基于彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)的瀝青路面裂縫病害定量表征研究

肖滿哲 汪 林 成豪杰 于曉賀 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)有限公司3) 武漢 430050)

0 引 言

裂縫是瀝青路面最常見的破損形式之一，裂縫既影響道路美觀，也給行車帶來了一定的安全隱患，同時(shí)也會(huì)極大地影響道路的服役壽命[1].在裂縫病害評(píng)價(jià)方面，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范主要依據(jù)裂縫在路表的分布情況，即裂縫的長(zhǎng)度和形態(tài)，以此對(duì)裂縫病害進(jìn)行評(píng)價(jià)及養(yǎng)護(hù)決策，缺少確定裂縫位置處彎沉盆幾何形態(tài)的手段，而這些信息對(duì)于制定合理的養(yǎng)護(hù)方案十分重要[2].除了鉆芯取樣，對(duì)路面結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法有彎沉檢測(cè)、探地雷達(dá)檢測(cè)[3]、超聲波檢測(cè)[4]或混凝土自診斷等技術(shù)手段，而彎沉檢測(cè)目前仍是評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)最常用的方法.由于落錘式彎沉儀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)的完整彎沉盆形態(tài)，所以現(xiàn)在養(yǎng)護(hù)部門越來越多的采用落錘式彎沉儀(falling weight deflectometer，F(xiàn)WD)進(jìn)行路面檢測(cè)[5].

隨著FWD的普及，路面結(jié)構(gòu)層模量反算已成為路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一[6].合理的結(jié)構(gòu)層模量反算分析，必須保證彎沉盆實(shí)測(cè)路況條件與模量反算所需的理論模型相適應(yīng).當(dāng)前各種模量反算方法，如迭代法、數(shù)據(jù)庫搜索法等，都是以連續(xù)介質(zhì)多層彈性體系理論模型為基礎(chǔ)，并在某種收斂精度及迭代次數(shù)的要求下不斷改變各結(jié)構(gòu)層模量大小，使路表理論彎沉盆與實(shí)測(cè)彎沉盆之間的擬合度最高[7].當(dāng)既有瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫形式的破損后，路表動(dòng)態(tài)彎沉盆的分布呈現(xiàn)出明顯的不連續(xù)特征，顯著不同于完好路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉盆分布規(guī)律，而且對(duì)于同一種路面破損形式，如裂縫，由于裂縫形式和加載點(diǎn)位置的不同，路表彎沉盆的分布特征也不盡相同，此時(shí)仍然利用上述反算模型獲取各結(jié)構(gòu)層模量，往往存在著較大的變異性，不能客觀地反映路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的性能狀況.Grenier等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)鑿縫前后的路面彎沉盆明顯變化，裂縫使彎沉盆扭曲，建議直接采用彎沉盆參數(shù)代替結(jié)構(gòu)層模量，進(jìn)行裂縫對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響的評(píng)價(jià)分析.邱欣等[10]進(jìn)行了帶裂縫CTB瀝青路面路表動(dòng)態(tài)彎沉盆分布特征分析，發(fā)現(xiàn)半剛性基層瀝青路面路表動(dòng)態(tài)彎沉盆分布規(guī)律與完好路面結(jié)構(gòu)存在著顯著的差異.葉云斌等[11]分析了半剛性基層是否出現(xiàn)開裂時(shí)的路表彎沉盆參數(shù)變化特性，發(fā)現(xiàn)路面裂縫傳荷效率和彎沉盆最大斜率可用于判別瀝青路面半剛性基層是否開裂.臧國(guó)帥等[12]建立了基于FWD的半剛性基層開裂狀況無損評(píng)價(jià)模型，該評(píng)價(jià)模型適用于不同強(qiáng)度的半剛性基層損壞狀況的無損判別.當(dāng)前利用FWD進(jìn)行路況彎沉盆檢測(cè)，通常針對(duì)的是完好路面或者含有裂縫病害的路面，無法對(duì)不同形式裂縫對(duì)應(yīng)的彎沉盆特征進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)確的表征.

文中基于京港澳高速湖北段還有裂縫路段彎沉盆檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過開展彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)計(jì)算，探討了瀝青路面存在不同形式裂縫病害時(shí)路表代表彎沉盆指標(biāo)的分布規(guī)律，提出基于0號(hào)傳感器和1號(hào)傳感器位移之比,以及0號(hào)傳感器和1號(hào)傳感器位移之差這兩個(gè)指標(biāo)來定量表征不同形式的瀝青路面裂縫病害，并結(jié)合依托工程進(jìn)行了實(shí)例分析.

1 瀝青路面裂縫狀況檢測(cè)方案

研究路段主線全長(zhǎng)339 km，路面結(jié)構(gòu)(土基以上)見圖1.該段高速公路瀝青路面在逐年遞增的行車荷載和“夏季濕熱多雨，冬冷嚴(yán)寒”的氣候特征的綜合作用下，出現(xiàn)了一系列路面損壞，其中以橫、縱向裂縫最為突出.

圖1 京港澳高速湖北段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

落錘式彎沉儀檢測(cè)的基本原理：通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所控制的液壓系統(tǒng)，將彎沉錘從一定高度自由落下，通過沖擊承載板傳力以脈沖荷載的形式錘擊路面，使路面在動(dòng)態(tài)荷載的作用下發(fā)生瞬時(shí)變形，分布在距離中心位置不同距離的位移傳感器檢測(cè)到路面變形后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，形成動(dòng)態(tài)荷載下的彎沉數(shù)據(jù)和彎沉盆形態(tài).落錘式彎沉儀原理見圖2.

圖2 落錘式彎沉儀檢測(cè)原理示意圖

采用7-150 kN型落錘式彎沉檢測(cè)車進(jìn)行路面彎沉檢測(cè)，落錘底面直徑為30 cm，采用一級(jí)55 kN加載.在橫向布置D0～D6共七枚傳感器，橫向傳感器布置情況見圖3.

圖3 落錘式彎沉儀傳感器橫向布置示意圖

2 瀝青路面裂縫病害表征

2.1 彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)

1) 直接彎沉指標(biāo) 直接彎沉指標(biāo)是指落錘式彎沉儀上傳感器所測(cè)得的實(shí)際位移值，符號(hào)記為Di.

2) 彎沉比、彎沉差指標(biāo) 彎沉比是指任意傳感器測(cè)點(diǎn)彎沉值與落錘中心測(cè)點(diǎn)的彎沉值比值，彎沉差是指落錘中心測(cè)點(diǎn)處彎沉值與任意測(cè)點(diǎn)處彎沉值的差值.其中，彎沉比可以有效判斷檢測(cè)點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)承載力水平；彎沉差可以很好的表征瀝青面層處荷載沿傳感器布設(shè)方向(道路橫向)的傳遞水平.彎沉比、彎沉差指標(biāo)為

Dri=Di/D0

(1)

Ddi=D0-Di

(2)

式中：Dri為彎沉比，i=1,2，…，6；Ddi為彎沉差，μm，i=1,2，…，6；D0為落錘中心測(cè)點(diǎn)處傳感器位移值，μm；Di為任意測(cè)點(diǎn)處傳感器位移值，μm.

2.2 橫縱向裂縫病害定量表征

1) 橫向裂縫處代表彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)分析 選取京港澳高速湖北段的含有橫向裂縫的3個(gè)路段(行車道)，實(shí)際路段區(qū)間與路段編號(hào)對(duì)應(yīng)換算表見表1.

表1 實(shí)際路段區(qū)間與路段編號(hào)對(duì)應(yīng)換算表

對(duì)1號(hào)路段5個(gè)測(cè)點(diǎn)處的相同位置處所測(cè)得的位移值進(jìn)行平均，得到該路段的代表彎沉盆形態(tài)，同理得到2號(hào)路段、3號(hào)路段的代表彎沉盆形態(tài)，1～3號(hào)路段的代表彎沉盆的形態(tài)曲線見圖4.

圖4 1～3號(hào)路段代表彎沉盆形態(tài)曲線圖

由圖4可知：3個(gè)路段在0號(hào)傳感器與1號(hào)傳感器之間的位移值均處于下降趨勢(shì)，且2、3號(hào)路段下降速率均顯著高于1號(hào)路段的下降速率，說明橫向裂縫病害越嚴(yán)重，測(cè)點(diǎn)周邊的路面承載力消損的越快速.

2) 縱向裂縫處代表彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)分析 選取京港澳高速湖北段的含有縱向裂縫的2個(gè)路段(行車道)，實(shí)際路段區(qū)間與路段編號(hào)對(duì)應(yīng)換算表見表2.

表2 實(shí)際路段區(qū)間與路段編號(hào)對(duì)應(yīng)換算表

對(duì)4號(hào)路段四個(gè)測(cè)點(diǎn)的相同位置處所測(cè)得的位移值進(jìn)行平均，得到該路段代表彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)，同理可得到5號(hào)路段的代表彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)計(jì)算得到的4、5號(hào)路段的彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)見圖5.

圖5 4、5號(hào)路段代表彎沉盆形態(tài)曲線圖

由圖5可知：①兩個(gè)路段的測(cè)點(diǎn)，彎沉盆在傳感器1處出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，傳感器位移值較傳感器0處迅速減小，在其他傳感器位置處，5號(hào)路段的傳感器位移值都高于4號(hào)路段的位移值，而且幅度大于橫向裂縫，說明縱向裂縫影響范圍較橫向裂縫更小，測(cè)點(diǎn)周邊的路面性能較測(cè)點(diǎn)處有明顯改善，但是5號(hào)路段的路面性能明顯比4號(hào)路段差；②傳感器6處彎沉盆變化最小，兩個(gè)路段在該位置處的位移值基本一樣，說明在不同路面狀況下，傳感器6處數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定，不同路面狀況對(duì)該點(diǎn)的影響最小；③兩個(gè)路段在0號(hào)傳感器與1號(hào)傳感器之間的位移值均處于下降趨勢(shì)，且5號(hào)路段下降速率顯著高于4號(hào)路段的下降速率，說明縱向裂縫病害越嚴(yán)重，測(cè)點(diǎn)周邊的路面結(jié)構(gòu)承載力減弱的越快速.

2.3 彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)特征分析

通過以上的分析，為準(zhǔn)確判定橫縱向裂縫對(duì)路面的損傷程度與范圍，表征裂縫位置處的彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)特征，以1～3號(hào)路段橫向裂縫的代表彎沉盆和4、5號(hào)路段縱向裂縫路段的代表彎沉盆為原始數(shù)據(jù)，確定出兩個(gè)彎沉盆特征值指標(biāo)：0處傳感器彎沉值與1處傳感器彎沉值的比值Qr1；0處傳感器彎沉值與1處傳感器彎沉值的差值Qd1；具體計(jì)算為

Qr1=D0/D1

(3)

Qd1=D0-D1

(4)

式中：Qr1為彎沉比；Qd1為彎沉差；D0為落錘中心測(cè)點(diǎn)處傳感器位移值；D1為第一個(gè)測(cè)點(diǎn)處傳感器位移值.

通過特征值Qr1的比較，可以判斷裂縫病害對(duì)路面結(jié)構(gòu)承載力的損害程度，即對(duì)測(cè)點(diǎn)周邊路面狀況的分析；Qd1特征值可以有效判斷瀝青面層處裂縫對(duì)周邊路面結(jié)構(gòu)承載力的影響范圍，即對(duì)檢測(cè)點(diǎn)位置周邊的面層結(jié)構(gòu)承載力的判定.根據(jù)橫縱向裂縫各測(cè)點(diǎn)處的代表彎沉盆指標(biāo)計(jì)算得到1～5號(hào)路段的彎沉盆幾何形態(tài)特征指標(biāo)值，見表3.

表3 1～5號(hào)裂縫路段彎沉盆特征Qr1指標(biāo)和Qd1指標(biāo)

由表3可知：

1) 總體上，橫向裂縫的彎沉盆特征指標(biāo)Qr1均位于1.4～2.1，Qd1都大于50 μm；而縱向裂縫Qr1均位于1.2～1.4，Qd1都處在20～40 μm.

2) 橫向裂縫Qr1指標(biāo)平均值為1.855，明顯大于縱向裂縫特征指標(biāo)Qr1的平均值，說明橫向裂縫對(duì)路面結(jié)構(gòu)承載力的損害程度強(qiáng)于縱向裂縫的損害程度，縱向裂縫位置處的路面承載能力更好；橫向裂縫Qd1指標(biāo)平均值為83 μm，顯著大于縱向裂縫的31 μm，說明含有橫向裂縫的瀝青面層結(jié)構(gòu)承載力明顯優(yōu)于含有縱向裂縫的瀝青面層結(jié)構(gòu)承載力.

2.4 工程實(shí)例分析

選取2018年京港澳高速湖北段橫向裂縫與縱向裂縫路段各2條，其基本信息見表4.

表4 選取驗(yàn)證路段基本信息表

在不同路段裂縫位置處各選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，按照前述方法，得到橫縱向裂縫的代表彎沉盆值，驗(yàn)證路段代表彎沉盆值見表5.

表5 驗(yàn)證路段彎沉盆特征值匯總

對(duì)上小節(jié)所取得的驗(yàn)證路段代表彎沉盆值按照前文所提出的方法進(jìn)行彎沉盆特征指標(biāo)Qr1和指標(biāo)Qd1計(jì)算，橫縱向裂縫特征值指標(biāo)見表6.

表6 驗(yàn)證路段彎沉盆特征值匯總

由表6可知：

1) 橫向裂縫的彎沉盆特征指標(biāo)Qr1都位于1.4～2.1，Qd1也都大于50 μm；而縱向裂縫Qr1均位于1.2～1.4，Qd1都處在20～40 μm，符合上文所總結(jié)的基于彎沉盆指標(biāo)的橫縱向裂縫病害表征規(guī)律.由此可知，利用彎沉盆特征指標(biāo)Qr1和Qd1來定量表征京港澳高速湖北段橫縱向裂縫路段，效果較好，可用于京港澳高速湖北段主要裂縫類型的定量表征.

2) 橫向裂縫路段的彎沉盆特征指標(biāo)Qr1平均值為1.447，明顯大于縱向裂縫指標(biāo)Qr1的平均值，說明橫向裂縫對(duì)路面結(jié)構(gòu)承載力的損害程度強(qiáng)于縱向裂縫，縱向裂縫位置處的路面承載能力較好；橫向裂縫彎沉盆特征指標(biāo)Qd1平均值為85 μm，顯著大于縱向裂縫的指標(biāo)Qd1的平均值，說明含有橫向裂縫的瀝青面層的結(jié)構(gòu)承載力狀況明顯優(yōu)于含有縱向裂縫的瀝青面層，很好的驗(yàn)證了上文的研究結(jié)果.

3) 在養(yǎng)護(hù)維修工作中，根據(jù)橫縱向裂縫的彎沉盆特征值表現(xiàn)，對(duì)橫縱向裂縫路段制定不同的維修養(yǎng)護(hù)方案.Qr1和Qd1指標(biāo)特征值都表現(xiàn)為輕度的縱向裂縫路段，分析認(rèn)為該種裂縫路段僅僅是面層出現(xiàn)的疲勞損傷，其損害程度不深，范圍不廣，維修時(shí)僅對(duì)面層進(jìn)行處置，如現(xiàn)場(chǎng)熱再生、薄層罩面等，即可起到很好的工程效果；而Qr1和Qd1指標(biāo)特征值都表現(xiàn)為重度的橫向裂縫路段，分析認(rèn)為該種裂縫是基層反射裂縫引起面層出現(xiàn)損傷，損害深度與范圍較大，維修時(shí)需對(duì)面層進(jìn)行銑刨，對(duì)基層補(bǔ)強(qiáng)后再鋪筑面層，才能達(dá)到較好的工程效果.

3 結(jié) 論

1) 通過開展裂縫病害的彎沉盆幾何形態(tài)指標(biāo)計(jì)算，系統(tǒng)構(gòu)建了裂縫類病害在路面內(nèi)部的彎沉盆特征量化指標(biāo)，采用基于彎沉盆幾何形態(tài)特征的定量表征方法，綜合分析了兩類裂縫的彎沉盆特征指標(biāo)的分布規(guī)律.

2) 彎沉盆指標(biāo)特征值對(duì)橫縱向裂縫的影響程度和范圍的正確表征，為裂縫路段結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算提供了更為準(zhǔn)確科學(xué)的分析方法，其分析結(jié)果較單純的依靠單點(diǎn)彎沉值更為可靠.

3) 在路面裂縫的養(yǎng)護(hù)維修工作中，可根據(jù)橫縱向裂縫的彎沉盆特征值表現(xiàn)來判斷裂縫對(duì)路面結(jié)構(gòu)承載力的影響程度和范圍，以此制定不同形式裂縫的維修養(yǎng)護(hù)方案，可以達(dá)到較好的工程效果.

4) 文中提出的基于彎沉盆特征指標(biāo)的橫縱向裂縫定量表征方法，合理可靠，但受限于已有的實(shí)測(cè)彎沉盆檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于不同類型路面裂縫病害的彎沉盆特征值表征的表現(xiàn)還有待進(jìn)一步研究.