摘要

沥青路面Top-Down裂缝(TDC)已成为沥青路面主要且亟待研究的病害之一，中国对TDC的研究很少。该文在总结国内外沥青路面TDC研究方法的基础上，从行车因素(荷载、车速)、气温因素、施工质量以及沥青混合料自身性质几个方面对其影响因素进行总结分析，并对沥青路面TDC的机理进行探讨。分析表明：国内外大多数都采用有限元数值模拟研究得到拉应力产生非轮迹带处的TDC和剪应力造成轮迹带处TDC的结论。

关键词：沥青路面 | Top-Down裂缝 | 有限元数值模拟 | 形成机理 | 影响因素

根据中国《2018年交通运输行业发展统计公报》，中国公路总里程已达484.65万km，半刚性基层是其主要基层形式。与此同时，已建成道路在外界条件的影响下干缩、温缩现象显著，致使基层出现反射裂缝，进而导致沥青路面结构的破坏。半刚性基层破坏后的维修困难且成本高昂，影响正常交通运行。经过不断的探究及实体工程的应用，美国、日本、欧洲各国逐步提倡采用不会产生反射裂缝、裂缝处理相对简单经济的柔性基层路面。从LTTPDPS-6(FH-WA-RD-00-165)提供的数据来看，柔性基层沥青路面具有较长的使用寿命，可以在使用15年之后才进行维修，并且很多柔性基层沥青路面过了20多年才出现损坏。这与中国的半刚性基层沥青路面的使用寿命形成强烈的对比，相信不久的将来，中国也会推广柔性基层沥青路面。

作为柔性基层沥青路面早期病害的TDC，自然开始引起重视。为了顺应道路发展趋势，做到未雨绸缪，该文拟开展TDC的机理研究，对于延长中国沥青路面寿命、提高社会及经济效益具有重要意义，同时为日后的柔性基层沥青道路的发展提供借鉴与思考。

TDC是指由路表产生并向沥青面层内部扩展传播的裂缝。一般来说，TDC在产生初期既不影响路面结构承载力，也不影响行车舒适性，导致人们忽视其危害性并错过养护时机。实际上，TDC对路面磨耗层的耐久性和路面结构使用寿命具有强烈影响。TDC的存在使得雨水和其他物质很容易进入路面结构内部，影响沥青混合料的空隙率、层间接触等，成为其他路面病害的诱因，并且加速裂缝处和裂缝周围路面结构使用寿命的衰减，加速路面服务性能的下降。该文在对国内外沥青路面TDC的研究方法进行分析总结的基础上，主要从车辆荷载、气温、结构厚度和沥青混合料性质4个方面分析TDC产生原因及开展机理。以期对TDC开裂与发展进行控制和预估，达到延长路面使用寿命的目的，提高社会和经济效益，同时为柔性基层沥青路面早期病害的预防与控制提供技术储备。

国内外主要研究结论

国外对TDC的研究是从20世纪80年代开始，而中国早期研究主要集中在传统半刚性基层路面的反射裂缝、温缩裂缝等，对TDC的研究起步较晚。TDC的研究方法以试验研究和数值分析为主，随着断裂力学理论不断更新，TDC的机理逐渐有据可循。但是，由于TDC的影响因素众多，目前TDC的相关研究还不够quan面，学界对于TDC产生和发展的机理研究同时存在一致和尚未达成共识的结论。

国内外研究目前已达成共识的有裂缝开裂形式及其特点等方面，均认为TDC一般先表现为轮迹带位置处的纵向裂缝，之后渐渐出现横向裂缝，然后纵向裂缝和横向裂缝交汇形成网状裂缝。根据路龄不同，TDC多可穿透3层沥青层。

对于TDC开裂和发展的影响因素，学界还存在不同意见。ZhaoY等利用多层弹性计算机代码APRA计算路面上的水平应力，认为行车荷载造成的路表面的横向拉应力是导致TDC开裂的主要因素；Roque等和Dinegdae等使用基于能量的裂缝开展模型研究后认为，横向拉应力是影响TDC的关键因素；徐欧明和郝培文研究后也提出同意的观点；SoonS等根据路表拉应力产生的位置认为拉应力仅与非轮迹带处的纵向TDC有关。相反地，Mohammad等、ALQadi等以及李峰、孙立军将TDC归因于轮胎边缘处的载荷引起的剪切应变；顾凡等使用佛罗里达大学建立的基于断裂力学模型和AASHTO现有的路面MＥ设计模型对TDC根据产生位置的不同进行分类并研究，将轮迹带处TDC归因于剪应力，非轮迹带处的TDC由拉应力引起；文献[21]使用基于Paris公式的数值模拟研究后也认为是集中的剪应力导致TDC产生；WangL.B等提出对车辙敏感的混合料可能也对开裂敏感，剪应力和拉应力对TDC都有影响；同时，文献[7]指出，当不考虑老化，轮载下的剪应力是造成TDC开裂的主要原因；老化及降温后，路面结构的拉应力则成为主要因素；MiaoY等将多域混合边界点法(multidomainhybridboundarynodemethod，hybridBNM)和断裂理论相结合，避免了有限元法中网格划分对结果的影响，得到了更为准确的结果，结论指出水平应力对TDC的扩展有着不可忽视的作用。

除了围绕应力的意见分歧，学界还对路面结构和沥青混合料本身对TDC的影响有不同意见。文献[23]引入CT技术对沥青路面TDC的产生和扩展进行实时观测，分析开裂过程中路面结构的变化，认为混合料级配类型是裂纹扩展的影响因素之一。Svasdis-antT等认为TDC主要由荷载产生的路表横向拉应力和劲度模量的变化引起；FreitasD等使用加速加载试验和三维非线性黏弹性有限元模型，研究发现车辙会促进TDC的产生，且空隙率、集料离析和黏层油在任何温度下对TDC都有显著影响，路表车辙对TDC的产生也有明显影响；MdRashadulislam等在将29条试验段数据和已有的TDC预测模型进行对比后发现，同时考虑温度因素时，TDC预测模型和实地数据的误差降低了13％；Holewinskij等研究认为温度是明尼苏达州TDC的主要影响因素。

国内外研究表明：TDC主要产生位置为轮迹带，其余在非轮迹带的纵向或路面横向位置处；路面的温度应力、荷载应力、路面的结构、老化状况、道路施工质量等都会导致TDC的产生与扩展。

形成机理及影响因素

目前，针对沥青路面TDC的机理研究主要有以下3种观点：

①轮胎-路面接触会产生剪应力，在重复荷载作用下，轮-地接触剪应力超过沥青路面结构的强度导致路面在轮迹带处产生自上而下的剪切疲劳裂缝；

②极端温度条件下温度骤降导致路面产生难以松弛的温度应力，当温度应力超过应力强度时则导致路面TDC的产生，并且反复的升降温也会致使由于施工不当造成的微裂缝进一步扩展形成TDC；

③施工质量问题导致TDC的产生。

从以上观点以及相关研究可以总结出沥青路面TDC的形成主要受两方面因素影响：外部因素即汽车荷载、气候和施工因素，其中，车辆荷载包括行车速度以及行车荷载大小；内部因素即路面本身特性，包括沥青路面的厚度、模量、沥青路面混合料类型、空隙率、路面结构老化程度、黏结剂老化等。沥青路面TDC形成的影响因素及其相互关系如图1所示。

外部因素

在沥青路面TDC的研究中，外部因素主要指气候因素和车辆荷载因素。其中，气候因素包括温度的高低和降温幅度。

行车荷载

对于行车荷载这一因素，学者对于荷载引起的拉应力还是剪应力造成了TDC的产生各有看法。

文献[3，10，12-17，20，22，24]认为拉应力是造成TDC开裂的主要原因。MiaoY张翔宇通过有限元模型分别研究了有无水平荷载情况下的路面结构力学响应，得到的路面结构受力随裂缝深度变化如图2、3所示。

由图2、3可知：水平荷载的存在使应力强度因子K变大2~3倍。且水平荷载引起的路面结构的拉应力大值出现在路面表层，zui大剪应力在低水平荷载系数条件下出现在路面结构30~60mm，随着水平荷载系数的扩大，剪应力的大值出现在路表面。数据表明：水平荷载产生的拉应力是引起TDC产生的主要因素。

顾凡等对TDC进行了开裂位置的分类，对路面结构的汽车荷载力学响应做了更细致的研究，得到距荷载中心不同位置的横向拉应力和纵向拉应力的峰值变化如图4所示。

由图4可知：不论横向应力还是纵向应力，路面的压应力均不会造成TDC，只有拉应力超过路面极限抗拉应力时才会造成路面的开裂。且拉应力峰值均出现在距车轮约0.6m处，这可以解释非轮迹带处TDC的成因。

与此同时，文献[7，10，15，18，19，21，22，28，33，34]认为轮胎下的高剪应力是造成TDC开裂的主要原因。其中，顾凡等对轮胎-路面接触面应力研究得到轮迹带处路面结构剪应力峰值变化如图5所示，并指出由于轮胎接地压力的存在，当剪应力超过路面结构ji限抗剪应力时则产生轮迹带处的TDC。

此外，李峰、孙立军的研究也得出相似结论，即：行车荷载引起的路面结构剪应力峰值位于轮迹带上，作用位置均位于路面结构上面层，且位置稳定。

由此可见，行车荷载是导致沥青路面结构产生TDC的主要因素之一。水平拉应力造成了非轮迹带处纵向TDC和横向TDC，轮迹带处的纵向TDC归因于轮-地接触时在轮迹带处产生的高剪应力。

车速

赵延庆等通过有限元模型对车速与TDC的关系进行了研究，将结果绘制于图6。

由图6可知：行车速度对张开型应力强度因子KI的作用频率有显著影响，车速越大，应力强度因子的频率增加，即作用时间变短。研究表明：随着应力强度因子作用频率的增加，沥青混合料抵抗裂缝扩展的能力提高。由此可得：较慢的行车速度会加速TDC扩展。

温度

由于沥青混合料具有温度敏感性，因此沥青路面结构在温度变化的影响下，势必会产生膨胀或收缩现象。特别是在急剧降温时，路面结构产生温度梯度，且沥青路面不像水泥混凝土路面那样具有收缩缝，收缩变形就会受到基层对路面的摩阻力和路面无限连续板体的约束作用，使沥青面层产生拉应力。即使沥青混凝土具有应力松弛性能，但是在急剧降温条件下，路面产生的温度应力来不及松弛，应力积累超过极限抗拉强度，则导致TDC的产生。

研究表明：急剧降温而使路面产生的温度应力也是使沥青路面产生TDC的原因之一。张翔宇通过有限元模型研究了路面温度应力在不同初始温度及降温幅度组合条件下随路面结构深度的变化情况，结果如图7所示。

由图7可知：沥青路面产生的温度应力随着初始温度的升高和降温速度的加快而增加，并且温度应力在路表达到峰值，随着路面结构深度的加深而减小。

洪海等对黑龙江省10条高等级公路的沥青混凝土路面裂缝调查分析后也提出，面层温度收缩变化是引起TDC的主要原因之一。

荷载因素和温度的比较

为了比较荷载和温度对TDC影响程度的不同，毛成对行车荷载、温度荷载以及两者共同作用下的情况进行计算分析。5种工况组合和计算结果见表1、2。

由表2可知：任一工况下剪切型应力强度因子KⅡ都远小于张开型应力强度因子KI。对于只有行车荷载作用的工况1，KI远小于沥青路面材料的断裂韧度KIC值(KIC＝4~5MPa·cm1/2)，不可能导致TDC的产生。而在同时考虑行车荷载和温度荷载的情况下，KI扩大为仅考虑行车荷载时的5倍左右，并且在路表温差为-20℃时产生了大于KIC值的应力强度，即会引起TDC的扩展。因此，文献[11，24，26，27，40]则提出，虽然行车荷载的反复作用会引起裂纹的产生和扩展，但其中起主要作用的是由温度(特指温度急剧下降)引起的温度应力。

施工因素

禤炜安、胡力群等在对沥青路面施工过程中的温度离析现场进行研究时发现，混合料的温度离析程度和路面压实变异度呈正相关；刘洪海提出了混合料摊铺时的碾压离析与路面压实变异度的正相关关系。同时，顾凡等通过建立的预测模型指出，压实度对TDC的开裂也存在影响，如表3所示。N1路段作为控制路段使用PG67-22沥青和20％RAP；Ｎ2路段与N1混合料相同，但压实度较高；N5与N1混合料相同，压实度较低。由表3可以看出：压实度的增加只能略微延长沥青路面的TDC初始寿命，而压实度的降低却能显著降低TDC的寿命。

文献[24]指出由于施工引起的路面结构的刚度差异可导致TDC的产生。

由此可见，路面结构的施工质量同样影响着TDC的产生与发展。施工时应遵循JTGＦ40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求，尽量减少由于温度离析问题导致的TDC，对于碾压产生的混合料离析，应从施工工艺和碾压设备两方面进行改进。

内部因素

沥青面层厚度

沥青面层与车辆和大气环境直接接触，承受着较大的行车荷载以及变化的气候条件的影响。为保证沥青路面具有良好的路用性能和耐久性，沥青面层需要具有足够的厚度，同时又要符合更大收益的原则，不能太厚。马正军在保证土基、底基层、基层结构参数不变的基础上分析面层厚度对TDC发育过程中应力强度因子K的影响，结果见图8。

通过分析沥青面层厚度和KI、KII的关系，可知较薄路面层在任何裂缝深度处的有效应力强度因子K总比较厚路面层高。这一结论与梁俊龙和李仕华分别使用有限元分析沥青路面结构的力学响应时得到的结论和华盛顿州交通部(WSDOT)通过对州内24条道路芯样的分析得到的结论相近。说明沥青路面越厚，越不容易产生TDC。但是，面层超过一定厚度之后，厚度对有效应力强度因子的变化已不具有关键性影响，在实际路面结构设计中，应考虑经济效益，酌情增加沥青路面面层厚度。

沥青面层模量

沥青路面受行车荷载的直接作用，需要具有一定的强度和稳定性。面层的劲度模量对路面的寿命至关重要，它直接关系着路面的承载能力。同时，沥青作为一种感温性材料，沥青材料模量的变化与温度呈负相关关系，温度低，模量就大，温度高，模量就低。因此，考虑模量的变化其实就包含了温度的影响。讨论面层模量对有效应力强度因子K的影响，得到在对称均布荷载作用下，半刚性基层沥青路面面层层底K值随面层模量的变化规律，即：面层模量越高，面层底面的有效应力强度因子越大，裂缝更容易扩展。

同时，沥青模量也随着沥青的老化而zeng大。沥青老化造成的更高热应力被认为是产生横向TDC的因素之一。

沥青混合料类型

沥青路面由沥青混合料加以摊铺、碾压成型。而沥青混合料又是由一定黏度和用量的沥青材料和一定级配的矿质集料通过配合比设计和充分混合而成。不同的沥青种类、沥青含量和矿料级配等对沥青路面TDC的形成具有不同的影响。

(1)沥青含量：文献[44]指出，沥青混合料中沥青含量越大抗裂性越好。

(2)级配：文献[45]通过测定试件的平均线收缩系数来评价沥青路面在低温条件下的开裂，发现不同设计级配的沥青混合料的线收缩系数均随着沥青含量的增加而变大。在AC-5、AC-10以及AC-13共3种级配类型中，AC-5更容易开裂，AC-10具有更好的抗裂性。文献[46]对级配分别为AC-13F、AC-13C和SAC-13的混合料进行半圆弯拉试验，得到基质体弹性模量与断裂韧度JC的关系如图9所示。文献[25]得出了同样的观点，即细级配的混合料抗裂性明显好于粗集配。

(3)空隙率：文献[24，25，44，47，48]研究指出空隙率在TDC发展中起到的重要影响，即沥青路面混合料的空隙率越大，越容易出现TDC。AASHTO在发布的MEPDG指南中也提出同样观点。

综上所述，沥青面层厚度、沥青面层模量和沥青混合料类型等内在因素都会对沥青路面TDC的开裂和发展产生影响。其中面层模量和温度具有相关性，可与前述外部因素中的温度因素相结合进行分析。

预测模型

MengLing等根据AASHTO的ME道路设计指南中提出的针对TDC分析预测的暂行办法，以及芯样的分析数据、微断裂力学、非均匀接触应力、热应力、LTPP数据以及以动力学为基础的路面老化模型和理论，对黏弹性老化性能、路面模量预测、纵向热应力裂缝等子模型进行校准，得到更为准确的TDC预测模型。

根据美国交通研究委员会(TRB)2010年在线上发布的1-42Ａ项目的162文件，目前已开发出的普遍接受的预测模型有基于VECD的TDC开裂模型和基于HMA-FM的TDC发展模型。VECD模型通过老化、自愈合、失效准则、黏塑性和热应力等几个子模型研究在裂缝产生之前破裂区的力学响应，来判断TDC的产生位置和产生时间。HMA-FM模型则包含材料特性子模型、热响应模型、以时间为变量的路面开裂模型和基于能量的简化开裂模型，通过这些子模型来研究已有的TDC对裂缝发展的影响并总结裂缝随时间开展的规律。由于这两组模型各自独立，还不能对TDC进行预测。为了得到更准确的TDC预测结果，还应该将两组模型进行整合集成，使其成为同时考虑到荷载和环境综合影响的可同时处理多个裂缝损坏的模型。

现状评述

缺乏对路面结构非均质体的考虑

学者们多使用断裂力学理论和有限元的方法对沥青路面TDC进行研究。然而对于复合结构中的界面裂缝的扩展问题，均质各向同性线弹性材料的假设并不准确，应从非均质体的界面断裂力学角度进行研究。并且在建立三维有限元模型时，应建立动态模型而非静态，静态模型与动态模量并不匹配。

缺乏对荷载接地形式的考虑

传统的路面力学计算中，轮-地作用力分布形式被简化为圆形均布。但实际上，轮-地作用力分布形状更接近于长短轴比较接近的椭圆形，且只有轮胎面突出的花纹同路面相接触。轮-地作用力的分布并不均匀，而是随着荷载增减及轮胎压力不同有很大变化。

结论

为了顺应道路行业的发展趋势，沥青路面Top-Down裂缝的研究具有重要意义。研究沥青路面Top-Down裂缝不仅有利于延长中国沥青路面寿命、提高社会及经济效益，同时也能为日后的柔性基层沥青道路的发展提供借鉴与思考。该文综合了学者对沥青路面TDC的研究，主要结论如下：

(1)沥青路面TDC的产生和开展受多种因素的影响。外部因素包括汽车荷载、行车速度以及温度，内部因素包括沥青路面的厚度、模量、沥青路面混合料矿料级配、路面结构老化程度、黏结剂老化等。在外部因素中，行车荷载的反复作用引起的剪应力、过低的车速和刹车过程产生的拉应力、急剧降温引起的温度应力都会引起裂纹的产生和扩展。

(2)温度对沥青路面TDC的影响包括使路面结构产生温度应力，也包括对面层结构模量的影响。当温度急剧下降产生的温度应力来不及松弛，并且超过了极限抗拉强度，那么裂缝就会产生。

(3)为了控制沥青路面TDC的产生和扩展，可以从设计方面入手。线形设计时减少zui小半径路段和长陡坡路段；路面结构设计时在经济更优的原则下选择具有足够厚度的沥青面层和更优的沥青混合料级配；面层模量选择上，模量越大，路面结构强度、抗变形能力等越好，但是较高的模量会加速表面裂缝的扩展。因此，要对各因素进行统筹考虑，得到路面结构各性能的更佳组合。

全文完 发布于《中外公路》2021年6月

设备名称：Pave小型1/3尺寸路面加速加载测试设备
型       号：PaveMLS11 
制  造  商：英国PaveTesting

通常的车辙测试设备，仅对路面材料进行非常慢速的加载测量，不能模拟真实交通情况，不能模拟真实车轮碾压，也不能进行反复加载。相比之下，PaveMLS11这一套路面加速加载测试设备，可在路面上进行实际加载。通过PAVETEST®操作软件，PaveMLS11的荷载可进行成比例计算加载，以确保轮压和真实路面状态上的全部尺寸车辆车轮加载保持同一水平。因此，PaveMLS11的试验结果可用于模拟常规的真实荷载状态，设备可直接用于研究路面上层125mm厚的沥青层路面性能（无论是实验室路面还是现场路面）。因此，此小型加速加载设备对于研究现场真实路面状态上的全部尺寸车辆车轮加载下路面性能研究，具有非常宝贵的价值。

缩小比例的加速加载设备PaveMLS11，也可以用于研究沥青材料面层的疲劳特性。如果具备某些条件，如：荷载频率、温度、横向摆动在内的荷载应用及老化PaveMLS11对路面材料/沥青混合料的突出研究效果，可用于预测和评价路面车辙等性能。如果相对于常规的加速加载试验状态，需要和普通车辙测试设备一样评估慢速加载时路面性能的状况，PaveMLS11也可以简单实现，只需调整它的加载速度即可，然而加载方向却始终模拟真实行车状态而进行单向的加载模式。

PaveMLS11小型加速加载设备，采用标准卡车轮胎的1/3比例尺寸轮胎进行加载，安装有4个加载轮，测试长度接近1.1m，可施加7200次/每小时加载。作用于300mm直径试样上的荷载可至2.7kN（短时间可达2.9kN），轮压700kPa（短时间可达800kPa）。

满足规范：SANS 3001-PD1 :2016，SOUTH AFRICA N NATIONAL STA NDARD

产品特点

▍设备配置有横向移动系统，可以模拟实际路面轮迹带上轮迹的正态分布，横移宽度左右可达各75mm

▍加载轮宽度80mm，在横向移动系统启动后加载宽度可达230mm

▍特殊巧妙的荷载单元设计结构，使得路面不平的情况下加载轮对地荷载依然是稳定的

▍设备有本地手动和远程自动两种控制方式 ，在远程模式下软件可以记录设备高度，环境温度，路面温度和道路内部温度及加载速度、次数等信息

▍设备配置有胎压监测系统，在发生爆胎或者胎压不足的情况设备自动警报并停机

▍设备有多种试验方式，可以在实际道路上进行试验，也可以使用配置的大尺寸震动轮碾成型机，在实验室内成型试验道路进行试验，或者在实际道路上取芯，将芯样放置在实验室底座内进行试验，或者直接将实际道路取样到实验室内进行试验

▍设备可以使用配置的温控系统进行多种温度模式试验，可以进行路面干式加热试验，湿式水循环加热试验，路面制冷低温试验

▍小型加速加载设备配置断面仪，可以在加载后测量路面车辙，同时可以利用车辙与加载次数的关系预测实际道路车辙发展规律

▍设备通体由不锈钢构成，以防止潮湿环境下的腐蚀

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