基于FWD的連續(xù)配筋復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析

趙 旭 方向前

(上海城建養(yǎng)護(hù)管理有限公司 上海 201101)

良好的路面結(jié)構(gòu)承載能力是路面保持其服役性能的基礎(chǔ)，它與路表破損、平整度、耐久性等方面都存在內(nèi)部聯(lián)系[1]。在道路運(yùn)營期間，其結(jié)構(gòu)承載能力和其他性能都呈現(xiàn)下降的趨勢。通常來說，對于結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)的路段，它的其他性能衰減得也會較為緩慢，反之，對于路面結(jié)構(gòu)性能差的路段，其相關(guān)的其他性能衰變得相對較為快速[2]。

連續(xù)配筋復(fù)合式路面(CRCP)既保留了連續(xù)配筋混凝土板承載力強(qiáng)、整體性高的特點(diǎn)，還集成了瀝青混凝土層的行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，是重載交通高速公路長壽命路面結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向之一[3]。G1501上海同三段于2016年進(jìn)行了大修，采用的主要維修方案為連續(xù)配筋復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)。然而，由于繁重的交通荷載，加之降雨較多、空氣潮濕，易造成大修后路面的結(jié)構(gòu)性破壞。對于連續(xù)配筋復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)性破壞一旦產(chǎn)生，維修相當(dāng)困難，需封閉部分路段或完全中斷道路交通，對道路通行能力造成嚴(yán)重影響。

針對CRCP的特殊情況，需采取有效的手段對連續(xù)配筋復(fù)合式路面在重載交通下的路面結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢測，基于此進(jìn)行道路保養(yǎng)以使路面在使用年限內(nèi)能維持較好的服務(wù)水平，防止造成路面整體結(jié)構(gòu)的破壞。在路面設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營期間，彎沉值一直是路面結(jié)構(gòu)層承載能力的重要檢測指標(biāo)[4]。落錘式彎沉儀(FWD)這一動(dòng)態(tài)彎沉量測儀器可以快速、無損地直接量測到路段的表面彎沉盆，從而對路段結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行科學(xué)評價(jià)[5]。

1 試驗(yàn)路段概況

根據(jù)調(diào)研設(shè)計(jì)和竣工資料，全面考慮G1501上海同三段的實(shí)際情況后，初步選取了4個(gè)典型路段作為測試路段，其中路段1、2為不同類型基層和路基處治方法的連續(xù)配筋復(fù)合式路面，路段3為普通半剛性基層路面，路段4為CRCP與SMAC的過渡區(qū)。4個(gè)典型路段的路段長度及結(jié)構(gòu)類型見表1，路面結(jié)構(gòu)組合和路基處治方式見表2。

表1 典型路段特征

表2 各路段路面結(jié)構(gòu)組合

2 測試方法

于2018年10月11日對G1501上海同三段4個(gè)路段進(jìn)行了第一次動(dòng)態(tài)彎沉檢測，采用多點(diǎn)車載落錘式彎沉儀，局部測試選定的路段，測試點(diǎn)為典型路段的第二車道，每條路段長200 m，測點(diǎn)縱向布置，間距為20 m，每條路段共10個(gè)測點(diǎn)。9個(gè)傳感器距荷載中心點(diǎn)的距離分別為0，200，300，450，600，900，1 200，1 500，1 800 mm，通過9個(gè)傳感器的測試結(jié)果得到彎沉盆數(shù)據(jù)，9個(gè)傳感器編號為D1～D9，對應(yīng)的數(shù)值為d1～d9。測試采用的荷載為50 kN，荷載板半徑為15 cm。傳感器布設(shè)方案見圖1。

圖1 傳感器布設(shè)方案

3 檢測結(jié)果分析

3.1 各路段彎沉盆圖分析

FWD測定的動(dòng)態(tài)彎沉盆，包含著豐富的路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度信息。根據(jù)FWD彎沉測試數(shù)據(jù)，得到4個(gè)典型路段的彎沉盆曲線見圖2。

圖2 各路段彎沉盆曲線

比較多組數(shù)據(jù)離散程度大小時(shí)，當(dāng)組間數(shù)據(jù)測量尺度差異較大，直接用標(biāo)準(zhǔn)差來比較不太合適，此時(shí)可以用變異系數(shù)消除這種尺度影響，計(jì)算方法見式(1)。

(1)

式中：CV為變異系數(shù)，STD為標(biāo)準(zhǔn)差，Mean為平均值。

由式(1)計(jì)算得各典型路段內(nèi)部各測點(diǎn)中心彎沉d1的變異系數(shù)，見表3。

表3 各路段中心彎沉值變異系數(shù)

由表3可見，路段1變異系數(shù)最小(10.58%)，說明各測點(diǎn)離散程度較小，均勻性較好。而路段3變異系數(shù)最大(22.14%)，即SMAC各測點(diǎn)中心彎沉值離散程度較大，均勻性差?？芍狢RCP整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比SMAC要穩(wěn)定。

分別計(jì)算4個(gè)典型路段多測點(diǎn)各傳感器的平均彎沉盆值曲線，見圖3。

圖3 各路段平均彎沉盆值曲線

由圖3可知：

1) 路段1為連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，其中心彎沉值偏低，且曲線斜率較緩，可知路段1的結(jié)構(gòu)性能相對較好。

2) 路段2為連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，彎沉值整體偏小且曲線斜率較小，說明路段2的結(jié)構(gòu)性能相對最好。

3) 路段3(SMAC)的中心彎沉值較為居中，并非最低，但D2～D9的彎沉值都為最小，尤其D1與D2差值較大，推測由于面層強(qiáng)度較低，使其傳荷能力降低，故D2～D9的彎沉值較小。

4) 路段4為SMAC與CRCP的過渡段，其中CRCP結(jié)構(gòu)與路段1一致。2個(gè)路段的路基處理一致，均為注漿加固。對比路段1與路段4的平均彎沉盆圖可知，路段4的前5個(gè)傳感器值更大。原因可能是由于含有一半SMAC，加上2種路面的不連續(xù)過渡使得路段4的彎沉值普遍偏大，強(qiáng)度偏低，但2個(gè)路段的路基強(qiáng)度則較為一致。

3.2 各路段彎沉盆參數(shù)分析

3.2.1中心彎沉值

表4 各路段中心彎沉平均值

3.2.2表面曲率指數(shù)

觀察圖2可知，與其他4個(gè)路段相比，路段3的d1與d2差值(表面曲率指數(shù))較大，而該值主要反映面層模量，表面曲率指數(shù)越大，面層模量越小，反之則越大。表面曲率計(jì)算方法見式(2)。

SCI=d1-d2

(2)

由式(2)計(jì)算得各路段各測點(diǎn)的表面曲率指數(shù)(SCI)的平均值見表5。

表5 典型路段表面曲率指數(shù)平均值

由表5可見，路段4的表面曲率指數(shù)最大(12.71 μm)。說明由于半剛性基層瀝青路面的面層厚度、基層材料組合及路基處理的區(qū)別，使得路段3反映出來的面層模量較低，路段4由于有一半為半剛性基層瀝青路面，因此其表面曲率指數(shù)次之(10.73 μm)。4個(gè)路段的面層模量從小到大依次為：路段3<路段4<路段1<路段2。

3.2.3基層損壞指數(shù)

考慮到測試路段基層的差異性，計(jì)算各典型路段的基層損壞指數(shù)，其計(jì)算方法見式(3)。

BDI=d3-d4

(3)

各典型路段的基層損壞指數(shù)(BDI)的平均值見表6。由該表可知路段3的基層損壞指數(shù)最大(4.39 μm)，路段2最小(2.69 μm)。故可知路段3(半剛性基層)的基層強(qiáng)度較差，而路段2(連續(xù)配筋混凝土基層)的基層強(qiáng)度相對最高。4個(gè)路段的基層強(qiáng)度從小到大依次為：路段3<路段4<路段1<路段2。

表6 典型路段基層損壞指數(shù)平均值

3.3 2次檢測結(jié)果對比分析

于2019年7月20日對G1501上海同三段4個(gè)路段進(jìn)行了第二次動(dòng)態(tài)彎沉檢測，測試設(shè)備及測試方案與第一次檢測一致。繪制第二次測試的各路段平均彎沉盆見圖4，求得2次檢測各路段在各測點(diǎn)的彎沉差值見表7，其中彎沉差值為第二次檢測值減去第一次檢測值。

圖4 第二次檢測各路段平均彎沉盆圖

表7 2次檢測各測點(diǎn)彎沉差值

對比圖3和圖4，并結(jié)合表7可知：

2) 就面層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而言，2次檢測結(jié)果也較為一致，根據(jù)路段平均面層曲率指數(shù)SCI，面層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度從大到小依次為：路段2>路段1>路段4>路段3。

3) 就基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而言，2次結(jié)果有所區(qū)別，根據(jù)路段平均基層損壞指數(shù)BDI，第一次基層強(qiáng)度從大到小依次為：路段2>路段1>路段4>路段3，而第二次基層強(qiáng)度從大到小依次為：路段2>路段1>路段3>路段4，說明在9個(gè)多月的時(shí)間跨度下，路段4的基層損壞相對較為嚴(yán)重。

4) 就彎沉值及彎沉盆參數(shù)本身而言，第二次測試的彎沉值和彎沉盆參數(shù)總體上來看比上次檢測結(jié)果有所提高，說明在時(shí)隔9個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所降低。CRCP的d1彎沉值增加幅度較低，說明CRCP結(jié)構(gòu)性能較為穩(wěn)定，而路段3的d1彎沉值增加較為明顯，即SMAC在運(yùn)營期間，結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度相對降低得較快。

4 結(jié)語

對G1501上海同三段的4個(gè)路段做了2次動(dòng)態(tài)彎沉測試，通過彎沉盆圖及彎沉盆參數(shù)分析可得出以下結(jié)論：

1) 4個(gè)路段內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的均勻性為路段1>路段2>路段4>路段3，即CRCP整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比SMAC穩(wěn)定。

2) 路段1和路段2彎沉值整體偏小且曲線斜率較小，說明CRCP的結(jié)構(gòu)性能相對較好；路段3的表面曲率指數(shù)較大，即面層強(qiáng)度較低。推測由于SMAC的面層厚度、基層材料組合及路基處理的區(qū)別，使得SMAC反映出來的面層模量較低；路段4為SMAC與CRCP的過渡段，其中SMAC結(jié)構(gòu)與路段1一致。由于存在SMAC以及2種路面結(jié)構(gòu)的不連續(xù)過渡使得路段4的彎沉值普遍偏大，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低。

3) 根據(jù)2次動(dòng)態(tài)彎沉測試結(jié)果，CRCP結(jié)構(gòu)性能較為穩(wěn)定，而SMAC在運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度降低得相對較快。未來可通過持續(xù)跟蹤檢測對比研究連續(xù)配筋復(fù)合式路面與半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能的演變規(guī)律。