王 芳,王选仓,刘 凯

(长安大学 公路学院,西安710064)

脱空是水泥混凝土路面的主要破坏形式,对水泥路面板的受力极为不利,脱空后路面会迅速断裂、破碎,影响行车质量,缩短路面使用寿命[1-2]。因此,准确、定量的判定脱空状况是对脱空板体进行处治的重要的前期工作,直接关系到处治的质量和效益。应用落锤式弯沉仪FWD作为无损检测设备在水泥路面板底脱空评定中已取得了很多成果,例如美国国家协作公路研究计划提出的板角弯沉图法[3-4]、Shahin M Y提出的比较分析法[5]、AASHTO设计体系的截距法[6]、张起森提出的弯沉盆变异法[7],这些方法过于经验化,受弯沉检测变异性的影响较大;基于弯沉指数的判别方法[8]、模量反算法[9-12]、模糊评定法[13]、神经网络法[14]等,这些方法计算复杂,不利于实际操作。规范[15]中仅给出了贝克曼梁弯沉检测的判别标准,且以上方法在实际工程中都存在一定的不足,因此需对脱空评定方法进一步研究。该文根据弹性地基理论计算和现场实测数据,提出采用同一块水泥板的板边中点或板角与板中的弯沉差进行脱空判别的方法,并通过大量实测弯沉数据和现场钻芯取样,进行修正。

1 同板弯沉差脱空判别方法的提出

弯沉检测经验和研究表明:水泥混凝土路面结构、水泥混凝土板厚度、相邻板体的传荷能力、基层的强度及类型、边坡坡度、测试季节、测试时间等因素对弯沉的影响非常大,致使弯沉值变异性很大。由此可见,仅采用单个弯沉值作为判别脱空的依据是不准确也不科学的,它随着各影响因素而变化。

但如果采用同一水泥混凝土板的板边或板角与板中弯沉差进行比较分析来评定路面板脱空状况,显然可以消除上述部分因素的影响,例如路面结构、板厚、基层强度及类型、边坡坡度等,若标准制定中考虑传荷能力的影响,则采用同板板边中点或板角与板中弯沉差来判定脱空的准确性和有效性更高,其基本原理为当实测板边中点或板角与板中弯沉差大于理论计算值时,即认为存在板底脱空,如图1。同板弯沉差可表示为:

图1 脱空判别示意图

制定此方法的判别标准,首先选择一段典型路段,采用落锤式弯沉仪分别加载检测该路段板边中点、板角和板中弯沉值,根据式(1)计算同板弯沉差ΔW边和 ΔW角,综合考虑路面调查的唧泥、错台、裂缝、板角破碎情况,并选择部分代表性板块进行钻芯或雷达检测修正,从而更加准确的判定此处的脱空状况,通过理论计算和实测数据分析,给出该路段的弯沉差判别标准。

2 基于弯沉理论计算的脱空判别标准

据调查,脱空一般发生在横缝边、板角隅处,故分脱空发生在板边与板角2种情况讨论。根据弹性地基上有限尺寸薄板理论,视路面结构为弹性层状体系,建立空间三维模型,进行有限元计算。1)采用烟台-威海高速公路的路面结构,面板5 m×4 m,厚度24 cm,材料参数选取参考相关规范[16],见表1,土基采用扩大基础,4个方向分别向外扩大1 m。2)接缝宽度10 mm,厚度同水泥板厚,采用不同模量的虚拟接缝材料来模拟[17],用接缝两侧相邻弯沉的比值定义。3)荷载模拟FWD的实际检测效果,重锤质量200 kg,承载板直径为30 cm[15],将FWD圆形均布荷载等效为26.6 cm×26.6 cm的正方形,轮胎压力P=0.7 MPa。荷载分别作用在板中、横缝边中部、板角。4)取脱空深度分别为0.2 mm、0.4 mm 、0.6 mm 、0.8 mm 、1.0 mm 、5.0 mm 、10 mm 、15 mm。5)板边脱空模型为长方体,沿行车方向的脱空长度是垂直于行车方向的一半(见图2,L2的长度是L1的一半),脱空沿板长长度L 2分别为20cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm。6)板角脱空模型为等腰直角三角形棱柱(见图3),直角边长L 1分别为30 cm、60 cm、90 cm、120 cm、150 cm。

表1 有限元计算参数

图2 板边脱空计算模型

图3 板角脱空计算模型

计算不同脱空深度、面积和传荷能力的板中弯沉W Z,板边中点弯沉W B、板角弯沉W J和两者之差△W BZ、△W JZ。图4是板角脱空,传荷能力为0,5种脱空面积的脱空深度与弯沉关系图。

图4 板角弯沉值与脱空深度的关系曲线

由图4可见,脱空深度对弯沉的影响很小,这是因为板底脱空,水泥板近似于悬臂梁,水泥板受力处于非接触状态,在施加相同荷载作用时,不管板底脱空深度有多深,水泥板的竖向变形不变,所以脱空深度对弯沉值几乎没有影响。鉴于此,在计算过程中选取脱空深度为10 mm,板边脱空、板角脱空时不同传荷能力的弯沉值见表2、表3。

表2 板边脱空时弯沉计算值/0.01 mm

表3 板角脱空时弯沉计算值/0.01 mm

可见,板边未脱空时弯沉差小于10(0.01 mm),板角未脱空时弯沉差小于20(0.01 mm)。弯沉值与传荷能力之间呈指数关系,不同传荷能力之间弯沉差的倍数关系见表4。因为随着传荷能力的变化,板中弯沉值的变化不大,而板角弯沉值比板边中点弯沉值在数值上和变化趋势上都较大,故不同传荷能力的板角—板中弯沉差的倍数比板边中点—板中弯沉差的倍数大。由于脱空面积和脱空深度是吻合的,脱空较轻时,脱空深度较小,脱空面积也较小,弯沉和应力较小,对水泥路面的使用影响很小,而重度脱空时,脱空面积和深度都较大,在荷载和温度作用下,水泥板会发生断板危害。根据钻芯取样结果,将板边脱空面积小于60×120 cm2,板角脱空面积小于1/2×60×60 cm2定为轻度脱空,脱空面积超过150×300 cm2及1/2×150×150 cm2定为重度脱空,介于两者之间的为中度脱空。由表2、3可见,传荷能力为0时,板边中点—板中弯沉差分别为:轻度脱空10～27(0.01 mm),中度脱空 27～40(0.01 mm),重度脱空＞40(0.01 mm);板角—板中弯沉差分别为:轻度脱空20～35(0.01 mm),中度脱空 35～53(0.01 mm),重度脱空＞53(0.01 mm)。其他传荷能力的弯沉差范围可按表4的倍数关系推算。

表4 不同传荷能力之间弯沉差的倍数关系

3 基于实测FWD动弯沉值的脱空判别标准

对烟台—威海高速公路K176+650～K178+550段行车道,采用Dynatest 8000型落锤式弯沉仪FWD进行弯沉检测,见图5。烟威高速公路为双向4车道,根据实际调查,板边脱空一般发生在行车道板底,超车道板底相对较少;板角脱空大多发生在与纵缝相邻的超车道和行车道板底,而发生在接近中间带的超车道板角、或接近停车道的行车道板角底部的可能性极小,故选取检测点位为同板板中、板边、板角及邻板板边,见图6。分别在各个测点启动落锤装置,测定该点的弯沉值,即FWD的D0值。板边脱空时,FWD可依次连续测量各个板的板中(测点1)弯沉值和板边中点(测点2)弯沉值,测定板角(测点3)弯沉值时FWD需同时位于超车道和行车道上,测试期间注意控制和尽可能少影响交通。板中作为不脱空点,分析它与同板板边、板角的弯沉差,再考虑传荷能力的影响,以此作为板底是否脱空判别的依据。例如,分别施加荷载测得板1的测点1、2、3 的弯沉值W11、W12、W13,计算同板板1的弯沉差W12-W11和W13-W11,即为同板板边或板角与板中的弯沉差。图6仅为示意图,实际测试过程中先用经验法判断是否存在脱空,再选择测试位置;若某一混凝土板有两个板角处出现脱空,则依次判定,板边脱空判定类推。

图5 动弯沉检测照片

3.1 接缝传荷能力判定

图6 弯沉检测位置图

按照设计规范[16]规定,根据接缝两侧边缘的实测弯沉值计算接缝的传荷系数,分为4个等级,见表5。将荷载施加在邻近接缝的路面表面(图6中板1测点2上),在板2的测点2上布置传感器,测定接缝两侧板1测点2和板2测点2的弯沉值W12和W22,即FWD的 D0值和 D30值(距荷载中心30cm处的传感器读数),W22/W12=k 1,即为板1的接缝传荷系数。检测结果见表6,经统计有75%的板传荷能力为中,25%为次。

表5 接缝传荷能力分级标准

表6 接缝传荷能力汇总表

3.2 动弯沉检测分析

1)未脱空板实测弯沉值分析

非脱空板为B107-B113,传荷能力均为中,板中弯沉值在17.6～28.8(0.01 mm)之间,板边中点弯沉值26.3～37.6(0.01 mm),板角弯沉值31.2～38(0.01 mm),弯沉差见图7、图 8。

图7 非脱空板板边中点—板中动弯沉差

图8 非脱空板板角—板中动弯沉差

对于非脱空板,其板边中点与板中的弯沉差在4.8～8.8(0.01 mm)之间,与理论计算值比较,有3块板的实测弯沉差超过传荷能力为中的最大值6.05(0.01 mm),处于传荷能力为差的范围。板角与板中的弯沉差在6.4～16.6(0.01 mm)之间,与理论计算值比较,仅有1块板的弯沉差超标,处于传荷能力为差的范围。

2)脱空板实测弯沉值分析

脱空板B117～B161,板中弯沉值范围17.2～30.8(0.01 mm),板边中点弯沉值40.8～74.4(0.01 mm),板角弯沉值41.6～77.2(0.01 mm),弯沉差见图9、图10。

图9 脱空板板边中点—板中动弯沉差

图10 脱空板板角—板中动弯沉差

1)对于脱空板,其板边中点与板中的弯沉差在12.4～46(0.01 mm)之间。选取部分脱空板进行钻芯取样检测,发现弯沉差在10～25(0.01 mm)之间的板脱空范围和深度较小,将其定为轻度脱空,弯沉差＞40(0.01 mm)的板脱空范围和深度都比较大,将其定为重度脱空,介于两者之间的板为中度脱空。2)板角与板中的弯沉差在18.8～52.8(0.01 mm)之间。选取部分脱空板进行钻芯取样检测,发现弯沉差在20～35(0.01 mm)之间的板脱空范围和深度较小,将其定为轻度脱空,弯沉差＞50(0.01 mm)的板脱空范围和深度都比较大,将其定为重度脱空,介于两者之间的板为中度脱空。

3.3 动弯沉差判别标准

对比有限元ANSYS计算的理论弯沉值和实际测试值,二者相差一般在8%以内,个别实测数据具有变异性,予以剔除。所以理论计算符合工程实际,并且对于轻、中、重不同弯沉差范围的划分基本一致。

根据理论计算和实测数据分析,考虑接缝传荷能力的影响,采用板边中点—板中动弯沉差和板角—板中动弯沉差为指标,给出脱空判别标准推荐值及传荷能力修正系数,见表7和表8。

表7 动弯沉判别标准推荐范围/0.01mm

表8 动弯沉值脱空判别传荷能力修正系数

通过对广东、广西、福建、江苏、河南、山东、河北、吉林、黑龙江等地28条高等级公路实际弯沉值和弯沉差的调研,发现水泥板厚度在22～25 cm之间,板中弯沉值在10～25(0.01 mm),无脱空时板边板角弯沉值在20～40(0.01 mm),弯沉差在10～15(0.01 mm);脱空时板边板角弯沉值在40～130(0.01 mm),弯沉差15～100(0.01 mm)。实际数据说明了计算结果和所提标准的正确性,代表了目前一般水泥混凝土路面的弯沉值。所提标准是一个范围,还可根据具体情况略加浮动(上下浮动各10%),又由于同板弯沉差判别方法的提出消除了大部分因素对弯沉值的影响,故该法适用于大部分水泥混凝土路面脱空评定。

4 试验路脱空检测验证

对烟威试验路K176+650～K178+550段行车道,采用FWD检测弯沉值。通过对实测板中、板边中点、板角弯沉中的代表性数值,如最小值、最大值、平均值、高频值等分析,在全段挑选了具有代表性的26块板进行钻芯检测,接缝传荷能力评价同上,其传荷能力评价、弯沉检测和钻芯检测结果见表9和图11。

表9 FWD弯沉检测结果/0.01 mm

图11 脱空钻芯取样

根据表7、8提出的脱空判别标准判定检测路段的脱空情况,并将判定结果与实际脱空状况对比分析,以其验证所提标准的可行性。结果表明:采用板边中点—板中弯沉差进行判别时B159、B259、B363判断错误,准确度88.5%;采用板角—板中静弯沉差时 B103、B104、B155、B259 判断错 误,准确性84.6%。可见,采用同板弯沉差判别方法可以满足工程精度的要求,并可根据评定的脱空严重程度,判定对水泥路面是采取养护措施还是小修、中修或大修,更好地指导水泥路面养护维修。

5 结语

在深入分析FWD脱空判别方法的基础上,结合理论分析和实际动弯沉检测数据,提出了采用同板板边中点—板中弯沉差和板角—板中弯沉差为判别指标的脱空判定标准,并验证了所提标准的准确性,主要结论如下:

1)采用有限元理论模拟,计算在不同脱空深度、脱空面积和传荷能力下的板边中点、板中、板角弯沉值,得出了不同传荷能力下的板边中点或板角与板中的弯沉差范围,并提出理论分级脱空判别标准。

2)根据动弯沉实测数据的统计分析和理论计算,提出采用板边中点—板中弯沉差和板角—板中弯沉差为判别指标的方法,并给出了动弯沉差判别标准和传荷能力修正系数。

3)在试验路段挑选了26块板进行钻芯检测,将所提标准判别结果与路面实际脱空状况进行对比验证,结果表明:板边弯沉差的准确度达88.5%,板角弯沉差的准确度达84.6%。

4)提出的同板板边或板角与板中弯沉差的脱空判别方法,是在同一路面结构、破坏程度、温度等条件下进行的对比和分析,且更加贴近实际地提出接缝传荷修正系数,确定了标准范围,消除了诸多因素对弯沉的影响。

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