高速公路服務(wù)區(qū)開(kāi)裂路面維修效果快速評(píng)價(jià)方法研究

李香玲

(內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸教育中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，高速公路建設(shè)日新月異，截至2014年底，全國(guó)高速公路總里程達(dá)11.19萬(wàn)km[1]。服務(wù)區(qū)作為高速公路的一項(xiàng)重要設(shè)施，其建設(shè)也日益引起人們的重視和關(guān)注。按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG01-2003)的規(guī)定，在高速公路上平均每50km建立一個(gè)服務(wù)區(qū)，兩個(gè)大服務(wù)區(qū)之間建1～3個(gè)停車區(qū)[2]，服務(wù)區(qū)的路面狀況已成為衡量地區(qū)高速公路服務(wù)水平的重要指標(biāo)[3，4]。

現(xiàn)在高速服務(wù)區(qū)的路面結(jié)構(gòu)基本上采用土基、基層加水泥混凝土面板的型式[5]。設(shè)計(jì)厚度計(jì)算采用了《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。但車輛在服務(wù)區(qū)行駛速度較低，一般在5km/h，受荷載作用一次的時(shí)間相當(dāng)于普通路面上一次荷載作用時(shí)間的6倍[5]，而且車輛行駛方向更加不固定。普通水泥混凝土路面的斷裂多位于板角位置，但交通荷載的差異造成高速服務(wù)區(qū)路面經(jīng)常會(huì)在板塊中部出現(xiàn)裂縫，而裂縫位置容易產(chǎn)生板底脫空，進(jìn)而加劇裂縫的拓展，引發(fā)板塊的整體開(kāi)裂破壞。

對(duì)于水泥混凝土路面較為嚴(yán)重的開(kāi)裂破壞，僅對(duì)裂縫進(jìn)行灌封處理效果不好，還需要通過(guò)注漿處治斷裂位置的板底脫空[7～11]。注漿料主要為水泥漿、水泥粉煤灰漿或水泥砂漿，通過(guò)充填、擠密作用，達(dá)到封堵板底脫空區(qū)，延緩板塊唧泥、斷裂等破壞的目的[12]。板底脫空注漿屬于隱蔽性工程，注漿處治效果的檢驗(yàn)十分困難[13]。目前各國(guó)沒(méi)有專門針對(duì)板底脫空注漿效果檢驗(yàn)的指標(biāo)體系與方法[11]，使得工程實(shí)踐中難以全面、科學(xué)地對(duì)板底脫空注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

彎沉試驗(yàn)是判別路面開(kāi)裂破壞和板底脫空最常用的方法[14～16]。由于落錘式彎沉儀(Falling Weight Deflectometer，F(xiàn)WD)不僅能夠快速完成彎沉檢測(cè)，而且能夠獲得車輛動(dòng)態(tài)荷載下路面結(jié)構(gòu)的完整彎沉盆[17，18]，所以現(xiàn)在養(yǎng)護(hù)部門越來(lái)越多地采用FWD進(jìn)行路面檢測(cè)。

筆者通過(guò)對(duì)某高速公路服務(wù)區(qū)路面斷裂位置維修前后的FWD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對(duì)高速公路服務(wù)區(qū)路面開(kāi)裂維修提出建議方案，并提出評(píng)價(jià)維修效果的指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。

1 維修及試驗(yàn)方案

如圖1所示，某高速公路服務(wù)區(qū)路面板塊尺寸長(zhǎng)6m，寬4m，水泥混凝土板塊出現(xiàn)連續(xù)斷裂破壞，裂縫多表現(xiàn)為橫貫多塊板塊中央，裂縫附近板底已經(jīng)出現(xiàn)脫空，采用板底注漿方法對(duì)脫空進(jìn)行處治，并對(duì)裂縫進(jìn)行灌封處理。注漿孔交錯(cuò)布置在裂縫兩側(cè)，每側(cè)相鄰注漿孔間的間距為1m。

圖1 服務(wù)區(qū)路面板塊FWD檢測(cè)方案(單位：m)

選擇板塊中部斷裂破壞的連續(xù)4塊板塊，采用FWD測(cè)試板塊維修前后相同位置的彎沉盆。本研究中采用的FWD檢測(cè)車荷載盤半徑為15cm，施加50kN荷載，共有7個(gè)傳感器D0～D1500，距荷載中心的距離分別為0、200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm、1 500mm。

如圖1所示，每塊板塊上的6個(gè)FWD測(cè)點(diǎn)排列在板塊與縱邊平行的中線上，荷載中心分別位于裂縫兩側(cè)距縫0.15m、0.5m、1m的位置。在不同點(diǎn)位測(cè)試時(shí)，裂縫與傳感器的相應(yīng)位置關(guān)系如表1所示，3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置測(cè)試時(shí)，裂縫分別位于1～2傳感器、3～4傳感器、5～6傳感器之間。

表1 不同測(cè)點(diǎn)裂縫與傳感器位置關(guān)系

2 荷載中心彎沉值

承載板中心的彎沉反映了路面整體彎沉[19]，是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)時(shí)的重要參數(shù)。因此，通過(guò)對(duì)荷載中心彎沉值的對(duì)比分析，能夠得到維修前后裂縫附近路面結(jié)構(gòu)狀況。

1號(hào)板塊維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉如圖2所示，可以看出維修后各測(cè)點(diǎn)彎沉有所降低，但降低幅度不大。這主要是因?yàn)?號(hào)板處裂縫破壞本身不嚴(yán)重，裂縫寬度比其他板塊小很多，所以維修前測(cè)點(diǎn)位置彎沉就不大。

圖2 1號(hào)板塊維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉

2號(hào)板塊維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉如圖3所示，可以看出維修前在裂縫附近彎沉已經(jīng)超過(guò)500μm，結(jié)構(gòu)破壞十分嚴(yán)重，而維修處治后，雖然距裂縫1m處測(cè)點(diǎn)彎沉變化不大，但距裂縫0.5m和0.15m處彎沉出現(xiàn)大幅降低，最大動(dòng)態(tài)彎沉降為300μm左右，表明路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到大幅提升，并且注漿后板塊強(qiáng)度分布更加均勻，注漿效果十分明顯。

圖3 2號(hào)板塊維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉

3號(hào)板塊維修前后的荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉如圖4所示，維修前后彎沉變化同2號(hào)板塊相似：距裂縫1m處測(cè)點(diǎn)彎沉同樣變化不大，而距裂縫0.5m和0.15m處彎沉出現(xiàn)大幅降低，最大動(dòng)態(tài)彎沉從500μm降為300μm左右，并且板塊強(qiáng)度分布更加均勻。

圖4 3號(hào)板塊維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉

4號(hào)板塊維修前后的荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉如圖5所示，維修前裂縫兩邊板塊強(qiáng)度存在較大差異，距裂縫0.15m的一側(cè)動(dòng)態(tài)彎沉值超過(guò)450μm，而另一側(cè)僅250μm左右，說(shuō)明路面裂縫兩側(cè)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可能會(huì)存在較大差異。注漿后裂縫附近彎沉不僅明顯降低，裂縫兩側(cè)的路面強(qiáng)度均勻性得到顯著提高，均處于100μm～200μm范圍。

圖5 4號(hào)板塊維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉

對(duì)維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉平均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2所示。

表2 維修前后荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

通過(guò)以上分析可以得到如下結(jié)論：①在四組測(cè)量數(shù)據(jù)中，距裂縫1m處測(cè)點(diǎn)彎沉變化均不大，表明開(kāi)裂對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響范圍在裂縫兩側(cè)各1m范圍內(nèi)，因此在設(shè)計(jì)維修方案時(shí)重點(diǎn)考慮提升裂縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。②1號(hào)板塊由于原路面本身裂縫破壞不太嚴(yán)重，進(jìn)行維修后，動(dòng)態(tài)彎沉平均值降低了8%～9%。而對(duì)于原路面裂縫破壞嚴(yán)重的2～4號(hào)板塊，各板塊的動(dòng)態(tài)彎沉平均值降低達(dá)20%～30%，表明采用注漿與灌封相結(jié)合的維修方案對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升十分顯著。 ③經(jīng)過(guò)對(duì)裂縫的處治，板塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的均勻性得到極大提高。各板塊彎沉標(biāo)準(zhǔn)差降低比例均在30%以上，4號(hào)板塊降低甚至達(dá)到83%。

3 彎沉盆形態(tài)參數(shù)

FWD彎沉盆中含有豐富的路面結(jié)構(gòu)信息[20]，荷載中心動(dòng)態(tài)彎沉指標(biāo)主要反映的是維修處治對(duì)裂縫附近路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升，尚不能直觀反映維修前后裂縫位置傳荷能力的變化。對(duì)彎沉盆形態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，可進(jìn)一步評(píng)價(jià)裂縫位置路面?zhèn)骱赡芰υ诰S修前后的變化。

當(dāng)荷載中心距裂縫距離為0.15m時(shí)，裂縫位于1、2號(hào)傳感器之間，即D0和D200之間。如圖6所示，在原路面開(kāi)裂破壞較為嚴(yán)重的2號(hào)板塊，維修前直接受荷一側(cè)的D0處彎沉?xí)h(yuǎn)遠(yuǎn)大于D200處的彎沉，造成兩者之間的斜率S0-200很大。而維修后，裂縫位置傳荷能力增強(qiáng)，板塊整體性提升，彎沉盆的形態(tài)變得更加均勻平坦，S0-200也明顯增大。

圖6 2號(hào)板塊維修前后彎沉盆(荷載中心距縫15cm)

當(dāng)荷載中心距裂縫距離為0.5m時(shí)，裂縫位于3、4號(hào)傳感器之間，即D300和D600之間。如圖7所示，在2號(hào)板塊上，由于裂縫破壞較為嚴(yán)重，裂縫附近路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，造成D200和D300甚至比在荷載中心位置的D0還要大，維修后，雖然各傳感器位置彎沉都有所降低，但整個(gè)彎沉盆形態(tài)仍與維修前類似。另外，由于裂縫破壞主要對(duì)裂縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，因此不考慮采用當(dāng)荷載中心距裂縫距離為1m時(shí)的彎沉盆參數(shù)。

圖7 2號(hào)板塊維修前后彎沉盆(荷載中心距縫50cm)

綜上所述，為了將維修前后彎沉盆形態(tài)變化量化表示，選擇變化明顯的D0與D200之間的比值D0/D200(傳荷系數(shù))作為形態(tài)參數(shù)。參考《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40—2002)[5]中評(píng)定接縫傳荷能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，提出裂縫位置傳荷能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 裂縫位置傳荷能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算各板塊上裂縫傳荷系數(shù)D0/D200并評(píng)定其傳荷能力等級(jí)，得到結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，由于1號(hào)板塊裂縫破壞不嚴(yán)重，本身傳荷能力較強(qiáng)，為“優(yōu)良”級(jí)別，維修后傳荷系數(shù)提升不明顯。而對(duì)于2號(hào)～4號(hào)板塊，維修前裂縫破壞嚴(yán)重，傳荷能力為“差”級(jí)別，3、4號(hào)板塊維修后，裂縫位置傳荷能力均提升到“優(yōu)良”級(jí)，而2號(hào)板塊裂縫破壞過(guò)于嚴(yán)重，雖然維修后傳荷能力為“中”級(jí)，但傳荷系數(shù)已經(jīng)提升了257%。

表4 荷載中心距縫15cm跨縫檢測(cè)時(shí)各板塊的傳荷系數(shù)D0/D200

因此，對(duì)于裂縫破壞嚴(yán)重的板塊，維修后傳荷系數(shù)提至原來(lái)的3～4倍，表明維修后傳荷能力提升很高，受力分布更加均勻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到顯著強(qiáng)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者以某高速公路服務(wù)區(qū)路面維修工程為依托，制定了開(kāi)裂路面維修方案及維修效果檢測(cè)方案，以實(shí)測(cè)FWD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)荷載中心彎沉值和彎沉盆形態(tài)參數(shù)的分析，提出基于FWD的高速公路服務(wù)區(qū)路面維修效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述分析，得出以下結(jié)論：①采用裂縫兩側(cè)注漿處治與灌封相結(jié)合的方案，對(duì)于處治板塊開(kāi)裂、提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)均勻性具有顯著效果。破壞嚴(yán)重位置維修后，動(dòng)態(tài)彎沉平均值降低20%～30%，傳荷系數(shù)提至原來(lái)的3～4倍。②采用FWD對(duì)縫維修效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，建議采用將荷載盤外緣緊貼裂縫，使1號(hào)傳感器和2號(hào)傳感器分別位于裂縫兩側(cè)的檢測(cè)方法，將荷載盤中心彎沉D0和傳荷系數(shù)D0/ D200兩個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。③開(kāi)裂對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響范圍在裂縫兩側(cè)各1m范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)維修方案時(shí)著重考慮提升裂縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。