同板動彎沉差脫空判別方法和標準

王 芳,王選倉,劉 凱

(長安大學 公路學院,西安710064)

脫空是水泥混凝土路面的主要破壞形式,對水泥路面板的受力極為不利,脫空后路面會迅速斷裂、破碎,影響行車質(zhì)量,縮短路面使用壽命[1-2]。因此,準確、定量的判定脫空狀況是對脫空板體進行處治的重要的前期工作,直接關(guān)系到處治的質(zhì)量和效益。應(yīng)用落錘式彎沉儀FWD作為無損檢測設(shè)備在水泥路面板底脫空評定中已取得了很多成果,例如美國國家協(xié)作公路研究計劃提出的板角彎沉圖法[3-4]、Shahin M Y提出的比較分析法[5]、AASHTO設(shè)計體系的截距法[6]、張起森提出的彎沉盆變異法[7],這些方法過于經(jīng)驗化,受彎沉檢測變異性的影響較大;基于彎沉指數(shù)的判別方法[8]、模量反算法[9-12]、模糊評定法[13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[14]等,這些方法計算復(fù)雜,不利于實際操作。規(guī)范[15]中僅給出了貝克曼梁彎沉檢測的判別標準,且以上方法在實際工程中都存在一定的不足,因此需對脫空評定方法進一步研究。該文根據(jù)彈性地基理論計算和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),提出采用同一塊水泥板的板邊中點或板角與板中的彎沉差進行脫空判別的方法,并通過大量實測彎沉數(shù)據(jù)和現(xiàn)場鉆芯取樣,進行修正。

1 同板彎沉差脫空判別方法的提出

彎沉檢測經(jīng)驗和研究表明:水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)、水泥混凝土板厚度、相鄰板體的傳荷能力、基層的強度及類型、邊坡坡度、測試季節(jié)、測試時間等因素對彎沉的影響非常大,致使彎沉值變異性很大。由此可見,僅采用單個彎沉值作為判別脫空的依據(jù)是不準確也不科學的,它隨著各影響因素而變化。

但如果采用同一水泥混凝土板的板邊或板角與板中彎沉差進行比較分析來評定路面板脫空狀況,顯然可以消除上述部分因素的影響,例如路面結(jié)構(gòu)、板厚、基層強度及類型、邊坡坡度等,若標準制定中考慮傳荷能力的影響,則采用同板板邊中點或板角與板中彎沉差來判定脫空的準確性和有效性更高,其基本原理為當實測板邊中點或板角與板中彎沉差大于理論計算值時,即認為存在板底脫空,如圖1。同板彎沉差可表示為:

圖1 脫空判別示意圖

制定此方法的判別標準,首先選擇一段典型路段,采用落錘式彎沉儀分別加載檢測該路段板邊中點、板角和板中彎沉值,根據(jù)式(1)計算同板彎沉差ΔW邊和 ΔW角,綜合考慮路面調(diào)查的唧泥、錯臺、裂縫、板角破碎情況,并選擇部分代表性板塊進行鉆芯或雷達檢測修正,從而更加準確的判定此處的脫空狀況,通過理論計算和實測數(shù)據(jù)分析,給出該路段的彎沉差判別標準。

2 基于彎沉理論計算的脫空判別標準

據(jù)調(diào)查,脫空一般發(fā)生在橫縫邊、板角隅處,故分脫空發(fā)生在板邊與板角2種情況討論。根據(jù)彈性地基上有限尺寸薄板理論,視路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系,建立空間三維模型,進行有限元計算。1)采用煙臺-威海高速公路的路面結(jié)構(gòu),面板5 m×4 m,厚度24 cm,材料參數(shù)選取參考相關(guān)規(guī)范[16],見表1,土基采用擴大基礎(chǔ),4個方向分別向外擴大1 m。2)接縫寬度10 mm,厚度同水泥板厚,采用不同模量的虛擬接縫材料來模擬[17],用接縫兩側(cè)相鄰彎沉的比值定義。3)荷載模擬FWD的實際檢測效果,重錘質(zhì)量200 kg,承載板直徑為30 cm[15],將FWD圓形均布荷載等效為26.6 cm×26.6 cm的正方形,輪胎壓力P=0.7 MPa。荷載分別作用在板中、橫縫邊中部、板角。4)取脫空深度分別為0.2 mm、0.4 mm 、0.6 mm 、0.8 mm 、1.0 mm 、5.0 mm 、10 mm 、15 mm。5)板邊脫空模型為長方體,沿行車方向的脫空長度是垂直于行車方向的一半(見圖2,L2的長度是L1的一半),脫空沿板長長度L 2分別為20cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm。6)板角脫空模型為等腰直角三角形棱柱(見圖3),直角邊長L 1分別為30 cm、60 cm、90 cm、120 cm、150 cm。

表1 有限元計算參數(shù)

圖2 板邊脫空計算模型

圖3 板角脫空計算模型

計算不同脫空深度、面積和傳荷能力的板中彎沉W Z,板邊中點彎沉W B、板角彎沉W J和兩者之差△W BZ、△W JZ。圖4是板角脫空,傳荷能力為0,5種脫空面積的脫空深度與彎沉關(guān)系圖。

圖4 板角彎沉值與脫空深度的關(guān)系曲線

由圖4可見,脫空深度對彎沉的影響很小,這是因為板底脫空,水泥板近似于懸臂梁,水泥板受力處于非接觸狀態(tài),在施加相同荷載作用時,不管板底脫空深度有多深,水泥板的豎向變形不變,所以脫空深度對彎沉值幾乎沒有影響。鑒于此,在計算過程中選取脫空深度為10 mm,板邊脫空、板角脫空時不同傳荷能力的彎沉值見表2、表3。

表2 板邊脫空時彎沉計算值/0.01 mm

表3 板角脫空時彎沉計算值/0.01 mm

可見,板邊未脫空時彎沉差小于10(0.01 mm),板角未脫空時彎沉差小于20(0.01 mm)。彎沉值與傳荷能力之間呈指數(shù)關(guān)系,不同傳荷能力之間彎沉差的倍數(shù)關(guān)系見表4。因為隨著傳荷能力的變化,板中彎沉值的變化不大,而板角彎沉值比板邊中點彎沉值在數(shù)值上和變化趨勢上都較大,故不同傳荷能力的板角—板中彎沉差的倍數(shù)比板邊中點—板中彎沉差的倍數(shù)大。由于脫空面積和脫空深度是吻合的,脫空較輕時,脫空深度較小,脫空面積也較小,彎沉和應(yīng)力較小,對水泥路面的使用影響很小,而重度脫空時,脫空面積和深度都較大,在荷載和溫度作用下,水泥板會發(fā)生斷板危害。根據(jù)鉆芯取樣結(jié)果,將板邊脫空面積小于60×120 cm2,板角脫空面積小于1/2×60×60 cm2定為輕度脫空,脫空面積超過150×300 cm2及1/2×150×150 cm2定為重度脫空,介于兩者之間的為中度脫空。由表2、3可見,傳荷能力為0時,板邊中點—板中彎沉差分別為:輕度脫空10～27(0.01 mm),中度脫空 27～40(0.01 mm),重度脫空＞40(0.01 mm);板角—板中彎沉差分別為:輕度脫空20～35(0.01 mm),中度脫空 35～53(0.01 mm),重度脫空＞53(0.01 mm)。其他傳荷能力的彎沉差范圍可按表4的倍數(shù)關(guān)系推算。

表4 不同傳荷能力之間彎沉差的倍數(shù)關(guān)系

3 基于實測FWD動彎沉值的脫空判別標準

對煙臺—威海高速公路K176+650～K178+550段行車道,采用Dynatest 8000型落錘式彎沉儀FWD進行彎沉檢測,見圖5。煙威高速公路為雙向4車道,根據(jù)實際調(diào)查,板邊脫空一般發(fā)生在行車道板底,超車道板底相對較少;板角脫空大多發(fā)生在與縱縫相鄰的超車道和行車道板底,而發(fā)生在接近中間帶的超車道板角、或接近停車道的行車道板角底部的可能性極小,故選取檢測點位為同板板中、板邊、板角及鄰板板邊,見圖6。分別在各個測點啟動落錘裝置,測定該點的彎沉值,即FWD的D0值。板邊脫空時,FWD可依次連續(xù)測量各個板的板中(測點1)彎沉值和板邊中點(測點2)彎沉值,測定板角(測點3)彎沉值時FWD需同時位于超車道和行車道上,測試期間注意控制和盡可能少影響交通。板中作為不脫空點,分析它與同板板邊、板角的彎沉差,再考慮傳荷能力的影響,以此作為板底是否脫空判別的依據(jù)。例如,分別施加荷載測得板1的測點1、2、3 的彎沉值W11、W12、W13,計算同板板1的彎沉差W12-W11和W13-W11,即為同板板邊或板角與板中的彎沉差。圖6僅為示意圖,實際測試過程中先用經(jīng)驗法判斷是否存在脫空,再選擇測試位置;若某一混凝土板有兩個板角處出現(xiàn)脫空,則依次判定,板邊脫空判定類推。

圖5 動彎沉檢測照片

3.1 接縫傳荷能力判定

圖6 彎沉檢測位置圖

按照設(shè)計規(guī)范[16]規(guī)定,根據(jù)接縫兩側(cè)邊緣的實測彎沉值計算接縫的傳荷系數(shù),分為4個等級,見表5。將荷載施加在鄰近接縫的路面表面(圖6中板1測點2上),在板2的測點2上布置傳感器,測定接縫兩側(cè)板1測點2和板2測點2的彎沉值W12和W22,即FWD的 D0值和 D30值(距荷載中心30cm處的傳感器讀數(shù)),W22/W12=k 1,即為板1的接縫傳荷系數(shù)。檢測結(jié)果見表6,經(jīng)統(tǒng)計有75%的板傳荷能力為中,25%為次。

表5 接縫傳荷能力分級標準

表6 接縫傳荷能力匯總表

3.2 動彎沉檢測分析

1)未脫空板實測彎沉值分析

非脫空板為B107-B113,傳荷能力均為中,板中彎沉值在17.6～28.8(0.01 mm)之間,板邊中點彎沉值26.3～37.6(0.01 mm),板角彎沉值31.2～38(0.01 mm),彎沉差見圖7、圖 8。

圖7 非脫空板板邊中點—板中動彎沉差

圖8 非脫空板板角—板中動彎沉差

對于非脫空板,其板邊中點與板中的彎沉差在4.8～8.8(0.01 mm)之間,與理論計算值比較,有3塊板的實測彎沉差超過傳荷能力為中的最大值6.05(0.01 mm),處于傳荷能力為差的范圍。板角與板中的彎沉差在6.4～16.6(0.01 mm)之間,與理論計算值比較,僅有1塊板的彎沉差超標,處于傳荷能力為差的范圍。

2)脫空板實測彎沉值分析

脫空板B117～B161,板中彎沉值范圍17.2～30.8(0.01 mm),板邊中點彎沉值40.8～74.4(0.01 mm),板角彎沉值41.6～77.2(0.01 mm),彎沉差見圖9、圖10。

圖9 脫空板板邊中點—板中動彎沉差

圖10 脫空板板角—板中動彎沉差

1)對于脫空板,其板邊中點與板中的彎沉差在12.4～46(0.01 mm)之間。選取部分脫空板進行鉆芯取樣檢測,發(fā)現(xiàn)彎沉差在10～25(0.01 mm)之間的板脫空范圍和深度較小,將其定為輕度脫空,彎沉差＞40(0.01 mm)的板脫空范圍和深度都比較大,將其定為重度脫空,介于兩者之間的板為中度脫空。2)板角與板中的彎沉差在18.8～52.8(0.01 mm)之間。選取部分脫空板進行鉆芯取樣檢測,發(fā)現(xiàn)彎沉差在20～35(0.01 mm)之間的板脫空范圍和深度較小,將其定為輕度脫空,彎沉差＞50(0.01 mm)的板脫空范圍和深度都比較大,將其定為重度脫空,介于兩者之間的板為中度脫空。

3.3 動彎沉差判別標準

對比有限元ANSYS計算的理論彎沉值和實際測試值,二者相差一般在8%以內(nèi),個別實測數(shù)據(jù)具有變異性,予以剔除。所以理論計算符合工程實際,并且對于輕、中、重不同彎沉差范圍的劃分基本一致。

根據(jù)理論計算和實測數(shù)據(jù)分析,考慮接縫傳荷能力的影響,采用板邊中點—板中動彎沉差和板角—板中動彎沉差為指標,給出脫空判別標準推薦值及傳荷能力修正系數(shù),見表7和表8。

表7 動彎沉判別標準推薦范圍/0.01mm

表8 動彎沉值脫空判別傳荷能力修正系數(shù)

通過對廣東、廣西、福建、江蘇、河南、山東、河北、吉林、黑龍江等地28條高等級公路實際彎沉值和彎沉差的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)水泥板厚度在22～25 cm之間,板中彎沉值在10～25(0.01 mm),無脫空時板邊板角彎沉值在20～40(0.01 mm),彎沉差在10～15(0.01 mm);脫空時板邊板角彎沉值在40～130(0.01 mm),彎沉差15～100(0.01 mm)。實際數(shù)據(jù)說明了計算結(jié)果和所提標準的正確性,代表了目前一般水泥混凝土路面的彎沉值。所提標準是一個范圍,還可根據(jù)具體情況略加浮動(上下浮動各10%),又由于同板彎沉差判別方法的提出消除了大部分因素對彎沉值的影響,故該法適用于大部分水泥混凝土路面脫空評定。

4 試驗路脫空檢測驗證

對煙威試驗路K176+650～K178+550段行車道,采用FWD檢測彎沉值。通過對實測板中、板邊中點、板角彎沉中的代表性數(shù)值,如最小值、最大值、平均值、高頻值等分析,在全段挑選了具有代表性的26塊板進行鉆芯檢測,接縫傳荷能力評價同上,其傳荷能力評價、彎沉檢測和鉆芯檢測結(jié)果見表9和圖11。

表9 FWD彎沉檢測結(jié)果/0.01 mm

圖11 脫空鉆芯取樣

根據(jù)表7、8提出的脫空判別標準判定檢測路段的脫空情況,并將判定結(jié)果與實際脫空狀況對比分析,以其驗證所提標準的可行性。結(jié)果表明:采用板邊中點—板中彎沉差進行判別時B159、B259、B363判斷錯誤,準確度88.5%;采用板角—板中靜彎沉差時 B103、B104、B155、B259 判斷錯 誤,準確性84.6%?？梢?采用同板彎沉差判別方法可以滿足工程精度的要求,并可根據(jù)評定的脫空嚴重程度,判定對水泥路面是采取養(yǎng)護措施還是小修、中修或大修,更好地指導(dǎo)水泥路面養(yǎng)護維修。

5 結(jié)語

在深入分析FWD脫空判別方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合理論分析和實際動彎沉檢測數(shù)據(jù),提出了采用同板板邊中點—板中彎沉差和板角—板中彎沉差為判別指標的脫空判定標準,并驗證了所提標準的準確性,主要結(jié)論如下:

1)采用有限元理論模擬,計算在不同脫空深度、脫空面積和傳荷能力下的板邊中點、板中、板角彎沉值,得出了不同傳荷能力下的板邊中點或板角與板中的彎沉差范圍,并提出理論分級脫空判別標準。

2)根據(jù)動彎沉實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和理論計算,提出采用板邊中點—板中彎沉差和板角—板中彎沉差為判別指標的方法,并給出了動彎沉差判別標準和傳荷能力修正系數(shù)。

3)在試驗路段挑選了26塊板進行鉆芯檢測,將所提標準判別結(jié)果與路面實際脫空狀況進行對比驗證,結(jié)果表明:板邊彎沉差的準確度達88.5%,板角彎沉差的準確度達84.6%。

4)提出的同板板邊或板角與板中彎沉差的脫空判別方法,是在同一路面結(jié)構(gòu)、破壞程度、溫度等條件下進行的對比和分析,且更加貼近實際地提出接縫傳荷修正系數(shù),確定了標準范圍,消除了諸多因素對彎沉的影響。

[1]JUN ZHANG,VICTOR C LI.Influence of supporting base characteristics on shrinkage-induced stress in concrete pavements[J].Journal of Transportation Engineering,2007(11/12):455-455.

[2]何兆益,謝強,梁莉.板角脫空條件下懸臂板模型的有限差分分析[J].土木建筑與環(huán)境工程,2009,31(2):95-99.HE ZHAO-YI,XIE QIANG,LIANG LI.Finite difference analysis on cantilever slab model with void beneath thecement concrete slab corner[J].Journal of Civil,Architectural&Environmental Engineering,2009,31(2):95-99.

[3]FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION.Evaluation on Rigid Pavement on Rigid Overlay Design Procedures[R].Washington DC:Federal Highwag Administration,1983.

[4]DARTER M I.Joint repair methods for Portland cement concrete pavement, national cooperative highway Research program[R].Washington DC:Transportation Research Board,1986.

[5]SHAHIN M Y.Use of the falling weight deflectometer for the non-destructive deflection testing of jointed concrete airfield pavement overlay[C]//The 3rd International Conference on Concrete Pavemont Design and Rehabilitation, 23-25 April, 1985, Purdue University,USA.

[6]AASHTO.Guide for design of pavement structures[S].Washington DC,American Association of State Highway and Transportation Officials,1993.

[7]張建華,應(yīng)榮華,張起森.用 FWD進行板下地基脫空狀況的評定[J].湖南交通科技,2003(1):113-114.ZHANG JIAN-HUA,YING RONG-HUA,ZHANG QI-SEN.Determination method for void beneath old pavement slabs by FWD[J].Hunan Communication Science and Technology,2003(1):113-114.

[8]趙軍,唐伯明,談志明.基于彎沉指數(shù)的水泥混凝土路面板角脫空識別[J].同濟大學學報:自然科學版,2006,34(3):335-339.ZHAO JUN,TANG BO-MING,TAN ZHI-M ING.Identification of void beneath cement concrete slab corner based on deflection index[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2006,34(3):335-339.

[9]孫立軍,八谷好高,姚祖康.水泥混凝土路面板模量反算的一種新方法—惰性彎沉法[J].土木工程學報,2000,33(1):83-87.SUN LI-JUN,BAGU HAO-GAO,YAO ZU-KANG.A new modulus backcalculation method of cement concrete pavement-inert deflection method[J].China Civil Engineering Journal,2000,33(1):83-87.

[10]查旭東,王秉綱.基于同倫方法的路面模量反算研究[J].中國公路學報,2003,16(1):1-5.ZHA XU-DONG,WANG BING-GANG.Backcalculation of modulus for pavements based on homotopy method[J].China Journal of Highway and Transport,2003,16(1):1-5.

[11]王陶.基于遺傳算法的剛性路面脫空判定[J].中國公路學報,2003,16(3):23-26.WANG TAO.Void identifying of rigid pavement based on genetic algorithm[J].China Journal of Highway and Transport,2003,16(3):23-26.

[12]徐海賓,張敏霞,褚懷寶.FE-SBFE在路面結(jié)構(gòu)層模量反算中的應(yīng)用[C]//崔京浩.第16屆全國結(jié)構(gòu)工程學術(shù)會議論文集:第Ⅱ冊,太原:太原理工大學,2007.

[13]陳瑜,張起森.基于FWD檢測結(jié)果舊路地基脫空狀況的模糊評定[J].公路交通科技,2005,22(6):46-49.CHEN YU,ZHANG QI-SEN.Fuzzy evaluation of the cavity beneath old pavement slabs based on FWD test data[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(6):46-49.

[14]彭永恒,任瑞波,羅躍綱,等.剛性路面脫空聲識別集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[J].中南公路工程,2005,30(3):15-18.PENG YONG-HENG,REN RUI-BO,LUO YUEGANG,et al.Void acoustic identifying of rigid pavement based on integrated neural network[J].Central South Highway Engineering,2005,30(3):15-18.

[15]JTJ 073.1-2001,公路水泥混凝土路面養(yǎng)護規(guī)范[S].北京:中華人民共和國交通部,2001.

[16]JTG D 40-2002,公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].北京:中華人民共和國交通部,2002.

[17]肖興強.水泥混凝土路面板底脫空和接縫傳荷能力的關(guān)系[D].成都:西南交通大學,2007.