李清川,趙延濤,路兆武

(1.濟(jì)南金科駿耀房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司,山東 濟(jì)南 250101; 2.濟(jì)南鑫都置業(yè)有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著我國(guó)公路網(wǎng)建設(shè)的逐步完善[1],公路管理部門的主要任務(wù)將從建設(shè)公路網(wǎng)轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)、改建和改善,對(duì)現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)性能的測(cè)試評(píng)定是路面改建和維護(hù)的基礎(chǔ)[2-3]。通過(guò)定量評(píng)價(jià),可預(yù)警和研判路面結(jié)構(gòu)損傷程度,為補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

研究表明,路面結(jié)構(gòu)完全暴露在自然環(huán)境中,除承受行車荷載外還受持續(xù)變化的氣候環(huán)境影響,如太陽(yáng)輻射、氣溫、降水等環(huán)境因素。溫度變化對(duì)混凝土路面的影響具體表現(xiàn)為:不同溫度條件下路面損壞形式不同,從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低,其疲勞壽命也受溫度影響[4-5]。溫度的變化造成混凝土路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)彎沉與模量改變,故溫度對(duì)路面使用性能的影響不可忽視,有必要對(duì)體現(xiàn)道路強(qiáng)度與剛度指標(biāo)的測(cè)試彎沉及反算模量進(jìn)行溫度修正,但目前我國(guó)尚未建立相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范,尤其是溫度修正關(guān)系的缺乏導(dǎo)致不同溫度下測(cè)得的動(dòng)態(tài)彎沉無(wú)法修正到標(biāo)準(zhǔn)溫度下的彎沉值,阻礙了其在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展[6-7]。

另一方面,隨著道路檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,路面檢測(cè)設(shè)備完成了從靜力到動(dòng)力的過(guò)渡,如目前廣泛用于路面檢測(cè)的落錘式彎沉儀(FWD)[8-10]。FWD通過(guò)落錘模擬行車荷載,并能通過(guò)實(shí)測(cè)彎沉盆形狀對(duì)路面結(jié)構(gòu)層模量進(jìn)行反算,進(jìn)而評(píng)價(jià)路面的承載能力,但目前我國(guó)尚未建立與混凝土路面動(dòng)態(tài)彎沉及反算模量溫度修正研究相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范,尤其是考慮溫度變量研究的缺乏導(dǎo)致不同溫度下測(cè)得的動(dòng)態(tài)彎沉無(wú)法修正到標(biāo)準(zhǔn)溫度下的彎沉值,阻礙了我國(guó)公路建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展[11]。因此,針對(duì)FWD實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉溫度修正關(guān)系的研究迫在眉睫。

本文以北方某校園混凝土道路為研究對(duì)象,借助落錘式彎沉儀對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)路面各層溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和考慮溫度變量的混凝土路面板主點(diǎn)彎沉試驗(yàn),研究溫度與混凝土路面彎沉間的可靠關(guān)系和影響規(guī)律,為混凝土路面彎沉檢測(cè)的溫度換算提供依據(jù)。

1 混凝土路面溫度監(jiān)測(cè)方案

1.1 試驗(yàn)方案

由于面層本身的強(qiáng)度與溫度關(guān)系密切,且混凝土路面結(jié)構(gòu)的彎沉與近4～5天的結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度及環(huán)境溫度有很大的關(guān)系。因此,在混凝土路面上進(jìn)行FWD測(cè)試時(shí),一般要鉆芯測(cè)量路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫度,并與近幾天的溫度綜合考慮,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正[12-14]。

用φ150取芯鉆在距路緣1m處鉆芯打孔,成孔直徑15cm,深度20cm,分層埋置溫度傳感器探頭(φ4×25/防水型/-55～125℃),埋深為4,8,12,16cm,并拌制與路面同強(qiáng)度等級(jí)的C40混凝土對(duì)鉆孔進(jìn)行回填,待28d后進(jìn)行試驗(yàn)[15]。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究混凝土路面各層溫度梯度的影響規(guī)律,選擇當(dāng)?shù)叵募厩缋侍鞖?對(duì)路表及內(nèi)部各層溫度進(jìn)行24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(測(cè)試時(shí)間為2022年5月4日),結(jié)果如圖1,2所示。

圖1 混凝土路面不同深度24h溫度變化Fig.1 24 hours temperature change of concrete pavement at different depths

由圖1可知,路面各層監(jiān)測(cè)所得溫度波動(dòng)規(guī)律與地表溫度波動(dòng)規(guī)律基本一致,即路面各層溫度與地表溫度是直接相關(guān)的,氣溫的高低直接影響到路面各層的溫度及溫度波動(dòng)幅度;早上6時(shí)起,所測(cè)各層溫度并非由上到下遞減,此時(shí)表層溫度已開(kāi)始上升,中間溫度基本一樣,而底層溫度略高于中間溫度,并不呈梯度分布;下午15時(shí)地表溫度升至最高后快速下降,于19時(shí)起低于各埋深溫度;各層溫度在地表溫度升至峰值后依次升至最高,并最終趨于一致。將溫度梯度變化情況以下列公式定量表述,進(jìn)一步分析溫度梯度變化規(guī)律:

ΔT=(Tn-T0)/T0×100%

(1)

式中:ΔT為各埋深深度溫差率;Tn為各埋深深度實(shí)測(cè)溫度;T0為0cm處實(shí)測(cè)溫度。

由圖2可知,早上6時(shí)至下午15時(shí)期間,隨著地表溫度升高,各埋深深度所測(cè)溫度依次升高,但在上午9時(shí)起,地表溫度升高趨勢(shì)逐步高于各埋深溫度,在下午15時(shí)左右達(dá)到溫度梯度峰值,其中埋深16cm處,溫度較地表低10.8℃,溫差率為25.6%。

圖2 混凝土路面不同埋深溫度與地表溫度梯度曲線Fig.2 Temperature gradient curve of different buried depth and surface temperature

2 FWD測(cè)試原理與考慮溫度變量的彎沉值試驗(yàn)方案

落錘式彎沉儀(FWD)是當(dāng)今國(guó)際上普遍應(yīng)用的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)破損檢測(cè)儀器,其加載系統(tǒng)可較好地模擬行車荷載作用,量測(cè)系統(tǒng)可快速、精準(zhǔn)獲取路表整個(gè)彎沉盆數(shù)據(jù)信息,有效解決了靜態(tài)彎沉儀參照系不穩(wěn)定的問(wèn)題,使用慣性基準(zhǔn)點(diǎn),同時(shí)克服了靜態(tài)彎沉儀靜力預(yù)載較大的缺點(diǎn),可在整體性剛度較大的剛性路面上進(jìn)行彎沉檢測(cè),是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)定的有力工具。一般記錄3方面數(shù)據(jù):落錘點(diǎn)最大彎沉,以落錘點(diǎn)為中心的彎沉盆曲線,彎沉盆各點(diǎn)隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線[16]。

2.1 FWD測(cè)試原理與試驗(yàn)方案

FWD通過(guò)一定質(zhì)量的重物自由下落,錘擊具有一定剛性的承載板作用于路面結(jié)構(gòu),然后通過(guò)按一定間距布置的傳感器測(cè)定路表的變形響應(yīng)(即彎沉盆)。由FWD的加載原理可知,FWD模擬了行車荷載對(duì)路面的瞬間作用,即瞬間行車荷載對(duì)路面垂直方向的效應(yīng)。盡管FWD沒(méi)有模擬整個(gè)行進(jìn)過(guò)程,但能基本反映出路面在行車荷載下的應(yīng)力及變形情況[17-18]。

本次試驗(yàn)采用美國(guó)落錘式彎沉檢測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖3),該設(shè)備主要參數(shù)為:荷載范圍7～120kN;彎沉傳感器分辨率1gm;系統(tǒng)誤差2%;彎沉傳感器數(shù)量7～9個(gè);荷載盤(pán)直徑30cm。按照J(rèn)TG 3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)。FWD通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的液壓系統(tǒng)提升并下落重錘,對(duì)路面施加脈沖荷載。荷載大小可通過(guò)改變錘重和提升高度在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整,并通過(guò)剛性圓盤(pán)作用到路面上。該系統(tǒng)測(cè)速快,精度高(分辨率為1μm),可較好地模擬行車荷載的動(dòng)力作用,目前被認(rèn)為是較理想的路面無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。

圖3 落錘式彎沉儀Fig.3 Falling weight deflectometer

2.2 考慮溫度變量的混凝土路面板主點(diǎn)彎沉試驗(yàn)方案

以某大學(xué)校園道路為測(cè)試對(duì)象,檢測(cè)荷載設(shè)定為3級(jí),路面結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測(cè)和接縫傳荷能力3級(jí)荷載均為50kN,測(cè)定混凝土面板在不同荷載(50,60,70kN)下的彎沉值,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面及各埋深溫度傳感器溫度數(shù)據(jù)。測(cè)試路面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測(cè)試路面結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Diagram of the pavement structure

采用落錘式彎沉儀(FWD)將荷載施加在板中心位置,如圖5所示。

圖5 考慮溫度變量的混凝土路面板主點(diǎn)彎沉試驗(yàn)方案Fig.5 Bending test scheme of main point in concrete pavement slab considering temperature variable

研究表明,在眾多環(huán)境因素對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響過(guò)程中,氣溫對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響最顯著。相對(duì)于氣溫和太陽(yáng)輻射而言,云層狀況、大氣的相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水等其他環(huán)境因素對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響十分有限,且與氣溫和太陽(yáng)輻射間具有一定的相關(guān)性[19-20]。故本文只考慮氣溫和太陽(yáng)輻射對(duì)路面的影響。同時(shí)結(jié)合1.2節(jié)混凝土路面24h溫度數(shù)據(jù)及不同埋深溫度與地表溫度的梯度規(guī)律,選擇晴朗天氣,且溫度梯度最大的下午15時(shí)為試驗(yàn)時(shí)間。

2.3 考慮溫度變量的混凝土路面板主點(diǎn)彎沉試驗(yàn)結(jié)果

自2022年5月至6月期間,共進(jìn)行測(cè)試6次,得到不同荷載和溫度條件下混凝土板彎沉值,取各測(cè)點(diǎn)彎沉值平均值,按地表溫度由低到高對(duì)6次試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,如表1所示。獲得地表和地下4,8,12,16cm各層溫度在不同荷載作用下的彎沉值響應(yīng)曲線,如圖6所示。

表1 不同荷載作用下彎沉值與各層溫度數(shù)據(jù)Table 1 Bending value and temperature data of each layer under different loadings

圖6 混凝土路面不同深度溫度在荷載作用下彎沉值響應(yīng)曲線Fig.6 Response curves of bending value of concrete pavement at different depths under loads

由圖6可知,在50,60,70kN荷載作用下,各層溫度對(duì)應(yīng)彎沉值均呈較好的線性關(guān)系,為進(jìn)一步探究混凝土路面溫度與彎沉的相關(guān)關(guān)系,對(duì)不同溫度、荷載下測(cè)點(diǎn)彎沉值結(jié)果建立關(guān)系如下:

D=aT+b

(2)

式中:D為中央彎沉值(μm);T為溫度值(℃);a,b為關(guān)系系數(shù)。

以地表溫度對(duì)不同荷載作用下彎沉值響應(yīng)曲線為例,擬合關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 不同荷載作用下地表溫度與彎沉值擬合關(guān)系曲線Fig.7 Fitting curves between bending value and surface temperature under different loads

進(jìn)一步得到各埋深溫度下混凝土路面彎沉值關(guān)系式參數(shù),如表2所示。

表2 不同荷載作用下混凝土板各層溫度與彎沉值擬合曲線參數(shù)Table 2 Parameters of fitting curve between temperature and bending value of each layer of concrete slab under different loads

由相關(guān)系數(shù)R2可知,在50,60,70kN作用荷載下,各層溫度對(duì)應(yīng)彎沉值呈現(xiàn)高度相關(guān)的線性關(guān)系,埋深地下16cm處至地表相關(guān)系數(shù)值越接近于1,相關(guān)性越強(qiáng)。且隨著埋深增加,越低層溫度變化范圍越小,關(guān)系系數(shù)a,即斜率越大。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)混凝土路面溫度試驗(yàn)和考慮溫度變量的FWD彎沉試驗(yàn),對(duì)溫度與混凝土路面彎沉間的可靠關(guān)系和影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研究表明,路表溫度與各層間溫度梯度是導(dǎo)致路面破損的原因之一。

2)混凝土路面溫度測(cè)試結(jié)果表明,混凝土各層溫度與路表溫度同步變化,周期為一晝夜,各層溫度在地表溫度升至峰值后依次升至最高,最終趨于一致,早上6時(shí)至下午15時(shí),隨著地表溫度升高,各埋深深度所測(cè)溫度依次升高,但在上午9時(shí)起,地表溫度升高趨勢(shì)逐步高于各埋深溫度,在下午15時(shí)左右達(dá)到溫度梯度峰值,其中埋深16cm處,溫度較地表低10.8℃,溫差率為25.6%。

3)考慮溫度變量的混凝土路面板主點(diǎn)FWD彎沉試驗(yàn)結(jié)果表明,在對(duì)混凝土路面施加50,60,70kN作用荷載時(shí),各層溫度對(duì)應(yīng)彎沉值呈現(xiàn)高度相關(guān)的線性關(guān)系,進(jìn)一步建立考慮溫度、荷載變量的混凝土彎沉值關(guān)系式,通過(guò)分析公式參數(shù)相關(guān)系數(shù)R2,自地下16cm處向上,越接近地表相關(guān)系數(shù)值越接近于1,相關(guān)性越強(qiáng)。且隨著埋深的增加,越低層溫度變化范圍越小,關(guān)系系數(shù)a,即斜率越大。