朱春福 程培峰
东北林业大学土木工程学院 东北农业大学园艺园林学院
摘 要: 依据水泥混凝土路面使用寿命的衰减程度划分脱空程度,在同板弯沉差的基础上以同板弯沉差比较值作为脱空评定的标准,符合路面结构的实际工作状况,并能减小道路差异、检测方法对脱空评定的影响,提高标准的适用性。该标准在鹤大高速、烟威高速公路上的应用效果表明:对板底脱空的识别率达100%,对脱空程度的识别准确率可达92.3%。
关键词: 水泥混凝土路面;脱空程度;同板弯沉差;比较法;评定;
基金: 黑龙江省自然科学基金项目,项目编号LH2019C072;
当前对水泥混凝土路面板底脱空的判断主要是以弯沉值检测为主要依据。但对于脱空的评定,规范中并没能给出细化的标准。如《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)建议采用FWD法检测脱空,即在板角隅处进行多级荷载作用下的弯沉测试,利用测定结果,绘出荷载~弯沉关系曲线。当关系曲线的后延线与坐标线的相截点偏离坐标原点时,板底便可能存在脱空。《公路水泥混凝土路面养护技术规范》(JTJ 073.1-2001)建议采用BB法检测脱空,并以弯沉大于0.2 mm(弯沉单位为0.01 mm。为了表述方便,文中部分章节直接以mm为单位)作为脱空的判据。
为探索对不同脱空程度进行评定的细化标准,近10余年间,国内学者开展了大量研究,并取得了一定成果。同济大学通过对上海地区水泥混凝土路面实测弯沉数据进行统计分析,认为当路面板厚为 22 cm 时,如果板边弯沉小于0.18 mm, 则路面板无脱空;如果板边弯沉在0.18~0.30 mm之间,路面板可能脱空;如果板边弯沉大于0.30 mm, 路面板明显脱空[1]。高顺平[2]通过有限元模拟分析得出,板角弯沉大于0.638 mm或板边弯沉大于0.451 mm(横缝)、板边弯沉大于0.431 mm(纵缝)时,水泥混凝土路面板底存在脱空。肖鑫等[3]考虑到BB法、FWD法与GPR法脱空评定结果的差异性,结合3种评定方法及其评定对比结果,并充分参考梅观高速公路水泥混凝土路面的实际状况,提出当板角弯沉大于或等于 0. 28 mm且受荷板横缝中点弯沉大于或等于0. 23 mm时,水泥混凝土板块就判断为脱空。邱丽章等[4]研究得出,BB法弯沉测定时,当板角弯沉在0.25~0.89 mm之间,则认定为水泥混凝土路面板底存在脱空。陈南等[5]研究认为,FWD法弯沉测定时,相邻板边弯沉差大于或等于0.06 mm或相邻两板板边弯沉平均值大于0.45 mm时,水泥混凝土路面板底脱空。孟学文[6]利用FWD法得到朔州高速公路水泥混凝土路面脱空评定的标准:轻度脱空时弯沉值在0.09~0.15 mm之间,中度脱空时弯沉值在0.15~0.20 mm之间,重度脱空时弯沉值大于0.20 mm。王芳等[7]根据理论计算和FWD法实测数据分析,考虑接缝传荷能力的影响,以同板弯沉差为指标,给出烟台~威海高速公路脱空判别标准推荐值:轻度脱空时,板边与板中弯沉差为0.10~0.25 mm, 板角与板中弯沉差为0.20~0.35 mm; 中度脱空时,板边与板中弯沉差为0.25~0.40 mm, 板角与板中弯沉差为0.35~0.50 mm; 重度脱空时,板边与板中弯沉差大于0.40 mm, 板角与板中弯沉差大于0.50 mm。王乾等[8]采用BB法得出烟台~威海高速公路脱空判别标准:轻度脱空时,板边与板中弯沉差为0.10~0.20 mm, 板角与板中弯沉差为0.15~0.25 mm; 中度脱空时,板边与板中弯沉差为0.20~0.30 mm, 板角与板中弯沉差为0.25~0.35 mm; 重度脱空时,板边与板中弯沉差大于0.30 mm, 板角与板中弯沉差大于0.35 mm。赵倩倩等[9]结合有限元分析模拟FWD法路面弯沉检测,构建季冻区水泥混凝土路面板底脱空参考标准:轻度脱空时,板边与板中弯沉差为0.09~0.24 mm, 板角与板中弯沉差为0.17~0.36 mm; 中度脱空时,板边与板中弯沉差为0.24~0.44 mm, 板角与板中弯沉差为0.36~0.50 mm; 重度脱空时,板边与板中弯沉差大于0.44 mm, 板角与板中弯沉差大于0.50 mm。黄烨敏[10]利用威斯特卡德理论计算静、动弯沉检测的板边与板中弯沉差和板角与板中弯沉差实测值,并通过钻芯取样检测进行修正,得出路面破损等级为次级的脱空判别指标:轻度脱空时,板边与板中弯沉差为0.10~0.22 mm(静弯沉法)或0.03~0.052 mm(动弯沉法);中度脱空时,板边与板中弯沉差为0.22~0.325 mm(静弯沉法)或0.052~0.103 mm(动弯沉法);重度脱空时,板边与板中弯沉差大于0.325 mm(静弯沉法)或大于0.103 mm(动弯沉法)。
以上研究成果表明,在采用的脱空评定指标中既有单一弯沉值指标,也有用相邻板的弯沉差指标的,还有同板弯沉差指标的;有的采用静态弯沉法(BB法),也有的采用动态弯沉法(FWD法)。从中还可发现,针对同一种脱空程度判定时因所采用方法不同(如静态弯沉法与动态弯沉法)所得到的指标也存在差异;另外,即使采用相同方法、同一指标时,评定标准间也存在较大差异。这主要是由于所有的标准都是针对某一特定道路开展研究的,而不同道路的路面结构、接缝传荷状态均有所不同,这必然导致路面弯沉检测结果间存在一定的差异。这也使得在道路脱空评定中,工程人员或科研人员需要针对当前道路进行脱空评定标准研究或是结合道路实际情况对已有标准加以修正,使之能适用于该路段。这就增加了道路脱空评定工作的复杂性及技术难度。
找到一种脱空评定标准,可以适用不同的路面弯沉检测方法,不受道路的接缝传荷状态影响,可适用不同道路,在满足可靠性的同时,使脱空评定工作更加简化易操作,应是研究人员努力的方向。
1 常用的脱空评定方法
1.1脱空判定方法
1.1.1单一弯沉值指标法
用该指标进行脱空判定时,如果板角或板中的弯沉值高于某一数值,即判定为该板块存在脱空。境内外大量研究表明,依据板中弯沉值进行判定仅在局部路段有效。加拿大 Wu[11]根据试验研究表明,当仅用一个弯沉值指标来评定脱空时,评定结果与实际情况不一致,准确性很低。官建安[12]就指出一些旧水泥混凝土路面外观条件很好,但是仅仅因为弯沉值稍微超过0.2 mm却被判断为板底脱空,需要注浆消除脱空。由于所处地域环境不同,路基的回弹模量也有所不同,路面板厚度也不尽相同,用标准轴载测得的弯沉值采用一个值来判断是否存在板底脱空不够客观。刘进虎等[13]也曾指出,采用BB法检测路面板底脱空时,往往需根据工程实践和试验提出弯沉指标标准。
1.1.2同板弯沉差指标法
此法即采用同板板边中点或板角与板中弯沉差来评定路面板脱空状况。此方法在应用时,需要选择一段典型路段,采用贝克曼梁测定板中与同板板边、板角弯沉差,结合路面的唧泥、错台、裂缝、 板角破碎情况,并选择部分代表性板块进行钻芯,或采用FWD、雷达检测进行修正,给出该路段的弯沉差判别标准。应用此方法可以消除路面结构、板厚、传荷能力、基层的强度及类型、边坡坡度和测试季节等因素对静弯沉的影响,提高判定的准确性和有效性。
1.1.3相邻两板角弯沉差指标法
美国沥青混凝土加铺层设计手册(MS-17)规定:对应于BB-40 kN的弯沉差判别标准为0.05 mm, 对应于FWD-40 kN的弯沉差判别标准为0.08 mm[14]。据此推算,对应于我国标准轴载BZZ-100,即FWD-50 kN的弯沉差判别标准为0.1 mm。此方法仅适用于相邻板一侧发生脱空的情况,同时也没能考虑接缝传荷能力对板角弯沉值的影响。
1.2脱空程度的判定依据
不同的研究者在对脱空程度进行评定时,采取的依据也不尽相同。有的以探地雷达图像显示或结合钻芯取样结果,将脱空深度作为脱空程度判断依据,如将深度小于5 mm的脱空定为轻度脱空,将深度5~15 mm的脱空定为中度脱空,将深度大于 15 mm 的脱空定为重度脱空,如文献[4]、文献[7,8,9,10]和文献[13];也有的以水泥混凝土路面剩余疲劳寿命作为脱空程度判定依据,如文献[1]、文献[3]和文献[11]。
由于道路的路基结构、路面厚度、使用环境等都不尽相同,简单依靠脱空深度作为脱空程度的评定依据不够全面。所有道路在设计之初,均要求在使用周期内要具备相应的承载能力,以满足车辆通行需求;要保证路面结构完整,以满足行车舒适性要求。而路面板脱空对结构受力不利,必然会带来使用寿命的衰减。因此,依据路面结构的剩余寿命进行脱空程度的判断是可行的,也可适用于不同地域环境、不同结构的道路。
2 道路使用寿命的确定
2.1年平均日交通流量
据交通运输部数据,2018年高速公路年平均日交通量为26 435辆/d; 普通国道年平均日交通量为10 307辆/d[15]。全国路网交通量在时空上分布不均衡,总体上存在北低南高、西低东高的现状。取二者平均值18 371辆/d作为计算依据,根据《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)折合成大型车的日交通量,如表1所示。
表1 折合成大型车的年平均日交通量计算结果
|
汽车代表车型 |
车辆折算系数 |
年平均日交通量/(辆/d) |
日交通量车型占比/% |
折算成大型车日交通量/(辆/d) |
|
小客车 |
1.0 |
18 371 |
64.34 |
4 928 |
|
中型车 |
1.5 |
9.41 |
1 037 |
|
|
大型车 |
2.5 |
4.96 |
911 |
|
|
汽车列车 |
4.0 |
21.29 |
6 258 |
|
|
合计 |
100 |
13 134 |
||
根据表1折算大型车交通量,可以计算得出水泥混凝土路面在30年的设计使用年限内所承受的交通量折合成大型车累计为1.4×108辆。
2.2水泥混凝土路面疲劳寿命
水泥混凝土路面剩余寿命按照《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)中的水泥混凝土路面疲劳寿命公式进行计算:
Nf=1012.26−12.987σfmΝf=1012.26-12.987σfm
式中: σ 为水泥混凝土路面板弯拉应力,MPa; fm 为水泥混凝土路面弯拉强度,规范建议取4.5 MPa; Nf 为荷载允许作用次数,次。
后面分析中,根据水泥混凝土路面承受的弯拉应力,代入公式计算出路面的疲劳寿命,即路面的剩余使用寿命。
3 同板弯沉差比较值标准
3.1水泥混凝土路面脱空的有限元模型
根据已有道路的相关资料,建立路面结构有限元模型。根据现行水泥混凝土路面设计规范采用三维空间弹性层状体系结构,结构单元类型选用Solid45;为模拟层间接触状态,目标单元选用Target170,接触单元类型选用Conta174。由于大量实测资料表明脱空形态近似为三角状楔形体,故取脱空平面形状为等腰直角三角形。不考虑接缝传力杆作用,荷载沿着横缝边缘施加于板角。采用单轴双轮组标准轴载BZZ-100进行计算,轮胎作用于路面的形状简化为矩形。单轮荷载简化为15.7 cm×22.8 cm的矩形均布荷载,接触面积为357.96 cm2,平均接地压力标准轴载为0.7 MPa, 双轮中心距为0.32 m, 两侧双轮间距为1.82 m。土基的尺寸确定为13 m×6.5 m×7 m, 两块路面板间接缝宽为0.01 m, 其他结构和材料参数如表2所示。有限元模型如图1所示。
表2 有限元模型参数
|
结构层 |
平面尺寸m×m平面尺寸m×m |
厚度m厚度m |
弹性模量MPa弹性模量ΜΡa |
泊松比 |
密度kg⋅m−3密度kg⋅m-3 |
|
水泥混凝土路面板 |
5. 5×4.5 |
0.24 |
30 000 |
0.15 |
2 700 |
|
半刚性基层 |
11×4.5 |
0.25 |
1 500 |
0.25 |
2 300 |
|
土基 |
13×6.5 |
7.00 |
40 |
0.35 |
2 100 |

图1 有限元分析模型
3.2路面剩余寿命与脱空程度判断依据
文献[9]指出,水泥混凝土板发生脱空时,板体接近于悬臂梁状态,此时的混凝土板体受力按照非接触状态处理。因此,脱空深度对季冻区水泥混凝土板边及板角的弯沉几乎没有影响。本研究分别取脱空边长为0.4~1.4 m、脱空深度为 0.10 m共11种脱空形态进行分析,通过有限元计算得到水泥混凝土路面板所受最大弯拉应力 σ 1,而后利用疲劳寿命方程计算其剩余寿命 Nf ,如表3所示。
表3 板角不同脱空尺寸时路面剩余寿命
|
脱空三角形边长/m |
下列板厚(m)时计算结果 |
|||||||
|
0.20 |
0.22 |
0.24 |
0.26 |
|||||
|
σ1/MPa |
Nf/(×108次) |
σ1/MPa |
Nf/(×108次) |
σ1/MPa |
Nf/(×108次) |
σ1/MPa |
Nf/(×108次) |
|
|
0.4 |
1.322 |
2.78 |
||||||
|
0.5 |
1.444 |
1.24 |
||||||
|
0.6 |
1.468 |
1.06 |
1.413 |
1.52 |
||||
|
0.7 |
1.489 |
0.92 |
1.443 |
1.24 |
||||
|
0.8 |
1.521 |
0.74 |
1.464 |
1.08 |
1.411 |
1.54 |
||
|
0.9 |
1.492 |
0.90 |
1.438 |
1.29 |
||||
|
1.0 |
1.524 |
0.73 |
1.467 |
1.06 |
1.389 |
1.78 |
||
|
1.1 |
1.498 |
0.86 |
1.417 |
1.48 |
||||
|
1.2 |
1.529 |
0.70 |
1.448 |
1.21 |
||||
|
1.3 |
1.478 |
0.99 |
||||||
|
1.4 |
1.519 |
0.75 |
||||||
目前尚无路面的剩余使用寿命与其预期损坏程度之间的关联研究。水泥混凝土路面设计规范按照路面结构的设计安全等级确定一级、二级和三级水泥混凝土路面的设计使用年限分别为30年、20年和15年。根据三级道路的路面设计使用年限为一级道路的50%这一情况,若将此与路面的轻、重度脱空相联系,可以构建利用设计使用寿命的衰减程度划分脱空程度的依据。该依据将路面设计使用寿命没有衰减(剩余寿命不小于其设计使用寿命)的脱空状态定为轻度脱空;设计使用寿命衰减后剩余寿命为设计寿命50%以上时的脱空状态定为重度脱空;剩余寿命介于二者之间的脱空状态定为中度脱空。由以上划分标准,可得不同水泥混凝土路面板厚度下脱空程度与板角脱空尺寸,如表4所示。
表4 脱空程度对应板角脱空尺寸
|
板厚/m |
板角脱空尺寸(边长)/m |
||
|
轻度 |
中度 |
重度 |
|
|
0.20 |
≤0.4 |
0.4~0.8 |
≥0.8 |
|
0.22 |
≤0.6 |
0.6~1.0 |
≥1.0 |
|
0.24 |
≤0.8 |
0.8~1.2 |
≥1.2 |
|
0.26 |
≤1.0 |
1.0~1.4 |
≥1.4 |
3.3同板弯沉差的计算
将车轮荷载依次作用脱空路面板的板角、横缝板边中心、板块中心(如图2所示的1~3位置,脱空形式见图3),计算出各点的静态弯沉值,并据此计算同板弯沉差。计算结果如表5~表7所示。

图2 轮载作用位置

图3 水泥路面板角脱空形式
表5 不同脱空程度时路面弯沉(路面板厚0.20 m)
|
项 目 |
不脱空 |
单侧脱空 |
双侧脱空 |
|||||
|
轻度 |
中度 |
重度 |
轻度 |
中度 |
重度 |
|||
|
弯沉值/0.01 mm |
wj |
72 |
103.3 |
110.7 |
116.1 |
103.3 |
110.7 |
116.1 |
|
wb |
33.2 |
33.3 |
33.3 |
33.4 |
36.9 |
37.7 |
38.5 |
|
|
wz |
17.7 |
17.8 |
17.8 |
17.8 |
17.8 |
17.8 |
17.8 |
|
|
弯沉差/0.01 mm |
wjz |
54.3 |
85.5 |
91.9 |
98.3 |
85.5 |
91.9 |
98.3 |
|
wbz |
15.5 |
15.5 |
15.6 |
15.7 |
19.1 |
19.9 |
20.7 |
|
注: wj 为板角弯沉; wb 为板边弯沉; wz 为板中弯沉; wjz 为板角与板中弯沉差; wbz 为板边与板中弯沉差。
表6 不同脱空程度时路面弯沉(路面板厚0.24 m)
|
项 目 |
不脱空 |
单侧脱空 |
双侧脱空 |
|||||
|
轻 |
中 |
重 |
轻 |
中 |
重 |
|||
|
弯沉值/0.01 mm |
wj |
65.3 |
111.8 |
133.9 |
152.4 |
111.8 |
133.9 |
152.4 |
|
wb |
30.4 |
31.1 |
31.5 |
31.8 |
41.4 |
45.4 |
49.4 |
|
|
wz |
11.2 |
11.2 |
11.2 |
11.2 |
11.2 |
11.2 |
11.2 |
|
|
弯沉差/0.01 mm |
wjz |
54.1 |
100.6 |
122.7 |
141.2 |
100.6 |
122.7 |
141.2 |
|
wbz |
19.2 |
19.9 |
20.3 |
20.6 |
30.2 |
34.2 |
38.2 |
|
表7 不同脱空程度时路面弯沉(路面板厚0.26 m)
|
项 目 |
不脱空 |
单侧脱空 |
双侧脱空 |
|||||
|
轻 |
中 |
重 |
轻 |
中 |
重 |
|||
|
弯沉值/0.01 mm |
wj |
58.4 |
139.9 |
149.7 |
159.5 |
141 |
156.3 |
161.4 |
|
wb |
28.4 |
33 |
34 |
35.7 |
50.1 |
55.2 |
60.3 |
|
|
wz |
6 |
6 |
6.1 |
6.1 |
6.2 |
6.3 |
6.4 |
|
|
弯沉差/0.01 mm |
wjz |
52.4 |
133.9 |
143.7 |
153.4 |
134.8 |
150 |
155 |
|
wbz |
22.4 |
27 |
27.9 |
29.6 |
43.9 |
48.9 |
53.9 |
|
依据表5~表7数据分析如下。
(1)板角与板中弯沉差(wjz)的变化。
①单侧板角脱空。水泥混凝土路面板厚为0.20 m、0.24 m和0.26 m, 轻度脱空时,脱空前后的 wjz 增幅分别达到57.5%、86.0%和155.5%;中度脱空时, wjz 增幅分别达69.2%、126.8%和174.2%;重度脱空时, wjz 增幅分别达81.0%、161%和192.7%。这是由于随着路面板厚度增大,达到同等脱空程度需要更大的脱空尺寸,从而导致板角弯沉大幅增加。这说明,看似脱空前后同板弯沉差的变化幅度随路面板厚度增大而增加,实际上则是由于板厚增大,达到同等脱空程度需要更大的脱空尺寸。
②双侧板角脱空与单侧板角脱空相比,板角与板中弯沉差变化在1.0%左右。
(2)板边与板中弯沉差(wbz)的变化。
①单侧板角脱空。
水泥混凝土路面板厚度为0.20 m、0.24 m和0.26 m, 轻度脱空时,脱空前后的 wbz 增幅分别为0、3.6%和20.5%;中度脱空时, wbz 增幅分别为0.6%、5.7%和24.6%;重度脱空时, wbz 增幅分别为1.3%、7.3%和32.1%。
②双侧板角脱空。
水泥混凝土路面板厚度为0.20 m、0.24 m和0.26 m, 轻度脱空时,脱空前后的 wbz 增幅分别为23.2%、57.3%和96.0%;中度脱空时, wbz 增幅分别为28.4%、78.1%和118.3%;重度脱空时, wbz 增幅分别为33.5%、99.0%和140.6%。
通过以上分析可发现,脱空前后板角与板中弯沉差增幅明显;单侧板角脱空与双侧板角脱空相比,板角与板中弯沉差变化较小;双侧板角脱空较单侧板角脱空,脱空前后的板边与板中弯沉差变化剧烈,板厚越大越明显。由此可见,板边与板中弯沉差指标对双侧脱空较为敏感。故可利用该指标的变化并结合板角与板中弯沉差判断是否存在双侧板角脱空。
3.4同板弯沉差比较值标准
根据表5~表7数据,将存在脱空的水泥混凝土路面板与不脱空板块的同板弯沉差加以比较,得到同板弯沉差比较值的脱空评定标准如下。
(1)Ⅰ型脱空的评定标准。
板角与板中相对弯沉差 wjz (0.01 mm)为:轻度脱空,板厚20 cm时 wjz <31,板厚24 cm时 wjz <47,板厚28 cm时 wjz <116;中度脱空,板厚24 cm时47≤ wjz <69,板厚28 cm时116≤ wjz <133;重度脱空,板厚20 cm时31≤ wjz <44,板厚24 cm时69≤ wjz <87,板厚28 cm时133≤ wjz 157。
(2)Ⅱ型脱空的评定标准。
首先应满足Ⅰ型脱空的板角与板中相对弯沉差条件,同时应满足下列要求。
板边中点与板中相对弯沉差 wbz (0.01 mm)为: 轻度脱空,板厚20 cm时1≤ wbz <4,板厚24 cm时1≤ wbz <9,板厚28 cm时5≤ wbz <34;中度脱空,板厚24 cm时9≤ wbz <14,板厚28 cm时34≤ wbz <41;重度脱空,板厚20 cm时4≤ wbz <5,板厚24 cm时14≤ wbz <17,板厚28 cm时41≤ wbz <51。
(3)脱空程度与板角脱空尺寸。
依据表5~表7中数据,同时为便于说明,这里用 A 来表示脱空尺寸。脱空程度与脱空尺寸间关系如下:
(1)轻度脱空,板厚20cm时A<0.5m×0.4m×0.4m,板厚24cm时A<0.5m×0.6m×0.6m,板厚28cm时A<0.5m×1.1m×1.1m;
(2)中度脱空,板厚24cm时0.5 m×0.6 m×0.6m≤A<0.5m×0.7m×0.7m,板厚28cm时0.5m×1.1m×1.1m≤A<0.5m×1.2m×1.2m;
(3)重度脱空,板厚20cm时0.5 m×0.4 m×0.4m≤A<0.5m×0.5m×0.5m,板厚24cm时0.5m×0.7 m×0.7 m≤A<0.5 m×0.8 m×0.8m,板厚28cm时0.5m×1.2m×1.2m≤A<0.5m×1.3m×1.3m;
(4)极限脱空,板厚20cm时A≥0.5 m×0.5m×0.5m;板厚24cm时A≥0.5m×0.8m×0.8m;板厚28cm时A≥0.5m×1.3m×1.3m。
3.5评定标准的使用方法
由于各道路的情况不尽相同,建议在检测路段利用原有半刚性基层材料,通过处理后铺设路面板作为参照板块,并保证参照板底接触良好。利用贝克曼梁弯沉检测法,测得参照板块与被检测旧水泥混凝土路面板板边中点与板中弯沉差、板角与板中弯沉差,通过对比被检测板与参照板的同板弯沉差,二者的差值称为同板弯沉差比较值,以此作为依据来评定板底脱空程度。
若现场不具备铺筑试验路面板的条件,可通过弯沉检测结合钻芯取样判断出不脱空的板块,而后以此板的同板弯沉差为参照,通过检测数据计算出其他板块的同板弯沉差比较值,依据前述指标进行脱空程度评定。
4 脱空评定标准的可靠性验证
4.1理论计算与实测道路弯沉比较
王芳等[7]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, 发现水泥混凝土板厚度在 22~25 cm 之间,脱空时板边板角弯沉值为40~130(0 .01 mm),板角与板中弯沉差为15~100(0 .01 mm)。王乾等[8]利用BB法对烟台~威海高速公路(检测时已建成20年)试验段路面弯沉检测时,5块行车道板中的一块其板边与板中弯沉差最大达55.4(0 .01 mm),板角与板中弯沉差达64.6(0 .01 mm)。王乾[16]总结22条公路的调查情况,通过实测脱空板弯沉差可知,板边与板中弯沉差不大于50(0 .01 mm)有3条,50~100(0 .01 mm)有11条;板角与板中弯沉差近100(0.01 mm)的2条,100(0 .01 mm)以上有3条。
以上实测路面同板弯沉差范围基本对应于本文面板厚度20 cm的轻中重度脱空、面板厚度24 cm的轻中度脱空以及面板厚26 cm轻度脱空的判定标准。
4.2实际应用效果
(1)标准对于不脱空的限值确定。
当检测路段存在多块不脱空的路面板时,若将0作为标准中不脱空的限值,对于同板弯沉差大于参照板但实际并不存在脱空的板块将被判定为脱空。
根据大量道路弯沉测量数据计算所得同板弯沉差比较值,并结合芯样结果发现,对于不脱空板块,当传荷能力相当时,△ wbz 范围为0~3(0.01 mm),△ wjz 范围为 0~4(0.01 mm)。根据弯沉检测数据,本次待评定的两条高速公路中不脱空板块,当传荷能力相当时,△ wbz 范围为0~4(0.01 mm);△ wjz 范围为 0~2(0.01 mm)。根据以上分析,应用本标准时将水泥混凝土路面板角不脱空时△ wjz 和△ wbz 最小限值均取做2(0.01 mm),若发现△ wjz 和△ wbz 均小于或等于这一值,即可判定其不存在脱空。由于道路的脱空一般出现在使用多年后,双向交通荷载的作用常导致双侧脱空(即 Ⅱ 型脱空),因此应采用与之相适应的脱空标准。本次待评定的烟威高速与鹤大高速的水泥混凝土路面板厚度分别为0.24 m和0.25 m, 前者可直接采用相应路面板厚度时的标准,后者脱空评定标准可通过线性插值得到(表8)。
(2)实际应用效果。
为检验同板弯沉差比较值的脱空评定标准的适用性,分别以鹤大高速公路K110~K130段、烟威高速公路K176+650~K178+550段的FWD现场检测数据进行同板弯沉差比较值计算,并对比脱空评定结果。
表8 修正后同板弯沉差比较值标准
|
路面板厚度/m |
弯沉差比较值/0.01 mm |
||
|
轻度 |
中度 |
重度 |
|
|
0.24 |
2<△wbz≤11 |
11<△wbz≤19 |
△wbz>19 |
|
2<△wjz≤47 |
47<△wjz≤69 |
△wjz>69 |
|
|
0.25 |
2<△wbz≤15 |
15<△wbz≤24 |
△wbz>24 |
|
2<△wjz≤64 |
64<△wbz≤85 |
△wjz>85 |
|
|
0.26 |
2<△wbz≤21.5 |
21.5<△wbz≤31.5 |
△wbz>31.5 |
|
2<△wjz≤82.4 |
82.4<△wjz≤102.6 |
△wjz>102.6 |
|
①鹤大高速K110~K130路段的脱空评定。
根据文献[9]鹤大高速K110~K130路段20块路面板的FWD弯沉测定数据,利用本标准进行脱空评定。现场芯样显示 K114、K118和K130等处路面板不存在脱空。在应用本标准进行脱空评定时,选取板中弯沉值最小的K118板块为参照板,计算出同板弯沉差比较值,利用本标准进行脱空评定,并与芯样结果对比,如表9所示。
表9 鹤大高速公路评定结果
|
板号 |
wz/0.01 mm |
wb/0.01 mm |
wj/0.01 mm |
△wbz/0.01 mm |
△wjz/0.01 mm |
本标准 |
文献[9]标准 |
|
K110 |
29.5 |
40.3 |
46.7 |
2.3 |
4.4 |
S |
S |
|
K111 |
25.4 |
38.6 |
43.4 |
4.7 |
5.2 |
S |
S |
|
K112 |
23 |
68.1 |
73.1 |
36.6 |
37.3 |
S |
S |
|
K113 |
26.4 |
73.1 |
76.8 |
38.2 |
37.6 |
S |
S |
|
K114 |
25.9 |
32.7 |
39.3 |
-1.7 |
0.6 |
S |
S |
|
K116 |
21.7 |
66.7 |
72.4 |
36.5 |
37.9 |
S |
S |
|
K117 |
18.1 |
34.4 |
35.3 |
7.8 |
4.4 |
S |
S |
|
K118 |
21.2 |
29.7 |
34 |
0 |
0 |
S |
S |
|
K119 |
26.8 |
56.2 |
67.6 |
20.9 |
28 |
S |
L |
|
K120 |
31.4 |
77.2 |
96.6 |
37.3 |
52.4 |
S |
S |
|
K121 |
23.9 |
71.5 |
79.5 |
39.1 |
42.8 |
S |
S |
|
K122 |
24.1 |
51.3 |
60.6 |
18.7 |
23.7 |
S |
S |
|
K123 |
19.7 |
78.7 |
75.3 |
50.5 |
42.8 |
S |
S |
|
K124 |
30.5 |
76.7 |
104.5 |
37.7 |
61.2 |
S |
S |
|
K125 |
27.1 |
39.9 |
51.9 |
4.3 |
12 |
S |
S |
|
K126 |
22.6 |
35.8 |
46.8 |
4.7 |
11.4 |
S |
S |
|
K127 |
23.9 |
71.1 |
76.2 |
38.7 |
39.5 |
W |
W |
|
K128 |
26.4 |
74.5 |
81.8 |
39.6 |
42.6 |
S |
S |
|
K129 |
27.1 |
39.1 |
53.9 |
3.5 |
14 |
S |
S |
|
K130 |
28.2 |
34.2 |
42.9 |
-2.5 |
1.9 |
S |
S |
注:S为评定结果与芯样结果一致;W为评定结果较芯样结果严重;L为评定结果较芯样结果轻微(后同)。
表9显示,芯样结果评定为不脱空的板,其板中弯沉值范围是21.2~28.2(0.01 mm),均超过规范所规定的20(0.01 mm);而部分芯样结果为脱空的板,其板中弯沉值却小于20(0.01 mm),如K117和K123板,板中弯沉值分别为18.1和19.7(0.01 mm),前者为轻度脱空,后者为重度脱空。这说明,单一弯沉值指标并不可靠。
通过在鹤大高速公路上进行脱空评定的应用可发现,本标准与文献[9]中的标准均能识别出存在脱空的路面板,两个标准对脱空的评定结果与芯样结果一致率分别为95.0%和90.0%。对比芯样结果,在所有检出17块脱空的路面板中,文献[9]中的标准出现1次轻判和1次重判;本标准出现1次重判。由此可见,在鹤大高速公路脱空评定中,本标准的评定结果更可靠。同时,由于不需要像文献[9]的标准去考虑水泥混凝土路面板接缝的传荷能力的影响,使得本标准应用起来更为简便。
②烟威高速公路K176+650~K178+550 路段的脱空评定。
根据文献[7]烟威高速公路K176+650~K178+550路段26块路面板的FWD法弯沉测定数据,利用本标准进行脱空评定。现场芯样结果显示B107、B108、B140、B159、B269、B363、B375和B379共计8块板不存在脱空。下面在应用本标准进行板底脱空评定时选取板中弯沉最小的B159板块为参照板,本标准评定结果与文献所用标准评定结果对比如表10所示。
表10 烟威高速公路评定结果
|
板号 |
wZ/0.01 mm |
wb/0.01 mm |
wj/0.01 mm |
△wbz/0.01 mm |
△wjz/0.01 mm |
本标准 |
文献[7]标准 |
|
B91 |
29.6 |
66.8 |
94.8 |
28.8 |
52.4 |
S |
S |
|
B103 |
25.2 |
42.4 |
57.2 |
8.8 |
19.2 |
S |
S |
|
B104 |
24 |
41.2 |
55.2 |
8.8 |
18.4 |
S |
S |
|
B107 |
28.4 |
33.6 |
34.8 |
-3.2 |
-6.4 |
S |
S |
|
B108 |
27.6 |
34.4 |
41.0 |
-1.6 |
0.6 |
S |
S |
|
B140 |
30.4 |
35.2 |
37.2 |
-3.6 |
-6 |
S |
S |
|
B155 |
22.8 |
40.2 |
54.0 |
9 |
18.4 |
S |
S |
|
B156 |
18.4 |
34.4 |
42.0 |
7.6 |
10.8 |
S |
S |
|
B159 |
22.0 |
30.4 |
34.8 |
0 |
0 |
S |
S |
|
B165 |
25.2 |
55.6 |
66.0 |
22 |
28 |
W |
S |
|
B169 |
29.6 |
70.4 |
94.8 |
32.4 |
52.4 |
S |
S |
|
B234 |
23.6 |
58.4 |
69.2 |
26.4 |
32.8 |
S |
L |
|
B235 |
23.2 |
50.4 |
59.2 |
18.8 |
23.2 |
S |
S |
|
B240 |
19.2 |
61.2 |
74.8 |
33.6 |
42.8 |
S |
S |
|
B246 |
29.6 |
62.8 |
103.6 |
24.8 |
61.2 |
S |
S |
|
B247 |
26.0 |
38.8 |
50.8 |
4.4 |
12 |
S |
S |
|
B251 |
21.2 |
62.8 |
86.0 |
33.2 |
52 |
S |
S |
|
B259 |
23.2 |
57.2 |
67.6 |
25.6 |
31.6 |
W |
S |
|
B260 |
25.2 |
52.2 |
63.8 |
18.6 |
25.8 |
S |
S |
|
B263 |
26.0 |
38.0 |
52.8 |
3.6 |
14 |
S |
S |
|
B269 |
26.4 |
32.4 |
41.1 |
-2.4 |
1.9 |
S |
S |
|
B357 |
17.6 |
63.2 |
64.8 |
37.2 |
34.4 |
S |
S |
|
B363 |
25.2 |
37.6 |
38.8 |
4 |
0.8 |
S |
W |
|
B374 |
22.8 |
39.6 |
49.6 |
8.4 |
14 |
S |
S |
|
B375 |
26.0 |
33.2 |
39.2 |
-1.2 |
0.4 |
S |
S |
|
B379 |
27.2 |
33.6 |
38.8 |
-2 |
-1.2 |
S |
S |
表10显示,芯样结果评定为不脱空的板,其板中弯沉值范围是22~30.4(0.01 mm),超过规范所规定的20(0.01 mm);而部分芯样结果为脱空的板,其板中弯沉值却小于20(0.01 mm),如B156、B240和B357板,板中弯沉值分别为18.4、19.2和17.6(0.01 mm),芯样结果分别为轻度、重度和重度脱空。同样说明,单一弯沉值指标并不可靠。
在对烟威高速公路的26块路面板进行脱空评定中,本标准与文献[7]中的标准均能识别出存在脱空的路面板,两个标准对脱空的评定结果与芯样结果一致率均为92.3%。对比芯样结果,在所有检出的18块脱空的路面板中,本标准出现2次重判,文献8中的标准出现1次轻判和1次重判。
从风险评估角度出发,重判较轻判更有利引起重视,以便及时采取补救措施,降低风险。从判断准确率看,本标准可满足工程要求。由于无需考虑水泥混凝土路面板接缝传荷能力的影响,使得本标准表现出了较好可靠性与适用性。同时可以发现,导致评定结果与芯样结果出现不一致的原因是二者对于脱空程度的理解存在差别,本标准是以剩余寿命作为评定依据,芯样是通过观察外观及脱空深度进行脱空程度判断。这也提醒我们,在今后的脱空评定中可以将剩余寿命与芯样结合,以二者较重的判定结果为最终的评定结果,将更为可靠。
另外,通过在以上两条高速公路上应用此标准的过程可发现,和板角与板中弯沉差比较值相比,板边与板中弯沉差比较值的变化区域范围更小,对脱空更为敏感,因此成为脱空评定时的主要判据。
5 结语
通过有限元模拟分析,得出基于同板弯沉差比较值的水泥混凝土路面板底脱空的判别标准,并通过与道路实测弯沉调查数据进行对比,特别在内陆与沿海南北相距500余km两条高速公路上的应用取得良好的效果,证明了利用同板弯沉差比较值标准进行脱空评定的可靠性。主要结论如下:
(1)以道路设计使用寿命为基准,采用使用寿命的衰减率作为脱空程度分级依据是合理的;
(2)由于引入同板弯沉差比较值,降低了不同弯沉测量方法对结果的影响,此标准虽由BB法得到,但同样适用于FWD法测得的弯沉结果;
(3)将水泥混凝土路面板角不脱空时△ wjz 和△ wbz 最小限值均取作2(0.01 mm),可有效降低误判可能性;
(4)基于同板弯沉差比较值的脱空评定标准,可适用不同道路的脱空评定,评定结果与芯样一致性达到92.3%;
(5)板边与板中弯沉差比较值指标对脱空更为敏感,是脱空评定的主要判据。
参考文献
[1] 任红丽.水泥路面板底脱空的弯沉判别方法[J].交通标准化,2013,(4):20-22.
[2] 高顺平.水泥混凝土路面板底脱空工作状况分析及脱空评定技术研究[D].昆明理工大学,2014.
[3] 肖鑫,张起森,李强.水泥混凝土路面板底脱空评判方法研究——以梅观高速为例[J].公路交通科技,2016,33(4):39-45+65.
[4] 邱丽章,王端宜.水泥混凝土路面板底脱空的弯沉判据研究[J].公路,2006,(11):5-9.
[5] 陈南,曹长伟,凌建明,等,基于弯沉盆的半刚性基层脱空判识方法[J].同济大学学报:自然科学版,2014,42(5):695-700.
[6] 孟学文.水泥混凝土路面板底脱空检测技术研究[J].科学之友,2012,(12):70-71.
[7] 王芳,王选仓,刘凯.同板动弯沉差脱空判别方法和标准[J].土木建筑与环境工程,2010,32(3):75-82.
[8] 王乾,李海滨,童申家.路面板脱空弯沉差判定与自补偿压浆材料处治[J].广西大学学报:自然科学版,2013,38(1):75-79.
[9] 赵倩倩,程培峰.基于有限元的季冻区水泥混凝土路面板底脱空判别方法研究[J].公路,2017,62(12):111-116.
[10] 黄烨敏.旧水泥混凝土路面板底脱空判别指标的研究[D].湖北工业大学,2019.
[11] Wu S S.Concrete Stabilized by Subtending:A Perform-ance Report,Transportation Research Record [R].Transportation Research Board No.1307,1991.
[12] 官建安.贝克曼梁板底脱空判据在“白改黑”道路工程应用的研究[J].福建建筑,2018,(6):110-112.
[13] 刘进虎,高武振,邹宝平,等.贝克曼梁弯沉法在刚性路面脱空检测中的应用[J].黑龙江科技信息,2010,(11):219.
[14] Manual Series No.17 Asphalt Overlays for Highway and Street Rehabilitation[S].1983.
[15] 交通运输部.2018年交通运输行业发展统计公报[M].2019.
[16] 王乾.基于板底脱空的水泥混凝土路面检测、处治与力学行为研究[D].长安大学,2009.