王 波

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 概述

裂縫病是高等級(jí)路面的一項(xiàng)主要病害，如圖1所示，裂縫及后續(xù)產(chǎn)生的一系列破壞性病害對路面的使用性能及耐久性影響較大。對于此類裂縫，大量研究認(rèn)為是由半剛性基層的溫縮所產(chǎn)生，隨后擴(kuò)展至面層、墊層，最終形成從路表直至土基的貫通型裂縫[1]。此類裂縫形成后，路表水會(huì)通過裂縫向結(jié)構(gòu)深度方向浸入，從而使裂縫下方土基含水量增加，從而降低裂縫下方的土基承載能力，繼而使裂縫區(qū)域彎沉增大、承載能力降低[2]。

圖1 典型橫向貫通裂縫及其發(fā)展

裂縫的產(chǎn)生是在荷載及氣候因素耦合作用下的結(jié)果。溫、濕度的變化易引起半剛性基層的開裂，在荷載作用下逐漸產(chǎn)生反射裂縫。光照及溫度引起瀝青混合料老化，在荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞開裂。路面開裂后在冬春季凍融，夏秋季雨水及行車荷載的綜合作用下進(jìn)一步產(chǎn)生翻漿、基層碎裂及脫空等一系列病害現(xiàn)象。注漿灌縫是一種結(jié)構(gòu)性處置措施，在修補(bǔ)裂縫的同時(shí)對裂縫下進(jìn)行一定程度的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

本文通過足尺減速加載試驗(yàn)驗(yàn)證注漿灌縫處置前后路面的性能改善，附以彎沉檢測、傳感器力學(xué)數(shù)據(jù)采集等手段校驗(yàn)注漿灌縫這種結(jié)構(gòu)性處置措施對路面恢復(fù)的有效性及耐久性。

2 彎沉檢測及布點(diǎn)

首先以10m為間隔，檢測了試驗(yàn)待定區(qū)段(K807+200～K807+900)的彎沉；隨后，對封閉區(qū)段內(nèi)的典型橫向裂縫進(jìn)行標(biāo)記，檢測裂縫兩側(cè)邊緣的彎沉。檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2中，按10m間隔測量的試驗(yàn)待定路段的彎沉值在15～20(單位0.01mm)范圍內(nèi)變化；裂縫兩側(cè)邊緣的彎沉值大于相應(yīng)位置的連續(xù)段彎沉值。由此可見，裂縫區(qū)域?qū)WD的力學(xué)響應(yīng)顯然較大，符合上述的推論。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證裂縫區(qū)域的力學(xué)響應(yīng)是否符合上述推論，選擇了位于K807+312處的一條典型橫縫，取行車道外側(cè)輪跡帶進(jìn)行FWD彎沉檢測，測點(diǎn)排布如圖3(a)圖所示：首先在橫縫兩側(cè)邊緣測試，而后分別向外延伸，按1m間隔，檢測圖示各測點(diǎn)的彎沉，檢測結(jié)果如圖3(b)圖所示。

圖3 典型裂縫兩側(cè)等間距外延測點(diǎn)彎沉檢測結(jié)果

如圖3所示，裂縫兩側(cè)邊緣的彎沉值明顯較大，隨著測點(diǎn)據(jù)裂縫距離的不斷向外增大，彎沉逐漸減小。若將FWD的荷載形式以及此項(xiàng)測試的方式看作是行車荷載從遠(yuǎn)至近接近裂縫、碾壓裂縫、再離開裂縫的過程，那么圖3(b)圖所示的恰好是上述推論中，行車荷載作用下裂縫區(qū)域力學(xué)響應(yīng)明顯增大的表現(xiàn)[3]。若繼續(xù)承受行車荷載的作用，裂縫區(qū)域的受力狀態(tài)會(huì)如何變化，裂縫臨近區(qū)域的承載能力是否會(huì)有更為明顯的衰變[4-5]，對此兩方面問題的解答將成為此項(xiàng)試驗(yàn)的核心問題，由此具體包括：

(1)原路面和加鋪結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)中，利用FWD彎沉檢測和力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測加載期內(nèi)原路面、加鋪結(jié)構(gòu)裂縫區(qū)域的彎沉和力學(xué)響應(yīng)的變化，分析原路面裂縫區(qū)域承載能力的變化規(guī)律、分析其對加鋪層耐久性的影響；

(2)在半剛性基層加載試驗(yàn)中，利用FWD和力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測加載期內(nèi)裂縫區(qū)域彎沉和力學(xué)響應(yīng)的變化，分析半剛性基層裂縫區(qū)域的受力狀況及其對半剛性基層疲勞壽命的影響。

課題組為驗(yàn)證注漿處置實(shí)際效果依托沈四高速公路加速加載試驗(yàn)，先期進(jìn)行了100萬次加載后的路面，針對已存在裂縫進(jìn)行了注漿灌縫處置，在養(yǎng)生結(jié)束后進(jìn)行了30萬次的加速加載試驗(yàn)，對比了注漿前后路面內(nèi)部應(yīng)變的變化。采用標(biāo)準(zhǔn)軸載(100kN)，加載速度6000次/h。

3 傳感器布置方案

傳感器用于監(jiān)測路面內(nèi)部特別是損傷部位在加載過程中應(yīng)變及環(huán)境溫度的變化情況，共三大類型：壓應(yīng)變傳感器、拉應(yīng)變傳感器、溫度補(bǔ)償傳感器[6]。本次試驗(yàn)均采用布拉格光纖光柵式傳感器(Fiber Grating Sensor)，精度高±0.5με。具有可靠性高、安裝方式多樣、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在本項(xiàng)目中傳感器布置方案如圖4所示。

圖4 傳感器布置示意圖

4 加速加載試驗(yàn)分析

加速加載試驗(yàn)采用MLS66型加速加載試驗(yàn)機(jī)，加載方式為單向直道加載，加載速度6000次/h。注漿灌縫處置段在處置前已進(jìn)行了累計(jì)100萬次的加速加載試驗(yàn)，處置后進(jìn)行了共計(jì)30萬次的試驗(yàn)。因此本次試驗(yàn)結(jié)果主要對比處置后的30萬次加載結(jié)果與處置前第80萬次、90萬次、100萬次結(jié)果。

表1 加速加載試驗(yàn)應(yīng)變隨荷載作用變化結(jié)果

為直觀反映應(yīng)變變化，分別截取各傳感器動(dòng)態(tài)波形圖結(jié)果如下：

左軸線水平橫向拉應(yīng)變傳感器LTS-1875(圖5～圖6)。

圖5 注漿前LTS-1875加載90～100萬次

圖6 注漿后LTS-1875加載20～30萬次

右軸線水平橫向拉應(yīng)變傳感器RTS-1875(圖7～圖8)。

圖7 注漿前RTS-1875加載90～100萬次

圖8 注漿后RTS-1875加載20～30萬次

中軸線水平縱向拉應(yīng)變傳感器CLS-1875(圖9～圖10)。

圖9 注漿前CLS-1875加載90～100萬次

圖10 注漿后CLS-1875加載20～30萬次

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

加速加載試驗(yàn)采用150kN軸載模擬超載，加載頻率均為6000次/h。注漿后裂縫處的力學(xué)響應(yīng)較注漿前明顯改善?？偨Y(jié)試驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)從注漿前后的應(yīng)變曲線來看，路面整體結(jié)構(gòu)變形規(guī)律穩(wěn)定，表明注漿未對路面結(jié)構(gòu)整體性造成影響，

(2)橫向拉應(yīng)變處置后恢復(fù)50%以上，基層補(bǔ)強(qiáng)后瀝青面層層底彎拉應(yīng)變減小，路面的抗剪疲勞能力提高。

(3)縱向拉應(yīng)變處置后恢復(fù)50%以上，基層補(bǔ)強(qiáng)后有利于防止路面發(fā)生再次開裂，提高路面耐久性可縮短維修養(yǎng)護(hù)周期。

(4)處置后路面應(yīng)變衰減趨勢梯度明顯減弱50%，基層補(bǔ)強(qiáng)可防止裂縫的發(fā)展是路面耐久性得到顯著提高。

(5)從總體試驗(yàn)結(jié)果來看，加速加載試驗(yàn)可定量化的模擬處置后的使用效果，注漿灌縫處置措施一方面修補(bǔ)的表面裂縫，路面整體性得到完善。另一方面對于寬裂縫下的結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)?？傮w上有效地改善路面整體的承載能力及結(jié)構(gòu)耐久性，恢復(fù)性可在50%左右。