肖　鑫，張起森，李　強(qiáng)

(1. 長沙理工大學(xué)　交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南　長沙　410004；2.深圳市海川實(shí)業(yè)股份有限公司，廣東　深圳　518040)

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水泥混凝土路面板底脫空評判方法研究
——以梅觀高速為例

肖鑫1,2，張起森1，李強(qiáng)1

(1. 長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙410004；2.深圳市海川實(shí)業(yè)股份有限公司，廣東深圳518040)

摘要：為準(zhǔn)確有效地評定水泥混凝土路面的脫空狀況，通過對現(xiàn)場貝克曼梁(BB)、落錘彎沉儀(FWD)、路面雷達(dá)(GPR)和鉆芯取樣檢測結(jié)果的分析和計算，并充分參考梅觀高速路面的實(shí)際情況，提出了以板角彎沉、橫縫中點(diǎn)彎沉和接縫傳荷系數(shù)3個指標(biāo)作為水泥混凝土路面脫空的判斷標(biāo)準(zhǔn)。研究表明：據(jù)此評判標(biāo)準(zhǔn)與方法判定的脫空狀況與鉆芯取樣結(jié)果基本一致，對板底脫空情況判斷的準(zhǔn)確率高達(dá)86.7%，對脫空等級判斷的準(zhǔn)確率達(dá)到80%，說明該評定方法具有較高的準(zhǔn)確度與可靠性，能夠滿足水泥混凝土路面板底脫空判別與評價的需要。

關(guān)鍵詞：道路工程；水泥混凝土路面;板角彎沉；接縫中部彎沉；接縫傳荷系數(shù)；脫空

0引言

水泥混凝土路面板底脫空現(xiàn)象較為普遍，是影響水泥混凝土路面使用壽命的重要因素之一[1-5]。脫空的出現(xiàn)對水泥混凝土路面的受力是極為不利的，特別是板角、板邊部位，在行車荷載的作用下，其受力狀態(tài)類似于懸臂梁，將產(chǎn)生過大的應(yīng)力、應(yīng)變和彎沉，嚴(yán)重影響水泥混凝土路面板的使用性能和疲勞壽命，最終導(dǎo)致路面的損壞。為了提高使用壽命，及時處治板底脫空病害就顯得尤為重要，而準(zhǔn)確地評定脫空狀況是有效處治脫空病害的關(guān)鍵。國內(nèi)外學(xué)者對板底脫空的評價主要有[6-9]：基于經(jīng)驗(yàn)的脫空檢測方法、基于貝克曼梁的方法、基于落錘式彎沉儀(FWD)的脫空檢測方法及基于探地雷達(dá)(GPS)的脫空檢測方法。而由于脫空機(jī)理十分復(fù)雜及影響因素眾多，要想準(zhǔn)確有效地評定混凝土板脫空狀況是很困難的，目前仍然缺少完備有效的評定方法?；诖耍疚囊悦酚^高速公路為依托，結(jié)合現(xiàn)場貝克曼梁(BB)、落錘彎沉儀(FWD)、路面雷達(dá)(GPR)和鉆芯取樣的檢測結(jié)果及現(xiàn)場脫空試驗(yàn)路的分析計算，提出適合梅觀高速公路板底脫空的評價方法，為類似工程選定有效的脫空評定方法提供參考。

1空檢測方法與結(jié)果分析

1.1基于貝克曼梁(BB)法的板底脫空檢測1.1.1檢測原理與方法

參照規(guī)范[10-12]規(guī)定采用5.4 m 長桿貝克曼梁在板角進(jìn)行檢測，凡彎沉超過0.2 mm的，則確定為面板脫空。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是快速簡便，現(xiàn)場即可判定，是目前國內(nèi)應(yīng)用最為普遍的方法。但除了測試手段本身所具有的缺陷外，還有 3 個主要缺點(diǎn)：限值的給定缺乏足夠的理論依據(jù)；忽視或沒有較好地考慮接縫傳荷效率對板角彎沉的影響；沒有反映不同基層類型對板角彎沉限值的影響[8]。

1.1.2檢測結(jié)果分析

每車道按照每塊板布置一個測點(diǎn)進(jìn)行檢測。上行和下行方向面板的脫空率見表1。

表1　梅觀高速公路水泥混凝土面板脫空率評價結(jié)果

注：部分板塊檢測了兩個以上的板角或接縫邊緣中部彎沉，只要有一個檢測結(jié)果滿足嚴(yán)重脫空的彎沉條件，即判斷為嚴(yán)重脫空板塊。

從表1可知，梅觀高速公路上行和下行方向板底脫空情況比較嚴(yán)重，但下行方向板底脫空狀況略好于上行方向；行車道1和行車道2(慢車道)的脫空率非常高。參考路面狀況和接縫的傳荷能力，發(fā)現(xiàn)采用貝克曼梁法評定的板底脫空率明顯偏高，與實(shí)際路面狀況顯得不符。

1.2基于落錘彎沉儀(FWD)法的板底脫空檢測

1.2.1檢測原理與方法

采用多級荷載回歸法的截距法進(jìn)行脫空判別。該方法的基本步驟為：(1)測試板角彎沉，作用荷載設(shè)定為3個級別；(2)以荷載為橫坐標(biāo)，彎沉值為縱坐標(biāo)，把對應(yīng)3個荷載級別的彎沉值標(biāo)注在坐標(biāo)圖上并進(jìn)行線性擬合，然后延長直線與坐標(biāo)軸相交(如圖1所示)；(3)如果板下支撐情況較好，延長線將穿過坐標(biāo)原點(diǎn)，或距離原點(diǎn)0.05 mm以內(nèi)。若大于0.05 mm即認(rèn)為脫空存在。通常越偏離原點(diǎn)，脫空情況越嚴(yán)重。

圖1　板底脫空判別示意圖Fig.1　Schematic diagram of judgment of void beneath slab

該方法的優(yōu)點(diǎn)是快速簡便，不需要較深的理論基礎(chǔ)，適于現(xiàn)場評定。但需要指出的是：限值0.05 mm 的制訂主要通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，忽視了路面結(jié)構(gòu)的差異，缺乏足夠的理論支持，且該方法也沒有考慮接縫傳荷效率的影響。

1.2.2檢測結(jié)果分析

選擇了5 km路面采用FWD與BB法進(jìn)行了對比檢測。根據(jù)路面狀況，分別選擇優(yōu)良、中、次不同等級的路段利用FWD進(jìn)行抽檢，抽檢頻率為每隔50 m選擇一塊板，在板角位置進(jìn)行檢測，測點(diǎn)位置與貝克曼梁的測點(diǎn)位置相同。分析得到的脫空情況如表2所示。

從表2可以看出：

(1)檢測路段的脫空率還是比較高的；

(2)FWD脫空檢測結(jié)果得到的脫空率大多遠(yuǎn)小于BB脫空檢測結(jié)果；

(3)為了對比兩種方法對脫空分析的差異，定義脫空判斷相同的板塊數(shù)與總評價板塊數(shù)之比為一致率，并用百分?jǐn)?shù)(%)表示。從表2可知上行方向有一定的相關(guān)性，而下行方向差異較大。

1.3基于路面雷達(dá)(GPR)的板底脫空檢測

1.3.1檢測原理與方法

GPR是根據(jù)雷達(dá)波的穿透性，當(dāng)雷達(dá)波穿透地層，遇到不同地層介質(zhì)時，雷達(dá)波反射的回波信號不同，從而通過接受天線獲得回波信號并處理以確定路面結(jié)構(gòu)層厚度和內(nèi)部空洞情況[13-15]，如表3所示。

表2　FWD脫空檢測路段脫空率匯總表

表3　路面雷達(dá)(GPR)法判斷板底脫空的原理

GPR法可在高速下操作(速度可達(dá)60 km/h)，工作效率高，對路面無損傷，采樣點(diǎn)數(shù)多(可連續(xù)采樣)，厚度結(jié)果的代表性強(qiáng)。但由于雷達(dá)的電磁波信號在水泥混凝土路面板中衰減很快，使得探地雷達(dá)在水泥混凝土路面脫空判別方面的應(yīng)用受到一定阻礙，而且在 GPR 的使用過程中，需要專門的軟件才能把發(fā)射信號和接收信號進(jìn)行處理[8]，這也使得大范圍推廣應(yīng)用成為一個難點(diǎn)。

1.3.2檢測結(jié)果分析

利用路面雷達(dá)對梅觀高速公路超車道混凝土板底脫空進(jìn)行檢測。檢測出的病害特征如圖2～圖4所示。

圖2　結(jié)構(gòu)層局部變形與沉陷示意圖Fig.2　Schematic diagram of local deformation and settlement of structure layer

圖3　橋頭過渡段示意圖Fig. 3　Schematic diagram of bridge end transition section

圖4　結(jié)構(gòu)層局部變形與板底脫空示意圖Fig.4　Schematic diagram of local deformation of structure layer and void beneath slab

根據(jù)路面雷達(dá)判定結(jié)果可知：

(1) 超車道的板底脫空狀況較輕，且主要集中在橋頭過渡段。上行超車道的脫空率為10.3%，下行超車道的脫空率為8.7%；

(2)與BB法檢測結(jié)果相比：①除少數(shù)幾個點(diǎn)外，采用GPR 檢測為脫空的板塊，采用BB法檢測也判斷為脫空板塊；但BB法檢測判斷為脫空的板塊，GPR 檢測卻不一定為脫空板塊。②當(dāng)BB法檢測的平均彎沉大于等于0.3時，除個別點(diǎn)外，GPR 相對應(yīng)的檢測結(jié)果為脫空。當(dāng)采用BB法檢測的板角彎沉在0.3～0.4 mm時，GPR檢測的板底脫空狀況一般為輕度脫空或中度脫空；當(dāng)彎沉大于0.4 mm時，采用GPR 檢測的板底脫空狀況一般為嚴(yán)重脫空。

2脫空現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法

根據(jù)彎沉檢測數(shù)據(jù)，初步選取30塊水泥混凝土面板進(jìn)行脫空驗(yàn)證試驗(yàn)，其中包括不脫空板、輕度脫空板、中度脫空板以及嚴(yán)重脫空板塊。采用灌漿方法通過灌漿孔往板塊灌注水泥漿，待漿液硬化后，將混凝土板和漿液芯樣取出，觀察并測量水泥混凝土板的厚度和凝固漿液厚度，根據(jù)凝固漿液的觀測情況和測量厚度判斷板底實(shí)際脫空情況。檢測結(jié)果如表4所示。

表4　鉆芯實(shí)測脫空情況

2.2試驗(yàn)檢測結(jié)果與脫空分析

注漿施工完成2周后，相繼對脫空試驗(yàn)段的30塊板進(jìn)行BB彎沉檢測、取芯量測等，BB檢測結(jié)果如表5所示，共計89個芯樣。芯樣圖片如圖5～圖8所示。根據(jù)芯樣和各板塊灌漿量的分析，確定的各板塊脫空程度如表5所示。

表5　灌漿后各板塊BB彎沉檢測結(jié)果

圖5　輕度脫空Fig.5　Mild void

圖6　中度脫空Fig.6　Moderate void

圖7　嚴(yán)重脫空Fig.7　Serious void

圖8　基層脫空Fig.8　Void of base course

從表5可以看出，檢測時由于路上行車的干擾，不可避免對彎沉讀數(shù)造成一定的影響，由于接縫彎沉的讀數(shù)大多數(shù)比較小，導(dǎo)致交通荷載對讀數(shù)的影響比較大(體現(xiàn)為彎沉差為負(fù)值)。

通過比較表4和表5可以看出：灌漿后板塊的板角彎沉和接縫平均彎沉大幅度減少。

根據(jù)對灌漿后所鉆取的芯樣分析發(fā)現(xiàn)：

(1)采用普通水泥漿液對板底脫空進(jìn)行注漿時，漿液凝固后與水泥混凝土板的黏結(jié)力比較差，要完整取得如圖7所示的包括凝固漿液層的芯樣比較困難。但可以通過觀察芯樣底部是否粘有漿液層以及觀察取芯孔底部的情況來了解水泥混凝土板底脫空的情況。

(2)梅觀高速公路大多數(shù)水泥混凝土路面板下的脫空并不是一個完全的空洞，而是基層因水的沖刷變松散后，細(xì)料被擠出而留下粗骨料的不完全空洞。

(3)部分脫空產(chǎn)生在基層下或內(nèi)部，即上部基層與水泥混凝土板緊密相連，脫空產(chǎn)生在與水泥混凝土板相連的基層下。可能是在水泥混凝土板塊施工時，水泥漿液下滲入水泥穩(wěn)定碎石基層，使得上部水泥穩(wěn)定碎石基層與水泥混凝土板緊密相連，由于路基沉陷或路面水下滲唧泥引起基層脫空。

3板底脫空判斷方法改進(jìn)

一般而言，水泥混凝土路面板的脫空大多起始于板角部位，隨后在重復(fù)荷載和動水壓力的作用下向板縫和板中心呈圓弧狀擴(kuò)展。因此，由于脫空原因，水泥混凝土面板板角和橫縫中點(diǎn)產(chǎn)生的彎沉存在一定的相關(guān)性。

當(dāng)荷載作用于板角時，根據(jù)威斯特卡德法，能夠求得板角隅作用圓面積均布荷載時的撓度近似公式，也就是采用貝克曼梁法測得的板角撓度(彎沉)為：

式中,Q為外加荷載；l為板的相對剛性半徑；x為沿板角分角線方向距角頂?shù)木嚯x；a為荷載作用圓的半徑。

考慮到BB法、FWD法與GPR法脫空評定結(jié)果的差異性，本文結(jié)合3種評定方法及其評定對比結(jié)果，并充分參考梅觀高速公路水泥混凝土路面的實(shí)際狀況，提出了以板角彎沉和橫縫中點(diǎn)彎沉作為評定脫空的指標(biāo)。水泥混凝土面板出現(xiàn)脫空時板角彎沉的臨界值取為0.28mm，此時相對應(yīng)的橫縫中點(diǎn)受荷板彎沉的臨界值為0.23mm，即當(dāng)板角彎沉≥0.28mm且板橫縫中點(diǎn)受荷板彎沉≥0.23mm時，水泥混凝土板塊就判斷為脫空。

上述方法是建立在水泥混凝土路面板塊四邊自由情形下的。實(shí)際上公路水泥混凝土路面板四周是受限的，特別是設(shè)置傳力桿和拉桿的水泥混凝土板塊。因此，對于水泥混凝土板橫縫中點(diǎn)受荷板的彎沉來說，受荷板的彎沉受接縫傳荷能力的影響：在板下支承條件相同的情況下，接縫傳荷系數(shù)越大，板橫縫中點(diǎn)受荷板的彎沉值越小。因此，在進(jìn)行水泥混凝土路面板底脫空判斷時，還必須考慮接縫傳荷系數(shù)的影響。

綜合考慮上述各種因素，本文提出了改進(jìn)的水泥混凝土路面板底脫空判斷方法：以板角彎沉為基本條件，聯(lián)合考慮板塊橫縫中點(diǎn)受荷板的彎沉值，并且橫縫中點(diǎn)彎沉臨界值應(yīng)隨接縫傳荷系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的折減，據(jù)此建立公路水泥混凝土路面板底脫空程度判斷標(biāo)準(zhǔn)和判斷方法。

4脫空判斷改進(jìn)方法實(shí)例應(yīng)用

依據(jù)上述板底脫空判斷方法，結(jié)合梅觀高速水泥混凝土板底脫空的現(xiàn)場驗(yàn)證分析結(jié)果，總結(jié)提出梅觀高速水泥混凝土板底脫空評定標(biāo)準(zhǔn)，并繪制了脫空判斷諾模圖，如圖9所示。

備注：板角彎沉在0.20～0.28 mm，橫縫中點(diǎn)彎沉在0.1～0.16 mm且接縫傳荷系數(shù)≥85%宜判斷為脫空板塊，特別是接縫傳荷系數(shù)較大時。圖9　水泥混凝土路面板底脫空判斷諾模圖(單位：mm)Fig.9　Nomogram of judgment of void beneath cement concrete pavement(unit:mm)

(1)判斷為不脫空的情形：

板角彎沉<0.20 mm；板角彎沉在0.20～0.28 mm且橫縫中點(diǎn)彎沉<0.16 mm；板角彎沉在0.28～0.40 mm且接縫傳荷系數(shù)(Kj)≤55%；其他不滿足脫空的情形。

(2)判斷為輕度脫空的情形：

板角彎沉在0.20～0.28 mm，橫縫中點(diǎn)彎沉在0.10～0.16 mm且接縫傳荷系數(shù)≥85%；板角彎沉在0.20～0.40 mm，橫縫中點(diǎn)彎沉在0.16～0.32 mm且接縫傳荷系數(shù)在55%～80%之間。

(3)判斷為中度脫空的情形：

板角彎沉在0.20～0.28 mm，橫縫中點(diǎn)彎沉≥0.23 mm且接縫傳荷系數(shù)>80%；板角彎沉在0.28～0.40 mm，橫縫中點(diǎn)彎沉≥0.32 mm,且接縫傳荷系數(shù)≤80%；板角彎沉≥0.40 mm，橫縫中點(diǎn)彎沉<0.32 mm且接縫傳荷系數(shù)>55%。

(4)判斷為嚴(yán)重脫空的情形：

板角彎沉在0.28～0.40 mm，橫縫中點(diǎn)彎沉≥0.32 mm且接縫傳荷系數(shù)>80%；板角彎沉在≥0.40 mm且橫縫中點(diǎn)彎沉≥0.32 mm；板角彎沉≥0.40 mm且接縫傳荷系數(shù)≤55%。

按照該判斷標(biāo)準(zhǔn)，對照表4所列的檢測結(jié)果進(jìn)行脫空情況評定，在進(jìn)行評定時，應(yīng)按嚴(yán)重脫空、中度脫空、輕度脫空、不脫空的判斷順序依次進(jìn)行評定。評定結(jié)果表明只有6塊板的等級判斷與灌漿驗(yàn)證結(jié)果不符，脫空情況判斷的一致率高達(dá)86.7%，脫空等級判斷一致率達(dá)到80%。由此說明改進(jìn)的脫空判斷標(biāo)準(zhǔn)適合梅觀高速公路的實(shí)際情況，進(jìn)而表明該評定標(biāo)準(zhǔn)具有較高的準(zhǔn)確度與可信度。

5結(jié)論

(1)采用目前常用的脫空檢測方法貝克曼梁(BB)、落錘彎沉儀(FWD)與路面雷達(dá)(GPR)對水泥混凝土路面的脫空情況進(jìn)行評定，3種評價方法的評定結(jié)果存在一定的差異性。

(2)采用現(xiàn)場灌漿法對路面進(jìn)行脫空驗(yàn)證試驗(yàn)，鉆取芯樣，觀察并測量水泥混凝土板的厚度和凝固漿液厚度，通過凝固漿液的觀測情況和測量厚度判斷板底實(shí)際脫空情況,把試驗(yàn)板塊分為不脫空板、輕度脫空板、中度脫空板以及嚴(yán)重脫空板塊。

(3)結(jié)合貝克曼梁(BB)、落錘彎沉儀(FWD)與路面雷達(dá)(GPR)的評定結(jié)果，并充分參考梅觀高速公路路面的實(shí)際情況，提出水泥混凝土板底脫空評定標(biāo)準(zhǔn)以板角彎沉、接縫中部彎沉與接縫傳荷系數(shù)3個指標(biāo)控制。采用該方法檢測判定的脫空狀況與鉆芯取樣結(jié)果基本一致。目前該評判標(biāo)準(zhǔn)和方法已在廣東深圳梅觀高速公路水泥混凝土板維修中得到了應(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果。

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Study of Method for Identify Void Beneath Cement Concrete Pavement Slabs：A Case Study of Meiguan Expressway

XIAO Xin1,2，ZHANG Qi-sen1，LI Qiang1

(1. School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410004,China；2. Oceanpower Industrial Co., Ltd.，Shenzhen Guangdong 518040，China)

Abstract：In order to assess the void beneath cement concrete pavement slab accurately and effectively, through analyzing and calculating the test findings discovered by on-site Benkelman beam(BB), falling weight deflectometer(FWD),ground penetrating radar(GPR) and core-drilling sample, and considering the real pavement condition of Meiguan expressway, it is put forward that slab corner deflection, transverse joint midpoint deflection and joint load-transfer coefficient are verified to be the judgment criterion for void beneath cement concrete pavement slab. The result shows that the void condition acquired by this assessing criterion and method is essentially in agreement with the result of the core drilling sample, the judgment accuracy rate of void beneath slab reached 86.7%, and the accuracy rate of void grades judgment reached 80%, proving that this evaluation method is of high accuracy and reliability, it is able to meet the needs of judgment and evaluation of void beneath cement concrete pavement slab.

Key words：road engineering; cement concrete pavement; slab corner deflection; joint midpoint deflection; joint load-transfer coefficient; void

中圖分類號：U416.216

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)04-0039-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.007

作者簡介：肖鑫(1984-)，女，湖南隆回人，博士后.(cszcgz420@sina.com)

收稿日期：2015-02-09