井周路面病害特性及平整度模型研究

趙全滿,劉瑤,吳楠,李志剛，胡文軍

(山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟南 250101)

1 前言

城市管網(wǎng)是市政設(shè)施的重要組成部分，被喻為“城市的動脈”，而檢查井是城市管網(wǎng)必不可少的重要組成部分。目前，中國大多數(shù)的檢查井為磚砌結(jié)構(gòu)，少數(shù)為水泥混凝土、塑料結(jié)構(gòu)，與周圍路面結(jié)構(gòu)及材料明顯不同，成為道路的薄弱部位。同時，在城市地下管網(wǎng)建設(shè)中，受制于其他管網(wǎng)的布置和路幅寬度的影響，有相當(dāng)數(shù)量的檢查井位于城市主干路、次干路及支路的道路范圍內(nèi)，在車輛荷載作用下病害頻發(fā)，常出現(xiàn)檢查井沉陷、井蓋斷裂及井周路面沉陷、開裂、剝落等病害。

檢查井及井周路面出現(xiàn)病害后，不僅影響了城市道路的美觀，影響市容，而且嚴重影響行車舒適性，甚至威脅行車安全，造成嚴重的交通事故。因而有必要對井周路面破壞機理展開研究，目前研究方法以病害調(diào)查和數(shù)值模擬為主。病害調(diào)查方面，分別有學(xué)者針對廣州、天津、長沙等地的檢查井及井周路面病害展開現(xiàn)場調(diào)查，劃分病害類型和等級，分析病害產(chǎn)生原因，提出相應(yīng)的防治措施；數(shù)值模擬方面，通過建立檢查井及井周路面模型，計算井周路面在車輛靜荷載作用下的拉、壓、剪應(yīng)力，揭示其破壞機理，為檢查井結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提出合理化建議。井周路面破壞后應(yīng)及時對其進行處治，目前井周路面處治技術(shù)方面，研究多集中于高性能材料及新施工技術(shù)，高性能材料包括高性能水泥修補材料、復(fù)合材料、樹脂水泥、纖維水泥混凝土等，并應(yīng)用于一些實際工程，效果良好；施工工藝方面提出了現(xiàn)澆擴大式檢查井加強圈創(chuàng)新施工技術(shù)，指出該技術(shù)可有效延長井周路面使用壽命，提高行車舒適性。目前，中國檢查井結(jié)構(gòu)多以磚砌為主，而歐美、日本、俄羅斯等發(fā)達國家90%以上的檢查井都已采用塑料預(yù)制井。與塑料預(yù)制井相比，磚砌結(jié)構(gòu)具有施工進度慢、對周圍環(huán)境影響大、井體耐久性差、井體易開裂等缺點，因而中國檢查井和井周路面破壞問題遠遠比國外嚴重得多。

研究井周路面病害時，需對以下3個方面進行探索：① 井周路面主要病害形式；② 井周路面破壞失效范圍；③ 井周路面平整度狀況及其與常規(guī)路面的區(qū)別，為獲得車輛動載特性奠定基礎(chǔ)。因而，該文采用病害調(diào)查與理論分析相結(jié)合的方法，在檢查井及井周路面病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，劃分病害類型，分析病害成因，確定井周路面破壞失效范圍，基于諧波疊加法構(gòu)建井周路面平整度模型，為車輛經(jīng)過檢查井及井周路面時車輛動載特性、行車舒適性評價、井周路面破壞機理等研究奠定基礎(chǔ)，解決井周路面行車舒適性差、易破壞的問題，有效延長道路使用壽命，提升城市整體形象。

2 檢查井及井周路面病害調(diào)查

檢查井病害發(fā)展十分迅速，2018年12月濟南市世紀大道與鳳鳴路交叉口某一檢查井完成施工，檢查井為磚砌結(jié)構(gòu)，井周路面采用冷補料，施工完成后檢查井及井周路面平整度良好。2019年3月調(diào)查發(fā)現(xiàn)，檢查井出現(xiàn)明顯沉陷，沉陷量達到5 cm，已嚴重威脅行車舒適及安全。

調(diào)查時，應(yīng)選取代表城市不同等級、不同使用年限的城市道路展開病害調(diào)查，考慮到快速路為立體交叉及控制出入，基本不布置檢查井；支路以服務(wù)功能為主，交通功能較弱，交通量較小，因而重點調(diào)查主干路和次干路。2019年3月對濟南市經(jīng)十東路(主干路，調(diào)查300處檢查井)、新濼大街(主干路，調(diào)查100處檢查井)、天辰路(次干路，調(diào)查100處檢查井)、雪山路(次干路，調(diào)查100處檢查井)展開病害調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括井周路面病害類型、病害范圍、檢查井沉陷量。病害調(diào)查前對4條道路的養(yǎng)護維修情況進行了調(diào)研，經(jīng)調(diào)研可知：經(jīng)十東路于2004年9月修建，井周路面已經(jīng)歷多次修補；雪山路2014年5月修建，2018年6月井周路面已做環(huán)形修補；天辰路、新濼大街均于2016年7月修建。

2.1 病害調(diào)查

檢查井及井周路面病害調(diào)查時，將病害分為4大類：檢查井病害、裂縫類病害、破損類病害、變形類病害。其中檢查井病害包括沉降、凸起、井蓋斷裂；裂縫類病害包括井周路面網(wǎng)裂、龜裂、塊裂和一般裂縫；破損類病害包括坑槽、松散、修補；變形類病害包括井周路面的沉陷、車轍、波浪擁包。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)：檢查井病害以沉降為主，少量的凸起，無井蓋斷裂；經(jīng)十東路300處井周路面全部進行過修補，修補材料以瀝青混凝土為主，少量為水泥混凝土材料，具體調(diào)查結(jié)果見圖1，各類病害比例見表1。

由圖1及表1可知：檢查井及井周路面病害以檢查井沉陷(或凸起)及裂縫類為主，破損類病害相對較少(30%以下)，變形類病害極少(3%以下)。結(jié)合其使用年限，發(fā)現(xiàn)所有的檢查井及井周路面均產(chǎn)生不同類型、不同程度的病害，病害發(fā)生的先后順序為：檢查井的沉降(新濼大街和天辰路已通車3年)→井周路面的開裂(雪山路已通車5年)→井周路面的沉陷(經(jīng)十東路已通車15年，且已經(jīng)全部修補過)。

圖1 濟南市道路檢查井及井周路面病害調(diào)查結(jié)果

表1 檢查井及井周路面病害類型及比例

2.2 病害范圍調(diào)查

在井周路面病害類型調(diào)查的同時，分別對4條道路進行了井周路面病害范圍的調(diào)查，病害范圍用圓形區(qū)域表示(包括井蓋)，大小以半徑r表示，若病害區(qū)域非圓形，測量其面積，將其等效為半徑為r的圓形區(qū)域，病害調(diào)查結(jié)果如圖2所示。

圖2 井周路面病害范圍調(diào)查結(jié)果

由圖2可知：雪山路91%的井周路面病害區(qū)域半徑集中于0.4～0.7 m，天辰路90%的井周路面病害區(qū)域半徑集中于0.4～0.8 m，新濼大街89%的井周路面病害區(qū)域半徑集中于0.5～0.7 m，經(jīng)十東路92%的井周路面病害區(qū)域半徑集中于0.7～1.2 m。計算平均值可知：雪山路、天辰路、新濼大街、經(jīng)十東路井周路面病害區(qū)域平均半徑分別為0.61、0.64、0.66和0.84 m。由此可見，當(dāng)?shù)缆肥褂媚晗掭^短時(天辰路、新濼大街已經(jīng)使用了3年，雪山路已經(jīng)使用了5年)，井周路面病害范圍較小，病害半徑主要集中于0.4～0.8 m，隨著路面使用年限的增加，病害區(qū)域半徑逐漸增加，而且大半徑的病害區(qū)域所占比例顯著增加。

由于經(jīng)十東路已使用15年，已達到設(shè)計使用壽命，認為井周路面病害范圍已達極限，即認為井周路面破壞區(qū)域半徑極限值為1.2 m(97%的保證率)。因而，重新定義井周路面為：以檢查井井蓋中心為圓心，1.2 m為半徑的城市道路檢查井周圍路面。

2.3 檢查井沉降量調(diào)查

對經(jīng)十東路、天辰路兩條道路各80處檢查井的沉陷量進行調(diào)查，調(diào)查時將沉降量大小區(qū)間分為0～5、5～10、10～15、15～20和>20 mm5個區(qū)間，統(tǒng)計分布于不同沉陷量區(qū)間的檢查井的數(shù)量。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，井蓋不同位置沉陷量不同，車輛先經(jīng)過的井蓋“上行”方向點沉降量往往小于車輛“下行”方向點的沉降量(示意圖如圖3所示)，導(dǎo)致路面坡度發(fā)生變化，形成坡度差[Δi=(下行點沉降量-上行點沉降量)/檢查井直徑]，檢查井沉陷量及坡度變化統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果見表2。

圖3 上、下行方向點示意圖

表2 檢查井沉陷量及坡度變化統(tǒng)計

由表2可知：檢查井沉陷量一般較小，主要集中于0～10 mm，其原因為兩條道路的井周路面沉降均被處治過，但仍有少量沉陷量>20 mm病害存在；檢查井上、下行處沉降差導(dǎo)致的坡度差Δi主要分布于-1%～1%，調(diào)查結(jié)果最大值為1.8%，最小值為-2.1%。調(diào)查分析檢查井上、下行方向點沉降差的原因為：井周路面平整度比普通路面差，當(dāng)車輛經(jīng)過井周路面時，車輛將發(fā)生明顯的振動，產(chǎn)生沖擊荷載，車輛經(jīng)過“上行”點后車輛沖擊荷載進一步加大，導(dǎo)致“下行”點沉降量加大，形成路面坡度差。

2.4 路面健康狀況及養(yǎng)護對策分析

通過對井周路面病害及檢查井沉降調(diào)查發(fā)現(xiàn)：

(1)經(jīng)十東路，井周路面總體狀況良好，其以裂縫類病害為主，僅需對相應(yīng)較寬裂縫做封縫處理，少量沉降較大的檢查井整體進行高度提升。

(2)雪山路，井周路面總體狀況不良，所有井周路面均有不同程度的裂縫，接近一半的檢查井有少量沉陷，但其平整度尚且良好，僅需對較寬的裂縫進行封縫處理。

(3)天辰路和新濼大街，井周路面總體狀況較差，井周路面開裂嚴重，檢查井沉降明顯，路面平整度總體較差，應(yīng)對病害較為嚴重的部分井周路面進行銑刨、加鋪處理，對沉降較大的檢查井進行高度提升，對較寬裂縫進行封縫處理。

2.5 病害原因分析及處治措施研究

2.5.1 原因分析

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及參考相關(guān)文獻得到檢查井及井周路面病害的原因為：

(1)檢查井及井周材料存在剛度差異。檢查井井身結(jié)構(gòu)和井周路基、路面材料類型明顯不同，剛度有所不同，相同荷載作用下其變形量不一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的差異沉降。

(2)井周路基路面壓實不足，由于檢查井結(jié)構(gòu)的存在，使得井周路基、路面材料難以壓實，密實度的不足導(dǎo)致井周材料強度差，車輛荷載作用下井周路面易于開裂。

(3)井周路面不平整，檢查井及井周路面病害導(dǎo)致的路面不平整，使得車輛經(jīng)過時產(chǎn)生較大的沖擊荷載，加速檢查井及井周路面的破壞。

(4)井圈強度不足，車輛荷載作用下易發(fā)生破壞，導(dǎo)致井蓋下沉。

(5)車輛的超載，加速了檢查井的沉降及井周路面的破壞。

2.5.2 處治措施

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，井周路面病害以井周路面開裂和檢查井沉陷為主，特提出如下處治措施：

(1)輕微裂縫類

當(dāng)井周路面產(chǎn)生裂縫后，應(yīng)及時對井周路面裂縫進行灌縫處治，以防止雨水沿裂縫進入基層及路基，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)強度降低，誘發(fā)更為嚴重的病害。可采用的灌縫材料包括：溶劑型改性瀝青、乳化瀝青、纖維瀝青、橡膠瀝青密封膠、有機硅、灌縫膠、環(huán)氧樹脂類、聚氨酯類等。

(2)塊裂、龜裂及坑槽類病害

當(dāng)井周路面出現(xiàn)塊裂、龜裂及坑槽類等較為嚴重的路面病害時，應(yīng)當(dāng)挖除井周路面，重新鋪筑新的路面材料。目前，城市道路檢查井井周路面修補材料以熱拌瀝青混凝土為主，其攤鋪和碾壓時要求具有較高的溫度，受環(huán)境影響較大。而且井周路面具有范圍小、間距大等特點，施工時混凝土溫度下降快，嚴重影響了混凝土的強度及新舊料之間的黏結(jié)，大大縮短了路面使用壽命，導(dǎo)致井周路面頻繁破壞。因而，建議井周路面采用高性能冷補材料如環(huán)氧樹脂類冷補瀝青混合料或澆筑式瀝青混凝土或快凝型水泥混凝土等材料作為井周路面的修補材料。

(3)檢查井沉降類病害

為減少檢查井沉降類病害，在路面施工及養(yǎng)護維修時應(yīng)嚴格控制井周路基、路面材料的壓實度，必要時對路基土用石灰、水泥等進行處治，或直接用碎礫石、液態(tài)粉煤灰等材料代替土以填筑井周路面，提高承載力；檢查井嚴禁采用磚砌式結(jié)構(gòu)，可采用預(yù)制式混凝土結(jié)構(gòu)或塑料檢查井等新型結(jié)構(gòu)；井圈盡量采用擴大式加強井圈結(jié)構(gòu)，或采用加筋及鋪筑土工格柵的方式提高井圈承載力。

3 井周路面平整度特性分析

根據(jù)前文病害調(diào)查結(jié)果，并考慮經(jīng)十東路作為城市主干路，交通量大，行車舒適性要求高，而且經(jīng)十東路現(xiàn)已使用了15年，歷經(jīng)多次處治，經(jīng)歷了檢查井及井周路面的所有病害，極具代表性。因而選取經(jīng)十東路為代表性道路進行平整度特性分析。分析時，對經(jīng)十東路井周路面及常規(guī)路面進行平整度測試，通過相關(guān)指標(biāo)分析評價其平整度狀況；利用諧波疊加法，構(gòu)建平整度數(shù)學(xué)模型，確定井周路面及常規(guī)路面平整度等級。

3.1 平整度狀況調(diào)查及評價

采用簡單易行的三米直尺進行平整度測試，根據(jù)井周路面定義，測試井周1.2 m范圍內(nèi)長度2.4 m的路面平整度狀況，每處檢查井測試33.3 cm，每隔10 cm用塞尺測試路面高程差，即每處井周路面測試25個點，總計測量80處檢查井，測量總長度192 m；常規(guī)路面測量時，測量距離檢查井2 m外的路面狀況，每處檢查井測量33.3 cm，每隔10 cm用塞尺測試路面高程差，即每處常規(guī)路面測量31個點，測量總長度240 m。然后分別將80處井周路面及常規(guī)路面視為連續(xù)路面，分別對其平整度狀況進行評價。目前《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準》中對路面平整度的評價主要包括3個指標(biāo)：平整度標(biāo)準差σ、國際平整度指數(shù)IRI(結(jié)合式σ=0.6IRI進行計算)、最大間隙值Δh，相關(guān)規(guī)范要求及測試計算結(jié)果見表3。

表3 平整度數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果

由表3可以看出：井周路面各項平整度指標(biāo)均不符合規(guī)范要求，而常規(guī)路面平整度狀況良好，均符合規(guī)范要求。由此可見，井周路面平整度狀況明顯比常規(guī)路面差。

3.2 路面行駛質(zhì)量評價

為評價井周路面平整度對車輛行駛質(zhì)量的影響，結(jié)合JTG 5210—2018《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準》，引入行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)對其進行評價，具體計算見式(1)，路面行駛質(zhì)量等級劃分標(biāo)準見表4。

(1)

式中：a0為系數(shù)，高速公路、一級公路取0.026，其余取0.018 5；a1為系數(shù)，高速公路、一級公路取0.65，其余取0.58。

表4 路面行駛質(zhì)量等級劃分標(biāo)準

經(jīng)十東路為城市主干路，其相關(guān)設(shè)計及計算參照一級公路，根據(jù)表3中IRI測試結(jié)果，結(jié)合式(1)可得：井周路面RQI1=4.5，路面行駛質(zhì)量等級為差；常規(guī)路面RQI2=95.2，路面行駛質(zhì)量等級為優(yōu)。由此可見，井周路面行駛質(zhì)量明顯比常規(guī)路面差。

4 井周路面平整度評價及模型的建立

路面功率譜是路面平整度的重要評價方式之一，當(dāng)把車輛視為線性系統(tǒng)時，路面功率譜密度函數(shù)結(jié)合車輛振動特性分析，可用于車輛荷載動態(tài)特性、行車舒適性評價、路面養(yǎng)護時機等問題研究。根據(jù)式(2)計算路面功率譜密度Gq(n)，按照相關(guān)標(biāo)準可將路面平整度等級分為8個等級，如表5所示(采用諧波疊加法構(gòu)建井周路面及常規(guī)路面平整度模型)。

表5 路面平整度狀況分級

(2)

式中：n為空間頻率，為波長λ的倒數(shù)；n0為空間參考頻率，為0.1 m-1；w為頻率指數(shù)，一般取2；Gq(n0)為n0條件下的功率譜密度值，根據(jù)表5取值。

由于汽車隔振系統(tǒng)的抗振作用，車輛僅對某些特定的路面空間頻率響應(yīng)較大，假定路面空間頻率上、下限為n1和n2，則：

(3)

n1和n2的確定要保證車輛以正常速度行駛時，路面平整度引起的車輛振動頻率包含汽車的固定頻率。假定車速為v(m/s)，路面平整度空間頻率為n，則車輛所受的激振頻率f=vn。若車輛的主要固有頻率為(f1，f2)，則可以反過來計算路面平整度空間頻率上、下限值，見式(4)。載重車固有頻率一般為0.7～15 Hz,車速為10～50 m/s。

(4)

ni=n1+(i-1/2)×Δn

(5)

代入數(shù)值Δn=0.001 495 m-1，由式(3)可得路面平整度的方差為：

(6)

將區(qū)間[n1,n2]劃為n個小區(qū)間，則每個小區(qū)間的中間空間頻率ni(i=1～n)處的功率譜密度函數(shù)值為Gq(ni)，用它來代替在這個區(qū)間上Gq(n)值，那么式(6)≈式(7)。結(jié)合路面功率譜密度Gq的概念，則路面平整度方差如式(7)所示。

(7)

(8)

由前文可知：Δn=0.001 5 m-1，n0=0.1 m-1，w=2，結(jié)合表3經(jīng)十東路井周路面及常規(guī)路面平整度調(diào)查數(shù)據(jù)σ分別為6.2 mm和0.6 mm，代入式(8)計算可得功率譜密度Gq(n0)分別為41.0×10-6m2/m和9.0×10-6m2/m。查表5可知，井周路面及常規(guī)路面平整度等級分別為B級和A級，可見井周路面平整度明顯比常規(guī)路面要差。

(9)

式中：x為路面水平方向距離；θi為滿足正態(tài)分布的分布于區(qū)間[0，2π]的隨機數(shù)值。

根據(jù)式(2)～(9)，結(jié)合路面平整度調(diào)查數(shù)據(jù)及路面功率譜密度計算值，利用Matlab編程計算，得到經(jīng)十東路井周路面及常規(guī)路面的平整度數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 經(jīng)十東路井周路面及常規(guī)路面平整度

由圖4可知：井周路面平整度分布于-20～20 mm，而常規(guī)路面平整度分布于-10～10 mm，井周路面平整度狀況比常規(guī)路面差得多。隨機路面數(shù)學(xué)模型獲得的路面平整度可應(yīng)用于車輛動載特性分析、行車舒適性評價等研究中。

5 結(jié)論

(1)檢查井及井周路面病害以檢查井沉陷及裂縫類為主，破損類病害相對較少(30%以下)，變形類病害極少(3%以下)。

(2)當(dāng)?shù)缆肥褂媚晗掭^短時，井周路面病害范圍較小，病害半徑一般為0.4～0.8 m，隨著路面使用年限的增加，病害區(qū)域半徑逐漸增加，而且大半徑的病害區(qū)域所占比例顯著增加,井周路面破壞范圍最大半徑為1.2 m(97%的保證率)。

(3)由于多數(shù)檢查井及井周路面養(yǎng)護及時，檢查井沉陷量一般較小，一般為0～10 mm，但仍有少量沉陷量>20 mm；檢查井上、下行處沉降差導(dǎo)致的坡度差一般為-1%～1%，最大值為1.8%，最小值為-2.1%。

(4)常規(guī)路面平整度指標(biāo)σ、IRI、Δh、RQI、Gq(n0)分別為0.6 mm、1.02 m/km、3.0 mm、95.2、9.0×10-6m2/m，路面行駛質(zhì)量為優(yōu)，平整度等級為A；而井周路面相應(yīng)指標(biāo)分別為6.2 mm、10.3 m/km、35.0 mm、4.5、41.0×10-6m2/m，路面行駛質(zhì)量為差，路面平整度等級為B，井周路面平整度狀況明顯比常規(guī)路面差。