半刚性基层沥青路面是我国高等级公路主要采用的路面结构型式，其主要不足是半刚性基层材料对于湿度和温度的变化比较敏感，容易在其强度形成过程中和运营期间产生干缩裂缝和低温收缩裂缝^[1]。在交通荷载与外界环境的重复作用下，半刚性基层裂缝处对应的沥青面层也会产生开裂^[2-3]。

按照裂缝竖向扩展路径，沥青面层开裂可以分为自下而上和自上而下两种开裂路径^[4]。目前裂缝调查多仅观察沥青面层表面的开裂状况^[5-7]，而未分析裂缝在路面内部的形态特征，因此尚不清楚裂缝的主要开裂路径。但是，研究者基于有限元模拟分析^[8-11]，多假定沥青面层开裂路径为自下而上，并提出了多种防止反射裂缝措施，如在半刚性基层和面层之间加铺土工合成材料、增加柔性基层和应力吸收层等^[12-15]。

为了明确半刚性基层沥青路面的主要开裂路径，依托江苏省11条高速公路，充分考虑不同区域、不同时间的高速公路样本，选取典型路段，采取钻芯取样和逐层铣刨检测等方法，针对沥青路面横向裂缝，研究了基本形态特征、开裂模式，并进行了成因分析。

为了充分积累现场数据，考虑江苏省不同区域高速公路特征，选取了11条高速公路(宁杭高速、盐靖高速、宁连高速南京段、宁连高速北段、宁通高速、广靖高速、沿江高速、汾灌高速、宁扬高速、启扬高速、临连高速)，于2015—2018年，进行钻芯取样、逐层铣刨分层调查工作。调查裂缝断面共202个，取得芯样1 003个。

横缝形态取芯方案如图 1所示。点①在行车道轮迹带位置裂缝处，用于直接观测裂缝形态；点②和点③用于判断横缝附近路面结构的破损情况；其余点均位于裂缝端部附近，用于判断端部路面基层的开裂状况。为了对基层开裂情况进行分析，取芯深度均达到了底基层。

图 1 横缝形态数据采集标准方法(单位：cm) Fig. 1 Standard method for data acquisition of transverse crack morphology(unit:cm)

为了对基层开裂情况进行分析，取芯深度均达到了底基层。根据1 003个芯样调查结果，发现基层开裂状况只有两种：完好或沿深度方向贯穿开裂。这可能是由于基层出现裂缝后会迅速扩展至贯穿状态，即裂缝扩展阶段的疲劳寿命很短。

对于沥青面层，其开裂状况可分为两种：局部开裂或沿深度方向贯穿开裂。其中，局部开裂均为面层上部开裂而下部不开裂，而没有面层上部不开裂而下部开裂的情况。这可能是由于半刚性基层沥青路面的沥青层底部拉应力较小甚至为压应力，使得沥青层底部难以开裂。

根据基层和面层的开裂状况，可以将沥青路面横向裂缝开裂模式分为4种：上下发展-中间无裂缝型、上下发展-中间裂缝局部贯穿型、完全贯穿型、自上而下型。

(1) 上下发展-中间无裂缝型

上下发展-中间无裂缝型开裂模式如图 2所示，取芯桩号为宁杭高速上行K2107+768。此种开裂模式表现为，在整个横断面上，沥青面层中的上面层出现开裂，而中下面层均无裂缝；半刚性基层呈现贯穿开裂型式。

图 2 上下发展-中间无裂缝型 Fig. 2 Top-down developmental cracking mode without crack in middle

(2) 上下发展-中间裂缝局部贯穿型

上下发展-中间裂缝局部贯穿型开裂模式如图 3所示，取芯桩号为宁杭高速上行K2108+088。此种开裂模式表现为，在整个横断面上，裂缝基本完全贯穿，但是仅局部存在中部未开裂的现象(图 3(b)的芯样3)，表现出断面中部裂缝面没有完全闭合。

图 3 上下发展-中间裂缝局部贯穿型 Fig. 3 Top-down developmental cracking mode with partially penetration in middle

(3) 完全贯穿型

完全贯穿型开裂模式如图 4所示，取芯桩号为汾灌高速下行K837+910。此种开裂模式表现为，在整个横断面上，裂缝完全贯穿，钻芯取样时难以取出完整芯样。

图 4 完全贯穿型 Fig. 4 Fully penetration mode

(4) 自上而下型

自上而下型开裂模式如图 5所示，取芯桩号为宁靖盐高速下行K58+300。此种开裂模式表现为，在整个横断面上，仅有上面层出现开裂，其它地方均完好。

图 5 自上而下型 Fig. 5 Top-down mode

通过对所取202个横缝断面裂缝形态的统计，可以得到4种不同类型裂缝形态的条数和比例，上下发展-中间无裂缝型、上下发展-中间裂缝局部贯穿型、完全贯穿型、自上而下型分别为102条，60条，28条和12条，占比分别为50%，30%，14%和6%，如图 6所示。

图 6 裂缝分类统计 Fig. 6 Crack classification statistics

如果把上下发展但中间无裂缝或裂缝未闭合统称为上下发展型，则横缝形态以上下发展型为主，占到所有裂缝的80%；而传统观念认为横缝(特别是反射裂缝)多为自下而上逐步发展，路面一旦出现裂缝，说明裂缝已经完全贯穿基层和面层，从调查结果来看，仅有14%的裂缝出现完全贯穿，说明裂缝的发展过程并不是单纯的自下而上；另外，自上而下型裂缝，即单纯由温度应力引起的横缝，占所有裂缝的6%，说明纯粹的温度型裂缝在江苏省沥青路面中存在但比例较少。柯文豪等^[16]也研究表明年最低气温与裂缝相关性极弱。

通过对现有横缝断面取芯来看，95%的断面基层都有裂缝，其余5%是温度裂缝，说明基层开裂在横缝中是一种普遍现象，可以得出，横缝的产生与基层开裂具有直接的相关性，而且裂缝首先从基层产生。因为，假如裂缝先从面层产生，应该会取芯得到大量的裂缝断面只有面层开裂而基层完好，这一实际情况不符。

对于上下发展、中间未闭合型，即局部存在贯穿现象，统计局部贯穿所在位置，如图 7所示。从中可以看出，局部贯穿所在位置多发生于轮迹带处，即轮迹带处的面层和基层裂缝最先交汇、闭合，这与该处车辆荷载作用较为集中有关。

图 7 贯穿位置分类统计 Fig. 7 Classification statistics of penetration position

图 8为裂缝处芯样裂缝宽度统计图。从中可以看出，沥青面层裂缝宽度主要表现为上端宽下端窄，而基层裂缝宽度表现为上端窄而下端宽，即横缝宽度表现为面层“上宽下窄”、基层“下宽上窄”。这表明横向裂缝的扩展路径为面层自上而下、基层自下而上，首先是基层因为温缩和干缩产生开裂，然后面层因应力集中自上而下产生开裂，并且在车轮荷载的作用下，在轮迹位置首先发展成为完全贯穿的裂缝，并且完全贯穿后逐步向两边发展，最终整条裂缝均发展成为完全贯穿的裂缝。

图 8 面层和基层裂缝宽度 Fig. 8 Crack widths of surface and base

面层横缝深度平均为5.8 cm，即裂缝在竖直方向上的发展范围基本处于上中面层，但基层一旦开裂，则贯穿且仅贯穿整个基层，说明横缝在基层内发展迅速。

依托2017年西北绕城高速的养护工程，挑选裂缝比较密集的路段(K257+000~ K258+200)进行逐层铣刨分层观测。首先对沥青面层表面横向裂缝进行调查，然后将上面层和中面层铣刨，对下面层顶面进行调查，最后将下面层铣刨，对基层顶面进行调查。

图 9~图 11分别为完全贯穿型、上下发展-中间裂缝局部贯穿型、上下发展-中间无裂缝型裂缝的逐层铣刨图片。铣刨断面的桩号分别为启扬高速的K257+844、K257+236、K257+256。

图 9 完全贯穿型 Fig. 9 Fully penetration mode

图 10 上下发展-中间裂缝局部贯穿型裂缝 Fig. 10 Top-down developmental cracking mode with partially penetration in middle

图 11 上下发展-中间无裂缝型裂缝 Fig. 11 Top-down developmental cracking mode without crack in middle

图 12为横向裂缝分层观测形貌和位置图，图 13为分层统计的裂缝数量和长度图。从中可以看出，下面层的裂缝严重程度显著低于路表，下面层的裂缝数量比路表降低27%，长度缩短37%。另外，100%的路表裂缝的位置基层处发现了开裂，进一步表明沥青路面横向裂缝是由基层开裂所引起。

图 12 不同层位横向裂缝分布形貌 Fig. 12 Distributions of transverse cracks in different layers

图 13 不同层位的裂缝数量及长度统计 Fig. 13 Statistics of numbers and lengths of cracks in different layers

由图 6可知，横缝形态以上下发展型为主，占到所有裂缝的80%。上下发展型裂缝是基层收缩、车辆荷载与温度应力耦合作用的结果^[17-18]。

首先，半刚性基层由于干缩、温缩而产生裂缝，开裂后裂缝尖端处存在一定的拉应力，导致裂缝扩展；其次，基层开裂后路面结构整体性下降，行车荷载靠近或驶离裂缝时，裂缝断面附近由于传递荷载能力下降而产生较大的竖向相对位移，进而导致路表附近竖向剪应力较大，加上基层收缩变形带来的拉应力和路表温度拉应力，基层开裂断面对应的面层表面发生开裂；最后，面层表面裂缝在行车荷载、温度的影响下，逐步自上而下发展，基层裂缝逐步自下而上扩展，直至两条裂缝汇聚、闭合而贯穿整个路面结构。

这种由基层反射裂缝引起的横缝，可称为“反射型”横缝，其成因具体如图 14所示，必须注意这里的反射不同传统意义上的自下而上型反射，而是基层开裂后，直接“反射”到路表，路表裂纹再往下扩展直至开裂的模式，也可定义为“新反射裂缝”。

图 14 横向裂缝成因示意图 Fig. 14 Schematic diagram of cause of transverse crack

基层裂缝产生后基本稳定，难以向上发展引起沥青面层产生“自下而上”开裂，这是半刚性基层沥青路面的结构特征导致面层底部基本不受拉应力作用，甚至处于受压状态，即荷载拉应力也较小引起的。此外，荷载剪应力从路表传递到面层底部已经衰减很大。

通过对江苏省多条高速公路进行钻芯取样和逐层铣刨分层观测，分析了沥青路面横向裂缝的开裂模式，主要结论如下：

(1) 半刚性基层处于完好或完全贯穿状态，沥青面层处于顶部开裂或完全贯穿状态，开裂模式可分为4种型式：上下发展-中间无裂缝型、上下发展-中间裂缝局部贯穿型、完全贯穿型、自上而下型；

(2) 半刚性基层裂缝呈现下面较宽、上面较窄的细部特征，而沥青面层裂缝则为上面较宽、下面较窄，表明半刚性基层为自下而上型开裂，而沥青面层则为自上而下型开裂；

(3) 横向裂缝约80%为上下发展型开裂模式，即横向裂缝扩展路径为面层顶部到底部，而非传统认为的面层底部到顶部，因此横向裂缝初期应及时养护维修，以防裂缝向下扩展。