基于等距測定的彎沉對瀝青路面裂縫影響范圍的研究

李 霖，江睿南

(交通運輸部科學研究院，北京 100029)

0 引言

瀝青路面在其服役過程中，會由于設(shè)計、建設(shè)、荷載耦合、溫度等方面的因素，產(chǎn)生不同類型和程度的病害，如縱向裂縫、橫向裂縫、車轍、擁包等[1]。這就需要對路面整體狀況(路面損壞狀況和強度狀況)進行評估。對于表面層的病害，往往采用傳統(tǒng)外觀觀測進行確定，其方法包括多功能道路檢測車、人工現(xiàn)場觀測等。而對于瀝青路面內(nèi)部的強度衰減情況，公路行業(yè)一般通過落錘式彎沉儀(FWD)獲得路面施加動荷載下實測彎沉盆，結(jié)合路面各結(jié)構(gòu)層的材料性能、厚度、模量范圍等數(shù)值進行各結(jié)構(gòu)層的模量反演，以實現(xiàn)對路面各結(jié)構(gòu)層強度及路面整體承載能力的評估[2-3]。比如有些研究人員利用ANSYS，構(gòu)建了動態(tài)彎沉值圖譜，通過對各種影響因素的敏感性權(quán)重進行分析，明確了FWD動荷載下路面力學性能變化情況，提出了彎沉值與結(jié)構(gòu)層強度的回歸方程[4]；有些則利用靜力學模型，回歸分析結(jié)構(gòu)層模量與各個層位的應力應變關(guān)系，總體而言，目前只利用了FWD檢測信息中的一小部分，有更多的數(shù)值分析有待于進一步發(fā)展[7-9]。

綜上可知，目前有關(guān)FWD測定彎沉盆的研究主要集中在反演路面結(jié)構(gòu)模量，從而評價路面結(jié)構(gòu)性能，但對于在病害路段的測定位置并沒有達成一致看法，并且我國現(xiàn)行養(yǎng)護規(guī)范中，也未對病害路段彎沉檢測位置進行明確約定，僅要求間隔一定距離進行彎沉檢測，常常出現(xiàn)路面裂縫病害嚴重，但彎沉評定指標優(yōu)良的情況，因此無法準確評價路面結(jié)構(gòu)病害實際情況。關(guān)于裂縫周圍測定距離的研究鮮有報道，其評價體系也尚不明確，需進一步深入探討研究。

1 表面裂縫彎沉變化

利用FWD彎沉檢測方法在表面裂縫處及距裂縫不同位置處進行彎沉測試，以便掌握不同類型裂縫對彎沉指標的影響。測試位置如圖1所示，分別在裂縫頂面、距裂縫兩側(cè)各15，50，100，150 cm 處和200 cm處進行無損彎沉檢測。

圖1 裂縫彎沉檢測位置(單位:cm)Fig.1 Detection positions of crack deflection(unit:cm)

得到各檢測點的彎沉值，結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 單獨橫向裂縫處彎沉響應Fig.2 Deflection response at separate transverse cracks

圖3 帶支縫裂縫處彎沉響應Fig.3 Deflection response at cracks with branches

圖4 橫向裂縫處彎沉響應Fig.4 Deflection response at transverse cracks

(1)單獨裂縫處彎沉響應

裂縫主要在路面橫縫處，從路面銑刨情況看，造成橫縫的主要原因是半剛性基層開裂導致的反射裂縫。從圖中可以看出，在裂縫點4#的彎沉最大，橫縫對彎沉的影響范圍為距離縫中心±50 cm范圍。

(2)帶支縫裂縫和橫向裂縫彎沉響應

帶支縫裂縫處，由于橫縫處產(chǎn)生了網(wǎng)裂，此裂縫影響范圍在±75 cm內(nèi)。

對于橫向裂縫，測得的完成基本情況與單獨裂縫情況類似，但在測點4#處的彎沉比單獨裂縫相同測點的彎沉值大，因此認定此時的半剛性基層開裂更為嚴重，同時明確對于橫向裂縫而言，其影響范圍在±50 cm內(nèi)。

(3)帶不同病害程度下彎沉響應分析

裂縫的損傷程度不能僅靠觀察，需要通過儀器檢測，不同裂縫損傷程度不同。首先是病害較輕的情況，如圖5橫向裂縫，在裂縫位置處的彎沉，與未發(fā)生開裂位置彎沉基本相同。

圖5 病害較輕橫向裂縫彎沉檢測Fig.5 Detecting deflections of lateral cracks with lighter disease

損傷程度較大的裂縫，在裂縫處的彎沉與周邊區(qū)域的彎沉差別較大，彎沉差別達到甚至達到3倍以上，如圖6及圖7所示。病害較重的橫向裂縫彎沉的影響區(qū)域大約為1 m左右。如圖6所示，裂縫中心彎沉最大，裂縫左右對稱50 cm之外彎沉下降趨于穩(wěn)定，故對裂縫進行徹底處理，需要至少1 m寬左右的處理區(qū)域。發(fā)生了唧漿的裂縫，彎沉明顯大于未發(fā)生唧漿的裂縫，如圖7所示。由此可知，水進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部對路面結(jié)構(gòu)承載力的影響是非常明顯的，因此應該避免水滲入裂縫中，并盡快排出進入裂縫內(nèi)的水分。

圖6 病害較重橫向裂縫彎沉檢測Fig.6 Detecting deflections of lateral cracks with heavier disease

圖7 橫向裂縫并發(fā)生唧漿彎沉檢測Fig.7 Detecting deflections of lateral cracks with slurry

2 結(jié)構(gòu)層當量回彈模量

路面結(jié)構(gòu)層的當量回彈模量是舊路加鋪設(shè)計最重要的參數(shù)之一，表征路面結(jié)構(gòu)的整體承載能力。裂縫等病害處是路面結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，如果不進行病害處理就進行加鋪補強，應該考慮病害處的實際當量模量，保證設(shè)計期內(nèi)加鋪的結(jié)構(gòu)或材料不在病害處發(fā)生早期損壞。表1為路表裂縫處當量回彈模量與周邊區(qū)域未發(fā)生裂縫處的當量回彈模量比較。

表1 裂縫處FWD檢測結(jié)果Tab.1 FWD test result at crack

從表中可知，由于損傷程度的不同，裂縫處的當量回彈模量有的下降比較小，有的則衰減程度很大，因此進行加鋪設(shè)計不能簡單采用當量模量平均值，應該考慮最薄弱環(huán)節(jié)的處理方法。

分別測定路面銑刨前后的不同層位彎沉值，如表2、圖8所示，F(xiàn)WD測點分別位于面層、上基層頂面、下基層頂面等不同層位。

表2 不同層位彎沉及當量模量測試值Tab.2 Tested deflections at different depths and equivalent moduli

圖8 不同層位當量模量變化Fig.8 Variations of equivalent moduli at different depths

從圖8中可看出，面層部分路面彎沉不僅數(shù)值較小，且變化幅度也??；隨著結(jié)構(gòu)層深度增大，彎沉值也增大，并且出現(xiàn)較大的波動。因此在進行道路不同銑刨深度的加鋪設(shè)計時，應該進行不同層位當量模量的檢測。另外，從基層和底基層的當量模量水平看，銑刨面層或上基層后，除了裂縫位置外，半剛性基層瀝青路面的當量模量處于較高的水平，適合進行合理的加鋪補強設(shè)計，避免大的路面結(jié)構(gòu)深層銑刨量和較高代價的結(jié)構(gòu)重建。

3 結(jié)論

針對彎沉測定技術(shù)的特點，以FWD作為檢測手段，在裂縫處開展基于等距的彎沉值測量對比分析，并繪制彎沉曲線，根據(jù)彎沉曲線線形及最大彎沉值綜合確定裂縫損傷狀態(tài)，通過等距方法解決了瀝青路面裂縫影響范圍外觀觀測判定不準的問題，主要結(jié)論有：

(1)利用不同荷載FWD對表層裂縫及兩端的彎沉進行測試發(fā)現(xiàn)，裂縫處的彎沉值隨荷載增大增加。加載值較大，裂縫較淺時更易在裂縫位置處產(chǎn)生奇角峰值。

(2)外觀觀測無法確定裂縫的損傷程度，而通過等距彎沉測試發(fā)現(xiàn)橫向裂縫彎沉的影響區(qū)域大約為距離1 m左右；裂縫中心處彎沉值最大，并呈現(xiàn)中心向邊緣發(fā)散下降的趨勢，即裂縫左右對稱50 cm之外彎沉下降趨于穩(wěn)定，故養(yǎng)護過程中需要在寬度1 m 覆蓋范圍內(nèi)對裂縫進行徹底處理。

(3)存在唧漿的裂縫，其彎沉值明顯大于未發(fā)生唧漿的，表明水損害對路面路面結(jié)構(gòu)承載力的影響巨大，因此應該避免水滲入裂縫中，并盡快排出進入裂縫內(nèi)的水分。

(4)通過對上下基層的深層裂縫彎沉測試發(fā)現(xiàn)，縱向裂縫處的彎沉值比橫向裂縫處的彎沉值大，橫向裂縫處的彎沉均大于非裂縫處的彎沉。