高速公路瀝青路面裂縫注漿灌縫處置后加速加載試驗性能驗證

王 波

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

1 概述

裂縫病是高等級路面的一項主要病害，如圖1所示，裂縫及后續產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，大量研究認為是由半剛性基層的溫縮所產生，隨后擴展至面層、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，路表水會通過裂縫向結構深度方向浸入，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展

裂縫的產生是在荷載及氣候因素耦合作用下的結果。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生反射裂縫。光照及溫度引起瀝青混合料老化，在荷載反復作用下產生疲勞開裂。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一步產生翻漿、基層碎裂及脫空等一系列病害現象。注漿灌縫是一種結構性處置措施，在修補裂縫的同時對裂縫下進行一定程度的結構補強。

本文通過足尺減速加載試驗驗證注漿灌縫處置前后路面的性能改善，附以彎沉檢測、傳感器力學數據采集等手段校驗注漿灌縫這種結構性處置措施對路面恢復的有效性及耐久性。

2 彎沉檢測及布點

首先以10m為間隔，檢測了試驗待定區段(K807+200～K807+900)的彎沉；隨后，對封閉區段內的典型橫向裂縫進行標記，檢測裂縫兩側邊緣的彎沉。檢測結果如圖2所示。

圖2中，按10m間隔測量的試驗待定路段的彎沉值在15～20(單位0.01mm)范圍內變化；裂縫兩側邊緣的彎沉值大于相應位置的連續段彎沉值。由此可見，裂縫區域對FWD的力學響應顯然較大，符合上述的推論。

為了進一步驗證裂縫區域的力學響應是否符合上述推論，選擇了位于K807+312處的一條典型橫縫，取行車道外側輪跡帶進行FWD彎沉檢測，測點排布如圖3(a)圖所示：首先在橫縫兩側邊緣測試，而后分別向外延伸，按1m間隔，檢測圖示各測點的彎沉，檢測結果如圖3(b)圖所示。

圖3 典型裂縫兩側等間距外延測點彎沉檢測結果

如圖3所示，裂縫兩側邊緣的彎沉值明顯較大，隨著測點據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測試的方式看作是行車荷載從遠至近接近裂縫、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域力學響應明顯增大的表現[3]。若繼續承受行車荷載的作用，裂縫區域的受力狀態會如何變化，裂縫臨近區域的承載能力是否會有更為明顯的衰變[4-5]，對此兩方面問題的解答將成為此項試驗的核心問題，由此具體包括：

(1)原路面和加鋪結構加載試驗中，利用FWD彎沉檢測和力學響應監測系統，監測加載期內原路面、加鋪結構裂縫區域的彎沉和力學響應的變化，分析原路面裂縫區域承載能力的變化規律、分析其對加鋪層耐久性的影響；

(2)在半剛性基層加載試驗中，利用FWD和力學響應監測系統，監測加載期內裂縫區域彎沉和力學響應的變化，分析半剛性基層裂縫區域的受力狀況及其對半剛性基層疲勞壽命的影響。

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

3 傳感器布置方案

傳感器用于監測路面內部特別是損傷部位在加載過程中應變及環境溫度的變化情況，共三大類型：壓應變傳感器、拉應變傳感器、溫度補償傳感器[6]。本次試驗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、使用方便等優點。在本項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 加速加載試驗分析

加速加載試驗采用MLS66型加速加載試驗機，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行了累計100萬次的加速加載試驗，處置后進行了共計30萬次的試驗。因此本次試驗結果主要對比處置后的30萬次加載結果與處置前第80萬次、90萬次、100萬次結果。

表1 加速加載試驗應變隨荷載作用變化結果

為直觀反映應變變化，分別截取各傳感器動態波形圖結果如下：

左軸線水平橫向拉應變傳感器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 試驗結果分析

加速加載試驗采用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響應較注漿前明顯改善?？偨Y試驗結論如下：

(1)從注漿前后的應變曲線來看，路面整體結構變形規律穩定，表明注漿未對路面結構整體性造成影響，

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

(3)縱向拉應變處置后恢復50%以上，基層補強后有利于防止路面發生再次開裂，提高路面耐久性可縮短維修養護周期。

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

(5)從總體試驗結果來看，加速加載試驗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構破壞進行了補強。總體上有效地改善路面整體的承載能力及結構耐久性，恢復性可在50%左右。