周智密 杜榮耀 馮明珠

摘要：針對(duì)廣西某高速公路水泥混凝土路面整體路況較好，但部分路段出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)喟宓默F(xiàn)象，文章通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)路況調(diào)查、鉆芯、FWD檢測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)等方法研究該段高速公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中混凝土路面板應(yīng)力變化情況，結(jié)合收集的歷史養(yǎng)護(hù)資料及交通量數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)有規(guī)范和文章提出面板實(shí)際尺寸法進(jìn)行疲勞壽命可靠度分析，同時(shí)根據(jù)面板的極限斷裂強(qiáng)度分析部分路段出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)喟宓脑颉＝Y(jié)果表明：采用面板實(shí)際尺寸進(jìn)行疲勞分析的結(jié)果符合路面實(shí)際狀況，面板碎裂的主要原因是超重車(chē)和溫度梯度共同作用所致。

關(guān)鍵詞：高速公路;混凝土路面;疲勞壽命;標(biāo)準(zhǔn)軸次;荷載應(yīng)力;溫度梯度

Regarding the problem of good overall road condition of cement concrete pavement of an expressway in Guangxi，but severe broken in some road sections，this article studies the concrete pavement slab stress changing situation during the operation of this expressway section through onsite road condition investigation，core drilling，F(xiàn)WD inspection and indoor test，then，combined with the historical maintenance data and traffic volume data being collected，it conducts the fatigue life reliability analysis by actual panel dimension method proposed by the existing specifications and articles，and analyzes the reasons for severe broken of some road sections according to the ultimate fracture strength of the panel.The results show that the fatigue analysis results by actual panel dimensions are in line with the actual pavement conditions，and the main reason for panel fragmentation is the combined action of overweight vehicle and temperature gradient.

Expressway;Concrete pavement;Fatigue life;Standard axis;Load stress;Temperature gradient

0 引言

1997—2007年期間，廣西修建高速公路大量采用水泥混凝土路面。這些早期修建的水泥路面隨著使用年限的增加及超載車(chē)輛的不斷增加，已經(jīng)出現(xiàn)大面積的破損，基層和路基不斷軟化，表現(xiàn)為板底地基（基層頂面）模量和橫縫傳荷能力不斷降低，導(dǎo)致板底荷載應(yīng)力不斷增大，路面疲勞損耗不斷累積，剩余壽命不斷減少。為了及時(shí)掌握路面剩余壽命，便于合理安排養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高速公路水泥混凝土路面的剩余使用壽命的預(yù)測(cè)做了相關(guān)研究，如唐伯明（1996）、夏建廣和蘇衛(wèi)國(guó)（2002）、彭前程（2006）等學(xué)者對(duì)于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)提出的主要方法是：鉆芯檢測(cè)厚度和強(qiáng)度，采用FWD檢測(cè)估算基層頂面模量、板底脫空和橫縫傳荷系數(shù)，進(jìn)而估算路面疲勞性能。還有一些研究人員如寇雅楠和翁中興（1997）、周文獻(xiàn)（2006）等應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等技術(shù)預(yù)測(cè)水泥混凝土路面使用性能。但這些都沒(méi)有對(duì)通車(chē)以來(lái)的累積疲勞損耗進(jìn)行分析，因而無(wú)法估算剩余壽命。因此，應(yīng)該結(jié)合路面結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素對(duì)混凝土路面病害的形成進(jìn)行深度分析，預(yù)測(cè)病害發(fā)展規(guī)律，提出適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，做到針對(duì)性、系統(tǒng)性地提出路面病害綜合處治的成套養(yǎng)護(hù)對(duì)策。

本文依托廣西區(qū)內(nèi)某高速公路水泥混凝土路面進(jìn)行研究，該路段路基寬度為26 m，雙向四車(chē)道，26 cm厚C35水泥混凝土面層，59 cm水穩(wěn)基層。通過(guò)研究該段高速公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中混凝土路面板應(yīng)力的變化，計(jì)算路面疲勞壽命可靠度和極限斷裂強(qiáng)度，并與路面實(shí)際技術(shù)狀況進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)依據(jù)及方案

1.1 評(píng)價(jià)依據(jù)

本文依據(jù)的主要規(guī)范規(guī)程如下：

（1）部頒《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40-2011）;

（2）部頒《公路水泥路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ073.2-2001）;

（3）部頒《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2004）;

（4）部頒《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG H20-2007）;

（5）部頒《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60-2008）;

（6）部頒《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H10-2009）;

（7）部頒《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）。

1.2 試驗(yàn)檢測(cè)方案

首先收集歷年養(yǎng)護(hù)資料、現(xiàn)場(chǎng)全線初步調(diào)研路況，然后確定檢測(cè)路段、檢測(cè)內(nèi)容和檢測(cè)方法。本文選取5個(gè)典型路段（涵蓋填方路基、挖方路基和填挖交接段）進(jìn)行檢測(cè)，詳見(jiàn)表1。同時(shí)選取斷面收集交通量數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，采用現(xiàn)有規(guī)范及課題自主創(chuàng)新的計(jì)算方法進(jìn)行路面疲勞壽命可靠度驗(yàn)證，最后結(jié)合極限斷裂強(qiáng)度分析部分路段出現(xiàn)斷板的原因。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果

2.1 路況調(diào)查結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了解路段的基本情況，該路段整體基數(shù)狀況較好，但是部分路段有嚴(yán)重的斷板及橫縫病害。

2.2 交通量調(diào)查結(jié)果

查閱歷史資料可知，該路段2010—2015年日均交通量從5 000多輛上升到7 300輛左右，且在這些通行車(chē)輛中，貨車(chē)占據(jù)了75%的比例，為此我們僅統(tǒng)計(jì)貨車(chē)數(shù)據(jù)。根據(jù)收費(fèi)站記錄，出站前每輛貨車(chē)總重和單個(gè)軸重得到通過(guò)該路段的最大軸重為263 kN，每輛貨車(chē)平均換算標(biāo)準(zhǔn)軸次按458次計(jì)，最后根據(jù)歷年統(tǒng)計(jì)的路段的貨車(chē)交通量計(jì)算歷年累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次（η=0.2），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表2，該表中累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)用于后續(xù)第4節(jié)分析路面累積疲勞損耗。

2.3 鉆芯取樣

根據(jù)路況調(diào)查，分別選取路面狀況良好、路況較差及更換新板路段進(jìn)行鉆芯取樣，分別在舊板和更換新板的慢車(chē)道右輪跡處鉆取芯樣。29個(gè)芯樣完整，且芯樣平均厚度為242～264 cm，其中更換新板的厚度小于舊路面設(shè)計(jì)厚度。

2.4 混凝土芯樣強(qiáng)度

鉆取的典型芯樣切割兩端后，根據(jù)相應(yīng)要求檢測(cè)芯樣劈裂強(qiáng)度，換算彎拉強(qiáng)度和彎拉模量。本工程設(shè)計(jì)面板混凝土彎拉強(qiáng)度為5 MPa，而檢測(cè)的5個(gè)路段車(chē)道中，所有路段車(chē)道的芯樣換算彎拉強(qiáng)度代表值均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 基層頂面模量

針對(duì)選取的5個(gè)路段分別檢測(cè)慢車(chē)道舊板、新板中的FWD彎沉值，根據(jù)板中FWD彎沉值，計(jì)算板底的基層頂面模量。結(jié)果顯示5個(gè)FWD檢測(cè)路段中，4個(gè)路段僅檢測(cè)完好舊板塊;1個(gè)路段檢測(cè)完好舊板和新板。慢車(chē)道舊路面基層頂面平均模量為338～777 MPa，代表值為131～561 MPa;慢車(chē)道新板的基層頂面模量平均值為399 MPa，代表值為250 MPa。

2.6 舊混凝土板橫縫傳荷系數(shù)

本文采用現(xiàn)行水泥路設(shè)計(jì)規(guī)范的傳荷系數(shù)定義計(jì)算5個(gè)檢測(cè)路段慢車(chē)道的橫縫傳荷等級(jí)，其中3個(gè)路段為中等以下，占60%，表明該路段目前橫縫傳荷能力不良。

3 路面疲勞壽命可靠度分析

3.1 地基模量換算

本文分別采用我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范彈性實(shí)體地基和美國(guó)華盛頓大學(xué)研發(fā)的水泥混凝土路面荷載應(yīng)力分析軟件EverFE（采用Winkler地基），計(jì)算面板荷載應(yīng)力。計(jì)算參數(shù)為：四邊自由板，標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用于縱縫邊緣中部（現(xiàn)行規(guī)范臨界荷位），板長(zhǎng)5 m，寬4 m，厚260 mm，板彈性模量35 000 MPa，計(jì)算結(jié)果列于表3。

從表3可見(jiàn)，采用EverFE計(jì)算Winkler地基上板在標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用于縱縫邊緣中部的荷載應(yīng)力，與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算值相差<10%。

3.2 按現(xiàn)行規(guī)范法分析面板疲勞損耗

根據(jù)實(shí)測(cè)的基層頂面模量、面板厚度、混凝土模量和換算彎拉強(qiáng)度代表值，采用現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算路面疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果列于表4。

比對(duì)表2計(jì)算的累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次，至2017年底的累積當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次為6.634 3×108，遠(yuǎn)大于表4所示的疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)軸次，但目前該路段路面多數(shù)面板總體良好，并未產(chǎn)生大面積疲勞破壞，可見(jiàn)現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范的面板疲勞分析不能有效解析路面狀況，其原因?qū)⒃谄浜筮M(jìn)行分析。

3.3 按面板實(shí)際尺寸分析疲勞壽命

本文3.2指出了現(xiàn)行規(guī)范法計(jì)算的面板疲勞壽命與實(shí)際不符。現(xiàn)行規(guī)范指出，臨界荷位位于縱縫邊緣中部，且分析荷載應(yīng)力采用的板平面尺寸為長(zhǎng)500 cm、寬375 cm，與本工程路面板塊尺寸不同。本工程板塊尺寸為長(zhǎng)500 cm、寬420 cm，快車(chē)道、慢車(chē)道和標(biāo)線的幾何關(guān)系見(jiàn)圖1和圖2。

實(shí)際車(chē)輛一般總在兩條標(biāo)線中央行駛。據(jù)此，本檢測(cè)路段的力學(xué)模型見(jiàn)圖3。圖2是標(biāo)準(zhǔn)軸載（100 kN）輪印平面幾何尺寸簡(jiǎn)化圖。本文僅分析慢車(chē)道荷載應(yīng)力，其實(shí)際輪印邊緣距離縱縫邊緣為806 mm（見(jiàn)圖3）。本文將分析圖3所示的模型在標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用的AB軸上的最大荷載應(yīng)力σP，同時(shí)采用現(xiàn)行規(guī)范方法計(jì)算該點(diǎn)的溫度疲勞應(yīng)力σtr，進(jìn)而分析估算路面的剩余疲勞壽命。

此處采用EverFE軟件計(jì)算荷載應(yīng)力。假設(shè)為Winkler地基，輪載作用于距縱縫邊806 mm處，四邊自由，最大應(yīng)力位于AB軸上。應(yīng)該指出，EverFE給出各點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)力分量，未給出最大主應(yīng)力σ1，根據(jù)這6個(gè)應(yīng)力分量計(jì)算最大主應(yīng)力。力學(xué)模型的單元?jiǎng)澐趾蛻?yīng)力云圖見(jiàn)圖4～5。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，表中混凝土面板參數(shù)是代表值，因此計(jì)算的疲勞壽命是偏于安全的。

比對(duì)表2計(jì)算的累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次，至2017年底的累積當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次為6.634 3×108，遠(yuǎn)小于表5所示的疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)軸次，且目前該路段路面多數(shù)面板總體良好，并未產(chǎn)生大面積疲勞破壞，可見(jiàn)根據(jù)面板實(shí)際尺寸進(jìn)行的面板疲勞分析與實(shí)際情況吻合。

4 混凝土面板極限斷裂強(qiáng)度

本文第2節(jié)已統(tǒng)計(jì)最大軸重為263 kN，并且最大單軸重250～270 kN的貨車(chē)行駛于我區(qū)高速公路已成為常態(tài)，因此偏重安全估計(jì)，采用該軸重。按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算該軸載作用于縱縫邊緣中部的最大荷載應(yīng)力和最大溫度應(yīng)力，同時(shí)按照極限斷裂破壞標(biāo)準(zhǔn)判定（見(jiàn)圖6），計(jì)算結(jié)果列于表6。為便于敘述，將σmax定義為最大應(yīng)力，其值等于最大荷載應(yīng)力與最大溫度應(yīng)力之和;將[σ]定義為容許應(yīng)力。

表6的計(jì)算結(jié)果表明，5個(gè)路段中僅有2個(gè)路段面板的極限斷裂強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，而大部分路段面板極限斷裂強(qiáng)度不能滿足要求。因此，目前該路段混凝土面板斷裂原因是由于超重車(chē)和溫度應(yīng)力的共同作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合以上分析，形成如下結(jié)論：

（1）按實(shí)際路段面板平面尺寸、實(shí)測(cè)參數(shù)，采用有限元軟件計(jì)算荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力，分析了5個(gè)路段（6個(gè)檢測(cè)段）面板的累積疲勞損耗。結(jié)果表明：該路段路面多數(shù)面板總體良好，并未產(chǎn)生大面積疲勞破壞;并且驗(yàn)證了現(xiàn)行水泥路面設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算分析的路面疲勞壽命與目前路面實(shí)際技術(shù)狀況不符。

（2）根據(jù)實(shí)測(cè)該段水泥路面幾何、力學(xué)參數(shù)及最大軸重263 kN和最大溫度梯度920 ℃/m，采用現(xiàn)行水泥路面設(shè)計(jì)規(guī)范法計(jì)算最大應(yīng)力，分析目前混凝土板的極限斷裂強(qiáng)度是否滿足最大應(yīng)力要求。結(jié)果表明：6個(gè)檢測(cè)路段中，只有2個(gè)路段面板滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，這一結(jié)論與目前路面實(shí)際技術(shù)狀況相符，可見(jiàn)該路段整體承載力不滿足目前交通要求。

（3）該路段水泥路面板病害產(chǎn)生原因?yàn)椋喊逯胁繑嗔训闹饕蚴腔炷涟宓臉O限斷裂強(qiáng)度不滿足最大應(yīng)力要求;板角斷裂病害主要集中在填方段和填挖交接段，源于路基沉陷造成板底脫空;縱向裂縫主要出現(xiàn)在高填方路基段，產(chǎn)生原因是超載車(chē)、路基沉陷和側(cè)向滑移等因素的綜合作用;面板碎裂的主要原因是超重車(chē)和溫度梯度共同作用，首先產(chǎn)生板中斷裂，而后由于路表水滲入軟化基層，導(dǎo)致面板進(jìn)一步破損形成破碎板。

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