基于PFWD的水泥路面板底脫空評定可行性研究

顧興宇, 袁青泉, 倪富健

(東南大學交通學院,江蘇 南京 210096)

在舊水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青罩面層是改善行駛性能的一種技術手段。但當水泥混凝土板底存在脫空時,荷載作用下接縫位置處加鋪層底將產生應力集中[1],加快了反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展,最終將導致瀝青加鋪層過早地開裂、破壞。因此,對于加鋪前的水泥混凝土路面,如能評判出板下脫空的位置和面積,加鋪前采取有效的修復措施,可阻止此類病害的發(fā)展。

目前主要通過測定混凝土板的彎沉來評定水泥路面是否存在脫空,常用的彎沉測試方法主要有貝克曼梁法和FWD法[2,3]。貝克曼梁法主要測試板角彎沉值,如果彎沉值或相鄰板塊間的彎沉差超過某一限值,即認為存在脫空。但是貝克曼梁在應用中存在測試步驟繁瑣、速度慢、精度和可靠度低等缺點。FWD法則是實測板邊板角彎沉,并繪制成彎沉斷面圖,當實測彎沉大于標準彎沉值時,則認為混凝土板下存在脫空。但在彎沉檢測過程中,FWD很難做到多板多測點位置的精確定位,從而導致檢測數(shù)據(jù)與實際彎沉存在差異,對后期處治工作展開造成不利影響。

手持落錘式彎沉儀(PFWD)在土基、基層和瀝青面層的檢測中已經有了較深入的研究,具有精度高、速度快、定位準確等優(yōu)點,但其在剛性路面中的應用研究還比較少。本文依托于界首-阜陽-蚌埠(簡稱“界阜蚌”)高速公路改建工程,對基于PFWD的水泥路面板脫空評定進行可行性研究。

1 PFWD彎沉檢測

1.1 PFWD簡介

手持落錘式彎學儀(RFWD)如圖 1所示,PFWD脈沖荷載作用如圖2所示。

應用PFWD對剛性路面進行彎沉檢測時,為了確保路面板彎沉對荷載響應的敏感度,將標準錘重從10 kg加大至20 kg,作用于路面的是直徑為30 cm的圓形均布沖擊荷載,荷載隨時間的變化圖式為半正弦波,作用時間為25 ms。

1.2 彎沉檢測方法

應用手持落錘式彎沉儀進行彎沉檢測包括3個步驟:板塊編號;路面彎沉測試;彎沉數(shù)據(jù)采集。鑒于檢測十分便利,為了充分了解混凝土板不同位置的脫空情況,彎沉檢測按照板中、板角(4個)和板邊(4個板邊的中點)共進行9個點的彎沉測量,如圖3所示。

圖1 手持落錘式彎沉儀(PFWD)

圖2 PFWD脈沖荷載作用

圖3 PFWD彎沉檢測

為了保證檢測數(shù)據(jù)的準確性和可靠度,應對同一點進行3～4次檢測,舍去第1次檢測的數(shù)據(jù),取余下準確數(shù)據(jù)的平均值。

2 水泥混凝土板脫空規(guī)律和評定流程

2.1 板底脫空發(fā)展一般規(guī)律

根據(jù)已有研究成果[4],不設傳力桿水泥混凝土路面板底脫空基本規(guī)律是:板角最容易脫空,沿著行車方向的前板板底脫空區(qū)小于后板;板邊脫空發(fā)展滯后于板角,并且橫向板邊脫空區(qū)大于縱向板邊;除板塊斷裂外,板中基本不脫空。

2.2 基于實測數(shù)據(jù)的脫空演化規(guī)律統(tǒng)計學驗證

界阜蚌高速水泥混凝土路面橫縫不設傳力桿,現(xiàn)場對在界阜蚌高速公路K337+400～K341+620試驗段216塊路面板進行了9個點的彎沉檢測,通過實測彎沉數(shù)據(jù)的單因素方差分析,驗證了界阜蚌高速水泥混凝土板下脫空發(fā)展的規(guī)律。

單因素方差分析是對一批試驗數(shù)據(jù)的某一影響因素的方差進行分解和分析,通過F檢驗,分析是否有系統(tǒng)誤差在起作用。單因素方差分析的數(shù)據(jù)結果有平方和(SS)、自由度(df)、方差(MS)、方差分析統(tǒng)計量(F)和方差分析的臨界值(Fcrit)。若F＜Fcrit,則認為所分析的數(shù)據(jù)來自同一正態(tài)分布母體,即沒有系統(tǒng)誤差的影響,它們之間的差異是由隨機誤差引起的;反之,則認為存在系統(tǒng)誤差,需要進一步確定該因素影響的數(shù)量大小。

(1)實測彎沉數(shù)據(jù)初步分析。根據(jù)9個測點彎沉數(shù)據(jù)統(tǒng)計出彎沉的均值和方差,見表1所列。

表1 各點平均彎沉初步統(tǒng)計分析

從表1可以看出,板中彎沉和方差都是最小的,從小到大分別為板中、板邊和板角,這說明板角最容易出現(xiàn)脫空,其次是板邊,板中脫空發(fā)生的幾率最低,即界阜蚌高速混凝土路面板底脫空發(fā)展與一般規(guī)律基本一致。

(2)板角實測彎沉數(shù)據(jù)的顯著性分析。對各板角進行單因素方差分析,分析結果見表2所列。

表2 板角彎沉單因素方差分析

由方差分析有F＞Fcrit,說明不同位置板角的脫空區(qū)域是不同的。由于3號板角和其它板角的彎沉統(tǒng)計數(shù)據(jù)相差較大,故剔除板角3,對1、7、9號板角進行單因素方差分析,結果見表3所列。

表3 1、7、9號板角彎沉單因素方差分析

表3中,F ＜Fcrit,可以認為1、7、9號板角脫空區(qū)域是一樣的,它們之間的誤差可以認為是施工因素或檢測誤差造成的。

(3)板邊實測彎沉數(shù)據(jù)的顯著性分析。同樣對216個板邊測點進行單因素方差分析,結果見表4所列。

表4 板邊彎沉單因素方差分析

從表4分析同樣表明,測點位置對板邊脫空區(qū)域的影響是不能忽略的。由初步分析可知2、8號板邊和4、6號板邊的均值和方差相近,進一步分別對2、8號板邊和4、6號板邊進行單因素方差分析,結果見表5和表6所列。

單因素方差分析得F＜Fcrit,從統(tǒng)計學角度可以認為2號和8號板邊、4號和6號板邊的脫空區(qū)域是一樣的,它們之間的差異可以看作是檢測誤差。

表5 2、8號板邊單因素方差分析

表6 4、6號板邊單因素方差分析

統(tǒng)計學驗證分析表明,界阜蚌高速公路水泥混凝土路面脫空發(fā)展演化遵循水泥混凝土板下脫空發(fā)展的一般規(guī)律,即脫空發(fā)展總體趨勢是:板角脫空—板角+橫邊脫空—板角+橫邊+縱邊脫空,板中基本不脫空。

2.3 基于PFWD的脫空評定基本步驟

根據(jù)上述脫空演化規(guī)律,可確定水泥混凝土板脫空指標的步驟如下:

(1)統(tǒng)計歸納出彎沉分布區(qū)間和變化規(guī)律,結合路面板病害情況(尤其是斷板和脫空病害),初步判斷板中脫空對應彎沉指標。

(2)利用有限元計算得到不同脫空面積下板邊和板角的彎沉值,回歸得到板邊和板角理論彎沉和脫空面積的關系式,利用回歸關系式,計算當板邊和板角脫空面積為零時的板邊和板角理論彎沉。

(3)結合PFWD測試精度,最終確定用于脫空評定的板中、板邊和板角彎沉指標。

3 路面板底脫空指標分析

統(tǒng)計分析得到板中彎沉標準,并結合路面芯樣試驗結果,在一定的路面結構尺寸下反算基層頂面的當量回彈模量,并用于板角和板邊脫空標準的理論分析,結合彎沉測試的結果,分析板邊和板角脫空的彎沉指標[5-7]。

3.1 有限元計算模型

采用大型有限元分析軟件ABAQUS建立合適的路面結構力學模型。其中,路面結構和參數(shù)模型、平面尺寸模型都是根據(jù)試驗段的調查結果,荷載模型是對PFWD脈沖荷載的模擬[8-10](見圖2)。

由于模型的平面尺寸較大,同時為了與實際路面結構受力狀態(tài)相符,模型的邊界條件[11]為:模型底部所有自由度全部約束,模型的前后端面約束X方向位移,模型的一個側面約束Y方向的位移。

本力學分析關注變量是模型的最大位移,宜采用三維8節(jié)點線性減縮積分單元(C3D8R),既能保證位移計算的精度,又能夠提高計算分析的效率。

各模型及參數(shù),如圖4所示。

圖4 有限元分析模型

3.2 板中彎沉統(tǒng)計分析

由檢測的216塊路面板板中彎沉值,統(tǒng)計出板中彎沉的分布范圍和累計頻率,如圖5所示。

圖5 板中彎沉實測數(shù)據(jù)頻率分布和累計分布

從圖5可知,95%的板中實測彎沉數(shù)據(jù)小于8×0.01 mm,而板中彎沉大于8×0.01 mm的板塊都是斷板,可初步確定板中不脫空對應彎沉為8×0.01 mm,以此為基礎通過反復試算,確定用于板邊板角彎沉分析的有限元模型。

3.3 板邊彎沉有限元計算分析

根據(jù)板中彎沉分析確定的有限元模型,計算分析了不同脫空尺寸組合下的板邊理論彎沉,見表7所列。

表7 板邊彎沉分析結果

由此得到板邊彎沉和脫空尺寸回歸關系式,相關系數(shù)大于0.966,如圖6所示。

由圖6可以看出,當板邊不脫空時,板邊理論彎沉為13.01×0.01 mm。

圖6 板邊脫空尺寸-理論彎沉關系圖

3.4 板角彎沉有限元計算分析

同理,通過有限元計算得到不同脫空尺寸組合下的板角理論彎沉,見表8所列。

表8 板角彎沉分析結果

由此得到板角彎沉和脫空尺寸回歸關系式,相關系數(shù)達到0.988,如圖7所示。從中可以看出,當板底不脫空時,板角理論彎沉為17.29×0.01 mm。

圖7 板角脫空尺寸-理論彎沉關系圖

通過板中彎沉實測及有限元模擬計算,板中、板邊和板角脫空的彎沉指標分別為8.0×0.01 mm 、13.01×0.01 mm 、17.29×0.01 mm,考慮到PFWD彎沉測試存在一定的誤差,但其總體變異系數(shù)都小于10%,最終確定板中、板邊和板角脫空的彎沉指標分別為9.0×0.01 mm、13.5×0.01 mm和18.0×0.01 mm。

4 脫空指標實測驗證

根據(jù)最終確定的脫空彎沉指標,對界阜蚌高速K337+400～K341+620試驗段其余各板進行驗證測試,共檢測434塊板,統(tǒng)計出各測點脫空的板塊數(shù)和脫空率,見表9所列。

表9 試驗段脫空統(tǒng)計表

從表9可以看出,板中基本不脫空,板角脫空最嚴重,2、8號板邊脫空較嚴重,這是符合統(tǒng)計學分析結論的,即小樣本分析結果與整體樣本分析具有一致性。因此,通過PFWD彎沉快速檢測與評定可以精確確定舊水泥混凝土路面各點的脫空彎沉指標,為脫空的準確定位與修復提供了技術支持。

5 結束語

(1)通過對界阜蚌高速水泥混凝土路面板中、板邊和板角彎沉的統(tǒng)計學驗證分析,其脫空發(fā)展程度是各不相同的,板中一般不脫空,板角最容易脫空;對于不同位置的板邊和板角,其脫空程度與行車荷載的反復作用位置和方向有密切關系。

(2)根據(jù)水泥混凝土路面的脫空規(guī)律,應用數(shù)理統(tǒng)計方法可確定出板中不脫空對應的臨界彎沉,由此確定有限元分析模型推導出板邊和板角的臨界彎沉,并通過實測彎沉大致推斷脫空面積。

(3)大樣本實測彎沉數(shù)據(jù)的驗證分析表明,基于PFWD彎沉檢測的評定方法可用于水泥混凝土路面板底脫空的快速精確評判。

[1]唐伯明.剛性路面板脫空狀況的評定與分析[J].中國公路學報,1992,5(1):40-44.

[2]JTJ 073.1-2001,公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術規(guī)范[S].

[3]張 娟,張留俊,尹利華.水泥混凝土板底脫空檢測方法研究[J].公路,2008,(7):101-103.

[4]周玉明,談至明,劉伯瑩.水泥混凝土路面脫空狀態(tài)下的荷載應力[J].同濟大學學報:自然科學版,2007,35(3):341-345.

[5]程 濤,王國體.不同脫空形式下水泥混凝土路面破壞應力分析[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2009,32(4):515-518.

[6]薛忠軍,王佳妮,張肖寧,等.動荷載作用下板底脫空對水泥板彎沉的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2009,41(4):37-41.

[7]邱麗章,王端宜.水泥混凝土路面板底脫空的彎沉判別研究[J].公路,2006,(11):5-9.

[8]姚祖康.水泥混凝土路面設計[M].合肥:安徽科學技術出版社,1999:268-302.

[9]張 寧,錢振東,黃 衛(wèi).水泥混凝土路面板下地基脫空狀況的評定與分析[J].公路交通科技,2004,21(1):4-7,21.

[10]陳 文,廖衛(wèi)東,朱繼東,等.舊混凝土路面板底脫空的有限元分析[J].武漢理工大學學報,2003,25(12):23-25.

[11]薛忠軍.舊水泥路面瀝青超薄加鋪層綜合處治技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院,2007.