基于等距測(cè)定的彎沉對(duì)瀝青路面裂縫影響范圍的研究

李 霖，江睿南

(交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引言

瀝青路面在其服役過(guò)程中，會(huì)由于設(shè)計(jì)、建設(shè)、荷載耦合、溫度等方面的因素，產(chǎn)生不同類型和程度的病害，如縱向裂縫、橫向裂縫、車轍、擁包等[1]。這就需要對(duì)路面整體狀況(路面損壞狀況和強(qiáng)度狀況)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于表面層的病害，往往采用傳統(tǒng)外觀觀測(cè)進(jìn)行確定，其方法包括多功能道路檢測(cè)車、人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等。而對(duì)于瀝青路面內(nèi)部的強(qiáng)度衰減情況，公路行業(yè)一般通過(guò)落錘式彎沉儀(FWD)獲得路面施加動(dòng)荷載下實(shí)測(cè)彎沉盆，結(jié)合路面各結(jié)構(gòu)層的材料性能、厚度、模量范圍等數(shù)值進(jìn)行各結(jié)構(gòu)層的模量反演，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度及路面整體承載能力的評(píng)估[2-3]。比如有些研究人員利用ANSYS，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)彎沉值圖譜，通過(guò)對(duì)各種影響因素的敏感性權(quán)重進(jìn)行分析，明確了FWD動(dòng)荷載下路面力學(xué)性能變化情況，提出了彎沉值與結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度的回歸方程[4]；有些則利用靜力學(xué)模型，回歸分析結(jié)構(gòu)層模量與各個(gè)層位的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，總體而言，目前只利用了FWD檢測(cè)信息中的一小部分，有更多的數(shù)值分析有待于進(jìn)一步發(fā)展[7-9]。

綜上可知，目前有關(guān)FWD測(cè)定彎沉盆的研究主要集中在反演路面結(jié)構(gòu)模量，從而評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)性能，但對(duì)于在病害路段的測(cè)定位置并沒(méi)有達(dá)成一致看法，并且我國(guó)現(xiàn)行養(yǎng)護(hù)規(guī)范中，也未對(duì)病害路段彎沉檢測(cè)位置進(jìn)行明確約定，僅要求間隔一定距離進(jìn)行彎沉檢測(cè)，常常出現(xiàn)路面裂縫病害嚴(yán)重，但彎沉評(píng)定指標(biāo)優(yōu)良的情況，因此無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)病害實(shí)際情況。關(guān)于裂縫周圍測(cè)定距離的研究鮮有報(bào)道，其評(píng)價(jià)體系也尚不明確，需進(jìn)一步深入探討研究。

1 表面裂縫彎沉變化

利用FWD彎沉檢測(cè)方法在表面裂縫處及距裂縫不同位置處進(jìn)行彎沉測(cè)試，以便掌握不同類型裂縫對(duì)彎沉指標(biāo)的影響。測(cè)試位置如圖1所示，分別在裂縫頂面、距裂縫兩側(cè)各15，50，100，150 cm 處和200 cm處進(jìn)行無(wú)損彎沉檢測(cè)。

圖1 裂縫彎沉檢測(cè)位置(單位:cm)Fig.1 Detection positions of crack deflection(unit:cm)

得到各檢測(cè)點(diǎn)的彎沉值，結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 單獨(dú)橫向裂縫處彎沉響應(yīng)Fig.2 Deflection response at separate transverse cracks

圖3 帶支縫裂縫處彎沉響應(yīng)Fig.3 Deflection response at cracks with branches

圖4 橫向裂縫處彎沉響應(yīng)Fig.4 Deflection response at transverse cracks

(1)單獨(dú)裂縫處彎沉響應(yīng)

裂縫主要在路面橫縫處，從路面銑刨情況看，造成橫縫的主要原因是半剛性基層開(kāi)裂導(dǎo)致的反射裂縫。從圖中可以看出，在裂縫點(diǎn)4#的彎沉最大，橫縫對(duì)彎沉的影響范圍為距離縫中心±50 cm范圍。

(2)帶支縫裂縫和橫向裂縫彎沉響應(yīng)

帶支縫裂縫處，由于橫縫處產(chǎn)生了網(wǎng)裂，此裂縫影響范圍在±75 cm內(nèi)。

對(duì)于橫向裂縫，測(cè)得的完成基本情況與單獨(dú)裂縫情況類似，但在測(cè)點(diǎn)4#處的彎沉比單獨(dú)裂縫相同測(cè)點(diǎn)的彎沉值大，因此認(rèn)定此時(shí)的半剛性基層開(kāi)裂更為嚴(yán)重，同時(shí)明確對(duì)于橫向裂縫而言，其影響范圍在±50 cm內(nèi)。

(3)帶不同病害程度下彎沉響應(yīng)分析

裂縫的損傷程度不能僅靠觀察，需要通過(guò)儀器檢測(cè)，不同裂縫損傷程度不同。首先是病害較輕的情況，如圖5橫向裂縫，在裂縫位置處的彎沉，與未發(fā)生開(kāi)裂位置彎沉基本相同。

圖5 病害較輕橫向裂縫彎沉檢測(cè)Fig.5 Detecting deflections of lateral cracks with lighter disease

損傷程度較大的裂縫，在裂縫處的彎沉與周邊區(qū)域的彎沉差別較大，彎沉差別達(dá)到甚至達(dá)到3倍以上，如圖6及圖7所示。病害較重的橫向裂縫彎沉的影響區(qū)域大約為1 m左右。如圖6所示，裂縫中心彎沉最大，裂縫左右對(duì)稱50 cm之外彎沉下降趨于穩(wěn)定，故對(duì)裂縫進(jìn)行徹底處理，需要至少1 m寬左右的處理區(qū)域。發(fā)生了唧漿的裂縫，彎沉明顯大于未發(fā)生唧漿的裂縫，如圖7所示。由此可知，水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)路面結(jié)構(gòu)承載力的影響是非常明顯的，因此應(yīng)該避免水滲入裂縫中，并盡快排出進(jìn)入裂縫內(nèi)的水分。

圖6 病害較重橫向裂縫彎沉檢測(cè)Fig.6 Detecting deflections of lateral cracks with heavier disease

圖7 橫向裂縫并發(fā)生唧漿彎沉檢測(cè)Fig.7 Detecting deflections of lateral cracks with slurry

2 結(jié)構(gòu)層當(dāng)量回彈模量

路面結(jié)構(gòu)層的當(dāng)量回彈模量是舊路加鋪設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)之一，表征路面結(jié)構(gòu)的整體承載能力。裂縫等病害處是路面結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，如果不進(jìn)行病害處理就進(jìn)行加鋪補(bǔ)強(qiáng)，應(yīng)該考慮病害處的實(shí)際當(dāng)量模量，保證設(shè)計(jì)期內(nèi)加鋪的結(jié)構(gòu)或材料不在病害處發(fā)生早期損壞。表1為路表裂縫處當(dāng)量回彈模量與周邊區(qū)域未發(fā)生裂縫處的當(dāng)量回彈模量比較。

表1 裂縫處FWD檢測(cè)結(jié)果Tab.1 FWD test result at crack

從表中可知，由于損傷程度的不同，裂縫處的當(dāng)量回彈模量有的下降比較小，有的則衰減程度很大，因此進(jìn)行加鋪設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單采用當(dāng)量模量平均值，應(yīng)該考慮最薄弱環(huán)節(jié)的處理方法。

分別測(cè)定路面銑刨前后的不同層位彎沉值，如表2、圖8所示，F(xiàn)WD測(cè)點(diǎn)分別位于面層、上基層頂面、下基層頂面等不同層位。

表2 不同層位彎沉及當(dāng)量模量測(cè)試值Tab.2 Tested deflections at different depths and equivalent moduli

圖8 不同層位當(dāng)量模量變化Fig.8 Variations of equivalent moduli at different depths

從圖8中可看出，面層部分路面彎沉不僅數(shù)值較小，且變化幅度也??；隨著結(jié)構(gòu)層深度增大，彎沉值也增大，并且出現(xiàn)較大的波動(dòng)。因此在進(jìn)行道路不同銑刨深度的加鋪設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行不同層位當(dāng)量模量的檢測(cè)。另外，從基層和底基層的當(dāng)量模量水平看，銑刨面層或上基層后，除了裂縫位置外，半剛性基層瀝青路面的當(dāng)量模量處于較高的水平，適合進(jìn)行合理的加鋪補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，避免大的路面結(jié)構(gòu)深層銑刨量和較高代價(jià)的結(jié)構(gòu)重建。

3 結(jié)論

針對(duì)彎沉測(cè)定技術(shù)的特點(diǎn)，以FWD作為檢測(cè)手段，在裂縫處開(kāi)展基于等距的彎沉值測(cè)量對(duì)比分析，并繪制彎沉曲線，根據(jù)彎沉曲線線形及最大彎沉值綜合確定裂縫損傷狀態(tài)，通過(guò)等距方法解決了瀝青路面裂縫影響范圍外觀觀測(cè)判定不準(zhǔn)的問(wèn)題，主要結(jié)論有：

(1)利用不同荷載FWD對(duì)表層裂縫及兩端的彎沉進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，裂縫處的彎沉值隨荷載增大增加。加載值較大，裂縫較淺時(shí)更易在裂縫位置處產(chǎn)生奇角峰值。

(2)外觀觀測(cè)無(wú)法確定裂縫的損傷程度，而通過(guò)等距彎沉測(cè)試發(fā)現(xiàn)橫向裂縫彎沉的影響區(qū)域大約為距離1 m左右；裂縫中心處彎沉值最大，并呈現(xiàn)中心向邊緣發(fā)散下降的趨勢(shì)，即裂縫左右對(duì)稱50 cm之外彎沉下降趨于穩(wěn)定，故養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要在寬度1 m 覆蓋范圍內(nèi)對(duì)裂縫進(jìn)行徹底處理。

(3)存在唧漿的裂縫，其彎沉值明顯大于未發(fā)生唧漿的，表明水損害對(duì)路面路面結(jié)構(gòu)承載力的影響巨大，因此應(yīng)該避免水滲入裂縫中，并盡快排出進(jìn)入裂縫內(nèi)的水分。

(4)通過(guò)對(duì)上下基層的深層裂縫彎沉測(cè)試發(fā)現(xiàn)，縱向裂縫處的彎沉值比橫向裂縫處的彎沉值大，橫向裂縫處的彎沉均大于非裂縫處的彎沉。