陳 劍，李新凱，彭 鵬，馮德成

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院, 北京 100088)

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水泥路面接縫傳力桿偏差檢測(cè)及對(duì)比分析

陳 劍1，李新凱1，彭 鵬2，馮德成1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院, 北京 100088)

為了研究水泥路面接縫傳力桿各種偏差狀況，本文采用德國(guó)生產(chǎn)的MITSCAN2設(shè)備在黑龍江省北安至黑河高速公路的6個(gè)典型路段，共進(jìn)行了142條接縫傳力桿偏差狀況的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)據(jù)采集工作。依據(jù)美國(guó)和加拿大制定的傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)與美國(guó)伊利諾伊州兩條公路實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：我國(guó)的DBI施工工藝尚處于起步階段，傳力桿偏差控制工藝需要提高；我國(guó)水泥路面?zhèn)髁U偏差類型主要包括：水平移動(dòng)、水平偏轉(zhuǎn)、豎向移動(dòng)、豎向偏轉(zhuǎn)、縱向移動(dòng)5種類型；水平移動(dòng)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平為1.8%，而豎向偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平高達(dá)15.8%。

道路工程；水泥路面；技術(shù)措施；傳力桿偏差；接縫

0 引言

接縫傳荷能力對(duì)水泥混凝土路面使用性能有著重要影響，橫縫處設(shè)置傳力桿能夠明顯提高板間傳荷能力，降低板邊和板角處豎向變形，從而延緩錯(cuò)臺(tái)發(fā)展速度，保證水泥路面的長(zhǎng)期使用性能。國(guó)外一些現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果也表明，接縫設(shè)置傳力桿后，水泥路面錯(cuò)臺(tái)和板角的開(kāi)裂率都能夠明顯降低[1-3]。

近幾年我國(guó)開(kāi)始將傳力桿布設(shè)到重載交通水泥路面橫向縮縫位置，由于傳力桿自動(dòng)植入設(shè)備(Dowel Bar Inserter)能夠明顯提高施工效率，DBI方法2006年在廣東省首先應(yīng)用，目前DBI方法是我國(guó)水泥路面接縫傳力桿主要采用的施工工藝。然而，在施工過(guò)程中由于多種因素的影響，傳力桿并不能準(zhǔn)確達(dá)到理想的設(shè)計(jì)位置，導(dǎo)致傳力桿偏差的發(fā)生[4-6]。

因此，很多研究開(kāi)始分析偏差的傳力桿對(duì)路面使用性能的影響。例如，Yu 等人在1998年通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)傳力桿偏差發(fā)生后對(duì)路面使用性能有著較大影響[1]。2005年，Lechner等人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)傳力桿埋入深度<5 cm時(shí)，接縫傳荷能力將明顯降低，>10 cm時(shí)對(duì)接縫傳荷影響較小[7]。Leong等人在2006年通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)傳力桿豎向和水平偏轉(zhuǎn)對(duì)接縫處的剝落病害有著重要影響[8]。隨著傳力桿在我國(guó)接縫水泥路面的廣泛應(yīng)用，我國(guó)研究者也開(kāi)始關(guān)注傳力桿偏差問(wèn)題，2009年蔡海斌通過(guò)有限元模型分析了傳力桿偏差后對(duì)界面應(yīng)力和傳荷能力的影響[9]；2011年彭鵬，田波等人通過(guò)室內(nèi)拔出和重復(fù)彎曲試驗(yàn)分析了不同偏轉(zhuǎn)程度的傳力桿工作性能狀況[10]。

上述分析表明，傳力桿偏差程度已經(jīng)成為影響水泥路面板間傳荷能力變化的關(guān)鍵因素。因此，為了降低傳力桿偏差的不利影響，研究人員開(kāi)始針對(duì)傳力桿偏差的允許范圍進(jìn)行研究。例如，2001年Lev Khazanovich等人在美國(guó)明尼蘇達(dá)州交通部支持下通過(guò)有限元和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析了傳力桿偏差的可接受范圍[11]。2006年，Milind L. Prabhu等人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)總結(jié)了傳力桿偏差控制的建議值[12]。同時(shí)，許多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始頒布相應(yīng)的傳力桿偏差控制指南，例如2007年，F(xiàn)HWA美國(guó)聯(lián)邦公路管理局在多個(gè)工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)[13]；2013年，美國(guó)水泥路面協(xié)會(huì)ACPA針對(duì)DBI設(shè)備的廣泛應(yīng)用，提出了DBI植入傳力桿的偏差控制標(biāo)準(zhǔn)[14]。

雖然傳力桿植入工藝DBI已經(jīng)在我國(guó)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，然而，關(guān)于我國(guó)的傳力桿偏差狀況尚缺少實(shí)際數(shù)據(jù)分析。為此，本文采用德國(guó)生產(chǎn)的專門用于傳力桿三維定位檢測(cè)分析的MITSCAN2設(shè)備對(duì)北黑高速公路典型路段(108條接縫)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，基于美國(guó)ACPA的傳力桿偏差控制指南進(jìn)行評(píng)估分析，并與美國(guó)伊利諾伊州的兩條路段的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果(23條接縫)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 傳力桿偏差類型

傳力桿偏差主要在以下兩個(gè)過(guò)程產(chǎn)生，一是傳力桿在施工過(guò)程；二是路面在使用過(guò)程中。施工過(guò)程中傳力桿偏差是目前的主要原因，路面使用過(guò)程中產(chǎn)生的偏差主要是由于接縫處在外部環(huán)境和荷載作用下導(dǎo)致傳力桿松動(dòng)發(fā)生而形成的偏差。

1986年，美國(guó)學(xué)者Tayabij針對(duì)傳力桿偏差問(wèn)題，將其劃分為5種類型[15]，如圖1所示。

圖1 傳力桿偏差的5種類型Fig.1 Five types of dowel bar deviation

由圖1可以看到，傳力桿偏差的5種類型分別是：(1)水平偏轉(zhuǎn)；(2)水平移動(dòng)；(3)豎向偏轉(zhuǎn)；(4)豎向移動(dòng)；(5)縱向移動(dòng)。需要說(shuō)明的是，傳力桿施工過(guò)程中發(fā)生的偏差是5種基本偏差類型的組合。

2 傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)在水泥路面施工過(guò)程中對(duì)傳力桿的位置也提出了具體要求，但僅規(guī)定了傳力桿的偏斜誤差，并沒(méi)有提出其他類型的傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)[14]。目前，美國(guó)和加拿大關(guān)于傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)的研究較多，相應(yīng)的技術(shù)協(xié)會(huì)也提出了不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如加拿大安大略省2006年頒布了傳力桿偏差的控制指標(biāo)，隨著DBI施工工藝在美國(guó)的廣泛應(yīng)用，美國(guó)水泥路面協(xié)會(huì)ACPA在2013年提出了針對(duì)DBI工藝的傳力桿偏差控制指南[16]，如表1所示。

表1 中國(guó)、加拿大和美國(guó)關(guān)于傳力桿偏差控制指標(biāo)

由表1可以看到，兩種方法的主要差別是關(guān)于縱向移動(dòng)的控制指標(biāo)有差別，同時(shí)兩種方法都沒(méi)有給出水平移動(dòng)偏差的控制指標(biāo)，這主要是已有研究表明水平移動(dòng)偏差對(duì)水泥路面接縫行為的影響并不明顯，因此在評(píng)估接縫傳力桿偏差時(shí)都忽略了該種偏差類型。參照表1中的兩種偏差控制指標(biāo)，本文給出了所采用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 本項(xiàng)目采用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

自從傳力桿應(yīng)用以來(lái)，研究者開(kāi)始嘗試用不同的檢測(cè)方法來(lái)獲得傳力桿位置，例如回彈信號(hào)、鋼筋定位儀、探地雷達(dá)等，然而這些方法均不能準(zhǔn)確提供傳力桿的三維空間位置并給出偏差量值。2001年，德國(guó)針對(duì)傳力桿的三維位置檢測(cè)，將電磁斷層掃描技術(shù)用于傳力桿偏差檢測(cè)，獲得了較好的效果，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備MITSCAN2，該設(shè)備不僅能檢測(cè)現(xiàn)有水泥路面，甚至可以檢測(cè)新澆注水泥路面中的傳力桿位置[12]。2003年，lev Khazanovich等人第一次應(yīng)用MITSCAN2檢測(cè)了美國(guó)加利佛尼亞州的水泥路面?zhèn)髁U狀況[17]，美國(guó)聯(lián)邦公路局對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了評(píng)估，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖對(duì)MITSCAN2設(shè)備的檢測(cè)精度進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)豎向誤差滿足±3 mm，水平向誤差滿足±2 mm，因此認(rèn)為該設(shè)備能夠獲取傳力桿的準(zhǔn)確位置[18]。2006年，Shabbir Hossain等人在美國(guó)弗吉尼亞州進(jìn)行了應(yīng)用，認(rèn)為該設(shè)備具有界面友好、檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[19]。上述應(yīng)用表明，在傳力桿偏差檢測(cè)方面，MITSCAN2設(shè)備是唯一的能夠獲取傳力桿空間位置，并給出相應(yīng)5種偏差類型的設(shè)備，因此本文中也采用該設(shè)備完成了黑龍江省北安至黑河高速公路(北黑高速公路)接縫傳力桿偏差的檢測(cè)。

北黑高速公路是黑龍江省修筑的第一條縮縫均布設(shè)傳力桿的水泥路面，傳力桿的植入方式采用DBI工藝。采用MITSCAN2設(shè)備共計(jì)完成了6個(gè)典型路段(每個(gè)路段約1 km)的142條接縫傳力桿偏差檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及程序輸出結(jié)果如圖2所示。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

依據(jù)本文提出的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳力桿偏差檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，6個(gè)典型路段傳力桿的水平偏轉(zhuǎn)、豎向偏轉(zhuǎn)、縱向移動(dòng)和豎向移動(dòng)偏差分布如圖3所示。

由圖3可以看到，6個(gè)路段傳力桿的主要偏差各有不同，總體來(lái)看豎向偏轉(zhuǎn)在6個(gè)典型路段中都比較嚴(yán)重，個(gè)別路段的豎向偏轉(zhuǎn)偏差>25 mm的比例達(dá)到了80%左右，豎向移動(dòng)偏差也較為嚴(yán)重，路段3和路段4的傳力桿偏差狀況最為嚴(yán)重。

5 對(duì)比分析

美國(guó)伊利諾伊州兩個(gè)水泥路面路段的23條接縫也是采用該設(shè)備進(jìn)行的傳力桿檢測(cè)，這里采用本文的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)北黑高速和美國(guó)伊利諾伊州的接縫傳力桿偏差進(jìn)行了匯總，如圖4～圖8和表3所示。

由圖4～圖8和表3的對(duì)比可以得到如下結(jié)論：

(1)與國(guó)外高質(zhì)量施工水平相比，DBI施工工藝在我國(guó)尚處于起步階段，傳力桿偏差控制工藝需要提高。

(2)水平移動(dòng)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平，在美國(guó)和北黑高速比例分別是0%和1.8%，說(shuō)明DBI工藝能夠較好控制水平移動(dòng)偏差。

圖2 MIT Scan-2在北黑高速的應(yīng)用Fig.2 MIT Scan-2 applied in Beian-Heihe expressway

圖3 6個(gè)典型路段的傳力桿偏差檢測(cè)結(jié)果分布Fig.3 Dowel deviation detection result of 6 typical sections

圖4 北黑高速和美國(guó)伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對(duì)比(水平移動(dòng))Fig.4 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(horizontal movement)

圖5 北黑高速和美國(guó)伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對(duì)比(縱向移動(dòng))Fig.5 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(longitudinal movement)

圖6 北黑高速和美國(guó)伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對(duì)比(豎向移動(dòng))Fig.6 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(vertical movement)

圖7 北黑高速和美國(guó)伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對(duì)比(水平偏轉(zhuǎn))Fig.7 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(horizontal deflection)

圖8 北黑高速和美國(guó)伊利諾伊州接縫傳力桿偏差對(duì)比(豎向偏轉(zhuǎn))Fig. 8 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beihei-expressway and US Illinois highway(vertical deflection)

(3)縱向移動(dòng)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國(guó)和北黑高速分別是1.1%和5.6%，不可接受水平和可接受水平之間比例分別是12.4%和29.3%，傳力桿縱向移動(dòng)和切縫位置密切相關(guān)，因此可以通過(guò)切縫位置控制降低這部分偏差。

(4)豎向移動(dòng)偏差方面美國(guó)和中國(guó)有著較大的差別，兩者不可接受水平分別為0.8%和2.9%，但兩者在不可接受和可接受水平之間比例分別為3.8%和41.3%，圖6顯示在北黑高速豎向移動(dòng)偏差為正值(25～66 mm)比例達(dá)到了39.8%，由該設(shè)備測(cè)量原理可知，偏差為正值主要是由于實(shí)際板厚大于設(shè)計(jì)板厚導(dǎo)致，對(duì)于路面使用性能是有益的。

表3 北黑高速與美國(guó)Illinois州公路傳力桿偏差分布對(duì)比

(5)水平偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國(guó)和北黑高速分別為2.2%和33.8%，兩者之間存在著較大差別，原因尚不明確。

(6)豎向偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國(guó)和北黑高速分別為8.2%和15.8%，不可接受和可接受水平之間的比例分別為17.3%和34.3%，說(shuō)明無(wú)論在我國(guó)還是在美國(guó)，傳力桿的豎向偏差都是比較嚴(yán)重的，也是DBI施工過(guò)程中難以控制的，應(yīng)該加強(qiáng)該方面的研究。

6 結(jié)論

傳力桿偏差控制是接縫水泥路面施工過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，隨著DBI方法近幾年在我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用，傳力桿偏差狀況尚不清楚。因此，本文采用MITSCAN2設(shè)備對(duì)黑龍江省北黑高速公路的典型路段傳力桿偏差狀況進(jìn)行了檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)在我國(guó)傳力桿偏差問(wèn)題較為嚴(yán)重，尤其是豎向移動(dòng)和豎向偏轉(zhuǎn)兩種偏差類型。同時(shí)與美國(guó)伊利諾伊州兩條公路實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示我國(guó)在水泥施工過(guò)程中的傳力桿偏差控制方面存在較大差距，除了水平移動(dòng)偏差外，我國(guó)的其他類型偏差都較為嚴(yán)重。

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Detection and Comparative Analysis of Deviation of Cement Pavement Joints

CHEN Jian1, LI Xin-kai1, PENG Peng2, FENG De-cheng1

(1. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150090, China;2 . Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

In order to investigate the deviation status of joint dowel bar in cement pavement, by employing Germany MITSCAN2 equipment in 6 typical sections of Beian-Heihe expressway in Heilongjiang Province, the field test and data acquisition on 142 joint dowel bars are conducted. Then, the test data are analyzed and evaluated according to the control standards of dowel bar deviation proposed by United States and Canada, and the evaluation result is compared with the actual test data of 2 highways in Illinois, US. The test result shows that the DBI construction technology in China is still in the initial stage, and the deviation control technology of dowel bars needs to be improved. The main types of deviation of the cement pavement dowel bars in China include horizontal movement, horizontal deflection, vertical movement, vertical deflection, and vertical movement. Horizontal movement could result in the unacceptable level of 1.8%, and the vertical deflection could cause the unacceptable level as high as 15.8%.

road engineering; cement pavement; technical measure; dowel bar deviation; joint

2015-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108140)；黑龍江省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(HLJJT-2011-009)

陳劍(1980-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生.(chenjian462@sina.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.010

U416.21

A

1002-0268(2016)12-0062-06