基于彎沉盆指數(shù)的基層破損狀況判定研究

曾金雄 劉海軍 郭志根

(廣東交科檢測(cè)有限公司 廣州 510420)

0 引 言

半剛性基層瀝青路面在通車多年后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，以開裂最為突出.改擴(kuò)建工程會(huì)進(jìn)行二次加鋪，而二次加鋪前舊路隱藏病害評(píng)估的準(zhǔn)確與否，對(duì)于加鋪后路面的路用性能和使用壽命尤為重要.文獻(xiàn)[1]是對(duì)公路的“常規(guī)體檢”，是對(duì)整條路總體使用狀況的描述，在對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均、求和后，無法體現(xiàn)局部路段的真實(shí)病害情況.因此，不適用于改擴(kuò)建這類特殊工程對(duì)“?？崎T診”的需求.

針對(duì)此類問題，Sri等[2]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彎沉盆曲線，對(duì)比了彈性層狀理論體系和有限元方法在彎沉盆確定方面的準(zhǔn)確度，表明采用兩種方法獲取的彎沉盆曲線均能有效的表征路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.Bahrani等[3]采用檢波器和加速度計(jì)測(cè)量路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部響應(yīng)，以反應(yīng)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況.李存健[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，表明2D探地雷達(dá)在地下管線識(shí)別、瀝青路面層厚確定、路面脫空檢測(cè)等方面具有高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn).羅傳熙[5]分析了3D雷達(dá)圖像在裂縫、層間黏結(jié)失效、脫空、松散與管道方面的判斷準(zhǔn)確性，表明在脫空和管道識(shí)別方面，3D雷達(dá)精度較高.王子彬等[6]提出了基于探抗法的路面結(jié)構(gòu)病害識(shí)別技術(shù),用于舊路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害識(shí)別.姚銀庫[7]采用FWD進(jìn)行了水泥板的脫空判別研究，提出了可靠的識(shí)別方法；邱麗章等[8]通過大量路段開挖，基于材料變異后彎沉判據(jù)不應(yīng)相同的考慮，提出了以一定保證率下脫空的彎沉評(píng)定判據(jù).侯蕓等[9]通過研究各層模量、厚度、脫空以及土工織物對(duì)彎沉盆形態(tài)的影響，提出了根據(jù)彎沉盆形態(tài)判別路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的判定方法.

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于基層病害的識(shí)別方法主要分為三類：①通過開挖、銑刨，確定基層的病害情況；②通過雷達(dá)掃描，識(shí)別基層的隱藏病害；③采用落錘式彎沉儀(FWD)，通過單點(diǎn)彎沉、彎沉差或者彎沉盆曲線來評(píng)價(jià).然而，開挖、銑刨工程量太大，不適用于整個(gè)工程項(xiàng)目，而雷達(dá)識(shí)別脫空精度有限，在識(shí)別厘米級(jí)以下裂縫時(shí)，難以勝任.對(duì)FWD的彎沉盆曲線進(jìn)行深入分析，是有效的方法之一.因此，本文采用數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)半剛性基層不同的開裂形式，對(duì)比分析其彎沉盆信息，準(zhǔn)確判定基層的破損狀況.

1 有限元模型

1.1 計(jì)算模型

1)模型建立 采用ABAQUS建立三維有限元模型，約定X，Y，Z分別為行車方向、橫斷面方向、深度方向.模型尺寸為X×Y=6 m×6 m，土基Z方向尺寸為6 m,其余結(jié)構(gòu)層Z方向尺寸依據(jù)路面各層實(shí)際厚度而定.計(jì)算采用SOLID45等參8節(jié)點(diǎn)單元.

2)邊界條件及層間接觸 路面結(jié)構(gòu)行車方向約束X方向位移，橫斷面方向約束Y方向位移，對(duì)土基Z方向土基底部采用固支邊界條件，約束所有自由度.

采用摩擦系數(shù)模擬各結(jié)構(gòu)層之間接觸條件，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.8.

3)荷載施加 為了便于網(wǎng)格劃分，根據(jù)面積等效原則，將FWD圓形荷載簡(jiǎn)化為矩形荷載，荷載接觸面尺寸見圖2a)，荷載尺寸單位為mm；劃分網(wǎng)格后的荷載形式見圖2b).FWD脈沖荷載見圖3，加載時(shí)間周期為30 ms，荷載峰值為0.707 MPa.

圖1 有限元模型

圖2 矩形荷載

圖3 FWD脈沖荷載時(shí)程曲線

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 路面結(jié)構(gòu)型式及材料參數(shù)

2 計(jì)算方案

2.1 模擬方案

設(shè)計(jì)了四種半剛性基層不同裂縫形式的方案，用于有限元對(duì)比模擬，見表2.

表2 有限元模擬方案

方案一為空白對(duì)照組，半剛性基層無裂縫，見圖4a)；方案二基層僅一條橫縫，將基層沿X方向兩等分，見圖4b)；方案三基層一條橫縫與一條縱縫交叉，交叉縫將基層四等分，見圖4c)；在方案三的基礎(chǔ)上，方案四繼續(xù)通過一條橫縫與一條縱縫將其中一塊四分之一板四等分，見圖4d).圖4a)～b)中的虛線為對(duì)稱軸，并非裂縫；裂縫以實(shí)線表示，見圖4c)～d).

圖4 不同基層裂縫形式

四個(gè)方案中，方案二、方案三、方案四均分別對(duì)比研究了裂縫寬度為1，5和10 mm的工況.

為表述上的簡(jiǎn)潔，基層無裂縫的工況簡(jiǎn)稱W0，僅橫縫的工況簡(jiǎn)稱Hi；基層單條橫縱縫交叉的工況簡(jiǎn)稱HZi；多條橫縱縫交叉的工況簡(jiǎn)稱HZHZi.其中，i為裂縫寬度，基層存在5 mm橫縱縫的工況簡(jiǎn)稱為HZ5，其余依次類同.

2.2 加載位置及數(shù)據(jù)提取路徑

對(duì)比研究了矩形荷載前沿與裂縫垂直面相切(見圖5a)，簡(jiǎn)稱工況1)及荷載對(duì)稱面與裂縫對(duì)稱面共面(見圖5b)，簡(jiǎn)稱工況2)兩個(gè)位置的情況.

圖5 不同荷載作用位置

工況1、工況2下路表彎沉提取路徑見圖6a)～b)，數(shù)據(jù)提取路徑1為沿矩形荷載對(duì)稱軸的短邊方向，即Y方向；路徑2為沿矩形荷載對(duì)稱軸的長(zhǎng)邊方向，即X方向，范圍為荷載作用前后2～2.5 m范圍內(nèi).

圖6 不同荷載位置下的數(shù)據(jù)提取路徑

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 路表最大彎沉對(duì)比

分別提取兩種工況、十種裂縫形式下的最大路表彎沉值，見表3.

表3 兩種工況下、十種裂縫形式的最大路表彎沉值

由表3可知：

1)隨著基層破碎板數(shù)量的增加，路表最大彎沉值呈現(xiàn)增加趨勢(shì).

2)工況1的路表最大彎沉值均大于工況2，表明荷載前沿作用于裂縫垂直面時(shí)的位置為最不利位置.

3)裂縫的寬度對(duì)路表最大彎沉值影響不大，如僅有橫縫、工況1時(shí)，裂縫寬度為1，5，10 mm下的路表最大彎沉值分別為28.0(0.01 mm)，28.1(0.01 mm)，28.3(0.01 mm)，寬度1和10 mm的路表最大彎沉差值為0.3(0.01 mm),變化幅度為1%.

4)方案3和方案4的路表最大彎沉值相差不大，如荷載邊HZ10與HZHZ10的彎沉差值為0.3(0.01 mm)，變化幅度為1%.

3.2 彎沉盆對(duì)比

荷載邊工況1、荷載中工況1下，四種計(jì)算方案下的瀝青路表彎沉盆分別見圖7、圖8.

圖7 荷載邊四種方案不同路徑的彎沉盆對(duì)比

圖8 荷載中四種方案不同路徑的彎沉盆對(duì)比

圖7、圖8可知：

1)無裂縫W0時(shí)，路徑1和路徑2的路表彎沉盆曲線基本重合，各點(diǎn)的彎沉值基本一樣.

2)在Hi計(jì)算方案下，路徑1路表各點(diǎn)彎沉普遍大于路徑2,個(gè)別點(diǎn)除外.

3)在HZi和HZHZi計(jì)算方案下，路徑1和路徑2上各點(diǎn)的彎沉相差不大，個(gè)別點(diǎn)除外.

4)荷載作用半徑0.5 m內(nèi)的局部彎沉盆曲線存在三階段特征，路徑1和路徑2下，0～0.5 m彎沉值連線均存在明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為0.1和0.3 m；以圖7 HZHZ10為例，路徑1下0～0.1，0.1～0.3，0.3～0.5 m三段的斜率絕對(duì)值分別為17.6，20.5，17.5，路徑2下該三段的斜率絕對(duì)值分別為8.8，29.7，18.2；以圖8 HZHZ10為例，路徑1下0～0.1，0.1～0.3，0.3～0.5 m三段的斜率絕對(duì)值分別為16.7，20.3，16.4，路徑2下該三段的斜率絕對(duì)值分別為6.6，29.0，16.7.0.3～0.5 m斜率絕對(duì)值最大；且荷載邊的斜率值均大于荷載中.

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)適用性

3.3.1單點(diǎn)彎沉

由表3可知：方案4較方案3而言，基層分塊明顯增加，但彎沉值基本相同，表明路表最大彎沉值不能表征基層的破碎形式.

3.3.2彎沉差

參照水泥板采取相鄰水泥板彎沉差判定脫空的方法，提取兩種工況、四種不同計(jì)算方案的兩種不同路徑的彎沉差，彎沉差的提取點(diǎn)位參照水泥板接縫傳荷能力測(cè)試方法.由圖4a)可知，以荷載邊工況1路徑1為例，A點(diǎn)為FWD荷載中心點(diǎn)，B點(diǎn)為網(wǎng)格劃分后，在路徑2的延長(zhǎng)線上與矩形短邊最鄰近的節(jié)點(diǎn)，B點(diǎn)距矩形短邊10 mm，其余點(diǎn)位提取均遵循鄰近10 mm的規(guī)則.

路徑1彎沉差的提取點(diǎn)位為0和26 mm，路徑2彎沉差的提取點(diǎn)位為0和21.05 mm，而10 mm是該范圍內(nèi)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由表4可知，采用彎沉差這一指標(biāo)無法表征基層因裂縫的破碎型式，無論是隨裂縫寬度增加，還是隨裂縫條數(shù)增加造成破碎板的增加，彎沉差無規(guī)律.

表4 兩種工況下、四種不同計(jì)算方案的兩種不同路徑的彎沉差

3.3.3彎沉盆指數(shù)

繪制兩種工況下、四種不同計(jì)算方案的兩種不同路徑的彎沉盆曲線，見圖9.

圖9 四種計(jì)算方案的彎沉盆曲線

由圖9可知：

1)相比于無裂縫狀態(tài)，基層有裂縫的彎沉都大于無裂縫狀態(tài).

2)相比于Hi，HZi在0～60 cm內(nèi)與Hi比較接近，相差不大，彎沉盆整體的變化走勢(shì)大體一致；在60～200 cm范圍內(nèi)，兩者彎沉盆有重疊的趨勢(shì).

3)相比于HZi，HZHZi在0～60 cm范圍內(nèi)，與HZi比較接近，但在60～200 cm范圍內(nèi)，兩者相差較大，HZHZi下降幅度明顯大于HZi.

4)在本文研究的裂縫寬度范圍內(nèi)，裂縫的寬度對(duì)彎沉盆基本無影響.

根據(jù)分析結(jié)論，將數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理.計(jì)算各種工況下50與60 cm處的彎沉值(分別簡(jiǎn)寫D50、D60)與10 cm處的彎沉值(簡(jiǎn)寫D10)之差，分析D60-D10、D50-D10與各種工況的相關(guān)性，計(jì)算結(jié)果見表5.

由表5可知，不論是荷載邊還是荷載中，路徑2下的D60-D10與D50-D10均隨著基層破碎塊數(shù)的增加而增加，表明D60-D10與D50-D10與基層的破碎狀態(tài)一致，但各工況下數(shù)值差別較小.而路徑1下，荷載邊和荷載中的在無裂縫時(shí)的D60-D10與D50-D10大于Hi狀態(tài)下的數(shù)值，可見路徑1下的這兩個(gè)指標(biāo)相關(guān)性不好.分析其原因，工況1下可能是因?yàn)榛鶎佑捎诹芽p的存在，使一側(cè)喪失了側(cè)向約束所致；工況2下可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)提取路徑正下方為裂縫區(qū)域所致.因此，后文僅提取路徑2下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

表5 各種工況下不同點(diǎn)位彎沉值之差計(jì)算結(jié)果 單位：0.01 mm

在此基礎(chǔ)上，考慮在實(shí)測(cè)過程中，D10的位置不易設(shè)置，將D10更改為D20，計(jì)算結(jié)果見表6.由表6可知，路徑2下D20-D60和D20-D50均隨著基層破碎塊數(shù)的增加而增加，表明D20-D60和D20-D50與基層的破碎狀態(tài)也一致，但各工況下數(shù)值差別較小.

表6 各種工況下不同點(diǎn)位彎沉值之差計(jì)算結(jié)果 單位：0.01 mm

在路徑2下，計(jì)算了D60-D180與各工況的相關(guān)性，見表7.路徑2下，荷載中D60-D180數(shù)值上的變化規(guī)律無法體現(xiàn)隨著基層破碎塊數(shù)的增加而增加的趨勢(shì)，而荷載邊D60-D180數(shù)值上的變化規(guī)律與隨著基層破碎塊數(shù)的增加而增加的趨勢(shì)保持一致.

表7 各種工況下不同點(diǎn)位彎沉值之差計(jì)算結(jié)果 單位：0.01 mm

結(jié)合上述討論結(jié)果，為了便于實(shí)測(cè)傳感器的布設(shè)，在荷載邊路徑2上的D20-D60與D60-D180兩個(gè)指標(biāo)的增加趨勢(shì)與基層破碎塊數(shù)的增加的趨勢(shì)保持一致，但數(shù)值的差異比較小.因此，提出彎沉盆指數(shù)D=(D20-D60)×(D60-D180)這一指標(biāo)，其物理意義在于，將因基層破碎分塊造成面層剛度的影響作為擴(kuò)大系數(shù)，作用于D60-D180上.計(jì)算結(jié)果見表8.

表8 各種方案下的彎沉盆指數(shù) 單位：0.01 mm×0.01 mm

由表8可知，荷載邊路徑2下的彎沉盆指數(shù)由于包含了擴(kuò)大系數(shù)，在數(shù)值上能較好的區(qū)分基層不同破碎分塊型式.可以避免實(shí)測(cè)過程中，因?yàn)檎`差區(qū)分度不足的問題.

4 實(shí)體工程驗(yàn)證

開陽高速是典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)型式，各結(jié)構(gòu)層厚度見表1.開陽高速于2003年建成通車，于2018年進(jìn)行改擴(kuò)建工程，于2020年底建成通車.在改擴(kuò)建過程中，采用了FWD彎沉盆指數(shù)D對(duì)基層病害進(jìn)行判定，并結(jié)合開挖、銑刨手段，驗(yàn)證判定方法的準(zhǔn)確性.以湛江方向AK3515+500—AK3519+600為例，間隔50 m測(cè)試，除去橋梁段，共測(cè)試了74個(gè)點(diǎn)位，F(xiàn)WD傳感器布置見表9.

表9 傳感器設(shè)置

考慮到實(shí)際工程中測(cè)試誤差，不可能與理論計(jì)算數(shù)值完全一致，因此，統(tǒng)計(jì)74個(gè)點(diǎn)位彎沉盆指數(shù)的分布情況，見表10.

表10 彎沉盆指數(shù)分布表

由表10可知，通車多年后，半剛性基層的主要病害為橫縫Hi及橫縱縫HZi，共計(jì)74%.

為驗(yàn)證結(jié)論的正確性，進(jìn)行開挖驗(yàn)證.由圖10a)可知，開挖之前，瀝青層在縱橫縫處裂縫匯集，在橫縱縫交匯點(diǎn)向下開挖，見圖b)，明顯可見橫縱縫各一條，橫縫寬度約為8 mm，縱縫寬度約為5 mm.根據(jù)彎沉盆指數(shù)D=120.8判定得到的HZ狀態(tài)與開挖后基本一致.

圖10 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

5 結(jié) 束 語

舊路面基層破損狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確與否，對(duì)于加鋪后路面的路用性能和使用壽命尤為重要.而FWD實(shí)測(cè)的單點(diǎn)彎沉值及彎沉差無法區(qū)分基層破損情況及裂縫的寬度，不能有效判定改擴(kuò)建、大修前基層的破損狀況.

通過理論分析，提出了考慮基層破碎分塊造成面層剛度下降的彎沉盆指數(shù)D=(D20—D60)×(D60—D180)這一指標(biāo)，通過荷載邊路徑2下的彎沉盆指數(shù)，可有效區(qū)分半剛性基層瀝青路面的基層破損狀態(tài).

經(jīng)實(shí)體工程驗(yàn)證，彎沉盆指數(shù)與基層破碎形式相關(guān)性較好，可為改擴(kuò)建、大修前舊路面基層破損狀態(tài)的判定提供參考和借鑒.