系數(shù)均隨著瀝青含量的增加而增大。在AC-5、AC-10以及AC-13共3種級(jí)配類型中，AC-5更容易開裂，AC-10具有更好的抗裂性。文獻(xiàn)[46]對級(jí)配分別為AC-13F、AC-13C和SAC-13的混合料進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)，得到基質(zhì)體彈性模量與斷裂韌度JC的關(guān)系如圖9所示。文獻(xiàn)[25]得出了同樣的觀點(diǎn)，即細(xì)級(jí)配的混合料抗裂性明顯好于粗集配。

圖9 基質(zhì)體彈性模量與斷裂韌度JC的關(guān)系

(3) 空隙率。文獻(xiàn)[24，25，44，47，48]研究指出空隙率在TDC發(fā)展中起到的重要影響，即瀝青路面混合料的空隙率越大，越容易出現(xiàn)TDC。AASHTO在發(fā)布的MEPDG指南中也提出同樣觀點(diǎn)。

綜上所述，瀝青面層厚度、瀝青面層模量和瀝青混合料類型等內(nèi)在因素都會(huì)對瀝青路面TDC的開裂和發(fā)展產(chǎn)生影響。其中面層模量和溫度具有相關(guān)性，可與前述外部因素中的溫度因素相結(jié)合進(jìn)行分析。

3 預(yù)測模型

Meng Ling等根據(jù)AASHTO的ME道路設(shè)計(jì)指南中提出的針對TDC分析預(yù)測的暫行辦法，以及芯樣的分析數(shù)據(jù)、微斷裂力學(xué)、非均勻接觸應(yīng)力、熱應(yīng)力、LTPP數(shù)據(jù)以及以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的路面老化模型和理論，對黏彈性老化性能、路面模量預(yù)測、縱向熱應(yīng)力裂縫等子模型進(jìn)行校準(zhǔn)，得到更為精確的TDC預(yù)測模型。

根據(jù)美國交通研究委員會(huì)(TRB)2010年在線上發(fā)布的1-42A項(xiàng)目的162文件，目前已開發(fā)出的普遍接受的預(yù)測模型有基于VECD的TDC開裂模型和基于HMA-FM的TDC發(fā)展模型。VECD模型通過老化、自愈合、失效準(zhǔn)則、黏塑性和熱應(yīng)力等幾個(gè)子模型研究在裂縫產(chǎn)生之前破裂區(qū)的力學(xué)響應(yīng)，來判斷TDC的產(chǎn)生位置和產(chǎn)生時(shí)間。HMA-FM模型則包含材料特性子模型、熱響應(yīng)模型、以時(shí)間為變量的路面開裂模型和基于能量的簡化開裂模型，通過這些子模型來研究已有的TDC對裂縫發(fā)展的影響并總結(jié)裂縫隨時(shí)間開展的規(guī)律。由于這兩組模型各自獨(dú)立，還不能對TDC進(jìn)行預(yù)測。為了得到更準(zhǔn)確的TDC預(yù)測結(jié)果，還應(yīng)該將兩組模型進(jìn)行整合集成，使其成為同時(shí)考慮到荷載和環(huán)境綜合影響的可同時(shí)處理多個(gè)裂縫損壞的模型。

4 現(xiàn)狀評(píng)述

4.1 缺乏對路面結(jié)構(gòu)非均質(zhì)體的考慮

學(xué)者們多使用斷裂力學(xué)理論和有限元的方法對瀝青路面TDC進(jìn)行研究。然而對于復(fù)合結(jié)構(gòu)中的界面裂縫的擴(kuò)展問題，均質(zhì)各向同性線彈性材料的假設(shè)并不準(zhǔn)確，應(yīng)從非均質(zhì)體的界面斷裂力學(xué)角度進(jìn)行研究。并且在建立三維有限元模型時(shí)，應(yīng)建立動(dòng)態(tài)模型而非靜態(tài)，靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模量并不匹配。

4.2 缺乏對荷載接地形式的考慮

傳統(tǒng)的路面力學(xué)計(jì)算中,輪-地作用力分布形式被簡化為圓形均布。但實(shí)際上,輪-地作用力分布形狀更接近于長短軸比較接近的橢圓形，且只有輪胎面突出的花紋同路面相接觸。輪-地作用力的分布并不均勻,而是隨著荷載增減及輪胎壓力不同有很大變化。

5 結(jié)論

為了順應(yīng)道路行業(yè)的發(fā)展趨勢，瀝青路面Top-Down裂縫的研究具有重要意義。研究瀝青路面Top-Down裂縫不僅有利于延長中國瀝青路面壽命、提高社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能為日后的柔性基層瀝青道路的發(fā)展提供借鑒與思考。

該文綜合了學(xué)者對瀝青路面TDC的研究，主要結(jié)論如下：

(1) 瀝青路面TDC的產(chǎn)生和開展受多種因素的影響。外部因素包括汽車荷載、行車速度以及溫度，內(nèi)部因素包括瀝青路面的厚度、模量、瀝青路面混合料礦料級(jí)配、路面結(jié)構(gòu)老化程度、黏結(jié)劑老化等。在外部因素中，行車荷載的反復(fù)作用引起的剪應(yīng)力、過低的車速和剎車過程產(chǎn)生的拉應(yīng)力、急劇降溫引起的溫度應(yīng)力都會(huì)引起裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

(2) 溫度對瀝青路面TDC的影響包括使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，也包括對面層結(jié)構(gòu)模量的影響。當(dāng)溫度急劇下降產(chǎn)生的溫度應(yīng)力來不及松弛，并且超過了極限抗拉強(qiáng)度，那么裂縫就會(huì)產(chǎn)生。

(3) 為了控制瀝青路面TDC的產(chǎn)生和擴(kuò)展，可以從設(shè)計(jì)方面入手。線形設(shè)計(jì)時(shí)減少最小半徑路段和長陡坡路段；路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的原則下選擇具有足夠厚度的瀝青面層和最優(yōu)的瀝青混合料級(jí)配；面層模量選擇上，模量越大，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗變形能力等越好，但是較高的模量會(huì)加速表面裂縫的擴(kuò)展。因此，要對各因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，得到路面結(jié)構(gòu)各性能的最佳組合。