基于FWD的連續配筋復合式瀝青路面結構性能分析

趙 旭 方向前

(上海城建養護管理有限公司 上海 201101)

良好的路面結構承載能力是路面保持其服役性能的基礎，它與路表破損、平整度、耐久性等方面都存在內部聯系[1]。在道路運營期間，其結構承載能力和其他性能都呈現下降的趨勢。通常來說，對于結構性能強的路段，它的其他性能衰減得也會較為緩慢，反之，對于路面結構性能差的路段，其相關的其他性能衰變得相對較為快速[2]。

連續配筋復合式路面(CRCP)既保留了連續配筋混凝土板承載力強、整體性高的特點，還集成了瀝青混凝土層的行車舒適等優點，是重載交通高速公路長壽命路面結構的發展方向之一[3]。G1501上海同三段于2016年進行了大修，采用的主要維修方案為連續配筋復合式路面結構。然而，由于繁重的交通荷載，加之降雨較多、空氣潮濕，易造成大修后路面的結構性破壞。對于連續配筋復合式路面結構，結構性破壞一旦產生，維修相當困難，需封閉部分路段或完全中斷道路交通，對道路通行能力造成嚴重影響。

針對CRCP的特殊情況，需采取有效的手段對連續配筋復合式路面在重載交通下的路面結構性能進行檢測，基于此進行道路保養以使路面在使用年限內能維持較好的服務水平，防止造成路面整體結構的破壞。在路面設計、施工和運營期間，彎沉值一直是路面結構層承載能力的重要檢測指標[4]。落錘式彎沉儀(FWD)這一動態彎沉量測儀器可以快速、無損地直接量測到路段的表面彎沉盆，從而對路段結構性能進行科學評價[5]。

1 試驗路段概況

根據調研設計和竣工資料，全面考慮G1501上海同三段的實際情況后，初步選取了4個典型路段作為測試路段，其中路段1、2為不同類型基層和路基處治方法的連續配筋復合式路面，路段3為普通半剛性基層路面，路段4為CRCP與SMAC的過渡區。4個典型路段的路段長度及結構類型見表1，路面結構組合和路基處治方式見表2。

表1 典型路段特征

表2 各路段路面結構組合

2 測試方法

于2018年10月11日對G1501上海同三段4個路段進行了第一次動態彎沉檢測，采用多點車載落錘式彎沉儀，局部測試選定的路段，測試點為典型路段的第二車道，每條路段長200 m，測點縱向布置，間距為20 m，每條路段共10個測點。9個傳感器距荷載中心點的距離分別為0，200，300，450，600，900，1 200，1 500，1 800 mm，通過9個傳感器的測試結果得到彎沉盆數據，9個傳感器編號為D1～D9，對應的數值為d1～d9。測試采用的荷載為50 kN，荷載板半徑為15 cm。傳感器布設方案見圖1。

圖1 傳感器布設方案

3 檢測結果分析

3.1 各路段彎沉盆圖分析

FWD測定的動態彎沉盆，包含著豐富的路面結構層強度信息。根據FWD彎沉測試數據，得到4個典型路段的彎沉盆曲線見圖2。

圖2 各路段彎沉盆曲線

比較多組數據離散程度大小時，當組間數據測量尺度差異較大，直接用標準差來比較不太合適，此時可以用變異系數消除這種尺度影響，計算方法見式(1)。

(1)

式中：CV為變異系數，STD為標準差，Mean為平均值。

由式(1)計算得各典型路段內部各測點中心彎沉d1的變異系數，見表3。

表3 各路段中心彎沉值變異系數

由表3可見，路段1變異系數最小(10.58%)，說明各測點離散程度較小，均勻性較好。而路段3變異系數最大(22.14%)，即SMAC各測點中心彎沉值離散程度較大，均勻性差。可知CRCP整體結構強度比SMAC要穩定。

分別計算4個典型路段多測點各傳感器的平均彎沉盆值曲線，見圖3。

圖3 各路段平均彎沉盆值曲線

由圖3可知：

1) 路段1為連續配筋混凝土復合式路面結構，其中心彎沉值偏低，且曲線斜率較緩，可知路段1的結構性能相對較好。

2) 路段2為連續配筋混凝土復合式路面結構，彎沉值整體偏小且曲線斜率較小，說明路段2的結構性能相對最好。

3) 路段3(SMAC)的中心彎沉值較為居中，并非最低，但D2～D9的彎沉值都為最小，尤其D1與D2差值較大，推測由于面層強度較低，使其傳荷能力降低，故D2～D9的彎沉值較小。

4) 路段4為SMAC與CRCP的過渡段，其中CRCP結構與路段1一致。2個路段的路基處理一致，均為注漿加固。對比路段1與路段4的平均彎沉盆圖可知，路段4的前5個傳感器值更大。原因可能是由于含有一半SMAC，加上2種路面的不連續過渡使得路段4的彎沉值普遍偏大，強度偏低，但2個路段的路基強度則較為一致。

3.2 各路段彎沉盆參數分析

3.2.1中心彎沉值

表4 各路段中心彎沉平均值

3.2.2表面曲率指數

觀察圖2可知，與其他4個路段相比，路段3的d1與d2差值(表面曲率指數)較大，而該值主要反映面層模量，表面曲率指數越大，面層模量越小，反之則越大。表面曲率計算方法見式(2)。

SCI=d1-d2

(2)

由式(2)計算得各路段各測點的表面曲率指數(SCI)的平均值見表5。

表5 典型路段表面曲率指數平均值

由表5可見，路段4的表面曲率指數最大(12.71 μm)。說明由于半剛性基層瀝青路面的面層厚度、基層材料組合及路基處理的區別，使得路段3反映出來的面層模量較低，路段4由于有一半為半剛性基層瀝青路面，因此其表面曲率指數次之(10.73 μm)。4個路段的面層模量從小到大依次為：路段3<路段4<路段1<路段2。

3.2.3基層損壞指數

考慮到測試路段基層的差異性，計算各典型路段的基層損壞指數，其計算方法見式(3)。

BDI=d3-d4

(3)

各典型路段的基層損壞指數(BDI)的平均值見表6。由該表可知路段3的基層損壞指數最大(4.39 μm)，路段2最小(2.69 μm)。故可知路段3(半剛性基層)的基層強度較差，而路段2(連續配筋混凝土基層)的基層強度相對最高。4個路段的基層強度從小到大依次為：路段3<路段4<路段1<路段2。

表6 典型路段基層損壞指數平均值

3.3 2次檢測結果對比分析

于2019年7月20日對G1501上海同三段4個路段進行了第二次動態彎沉檢測，測試設備及測試方案與第一次檢測一致。繪制第二次測試的各路段平均彎沉盆見圖4，求得2次檢測各路段在各測點的彎沉差值見表7，其中彎沉差值為第二次檢測值減去第一次檢測值。

圖4 第二次檢測各路段平均彎沉盆圖

表7 2次檢測各測點彎沉差值

對比圖3和圖4，并結合表7可知：

2) 就面層結構強度而言，2次檢測結果也較為一致，根據路段平均面層曲率指數SCI，面層結構強度從大到小依次為：路段2>路段1>路段4>路段3。

3) 就基層結構強度而言，2次結果有所區別，根據路段平均基層損壞指數BDI，第一次基層強度從大到小依次為：路段2>路段1>路段4>路段3，而第二次基層強度從大到小依次為：路段2>路段1>路段3>路段4，說明在9個多月的時間跨度下，路段4的基層損壞相對較為嚴重。

4) 就彎沉值及彎沉盆參數本身而言，第二次測試的彎沉值和彎沉盆參數總體上來看比上次檢測結果有所提高，說明在時隔9個多月的時間內，路面結構強度有所降低。CRCP的d1彎沉值增加幅度較低，說明CRCP結構性能較為穩定，而路段3的d1彎沉值增加較為明顯，即SMAC在運營期間，結構整體強度相對降低得較快。

4 結語

對G1501上海同三段的4個路段做了2次動態彎沉測試，通過彎沉盆圖及彎沉盆參數分析可得出以下結論：

1) 4個路段內部整體結構強度的均勻性為路段1>路段2>路段4>路段3，即CRCP整體結構強度比SMAC穩定。

2) 路段1和路段2彎沉值整體偏小且曲線斜率較小，說明CRCP的結構性能相對較好；路段3的表面曲率指數較大，即面層強度較低。推測由于SMAC的面層厚度、基層材料組合及路基處理的區別，使得SMAC反映出來的面層模量較低；路段4為SMAC與CRCP的過渡段，其中SMAC結構與路段1一致。由于存在SMAC以及2種路面結構的不連續過渡使得路段4的彎沉值普遍偏大，即結構強度偏低。

3) 根據2次動態彎沉測試結果，CRCP結構性能較為穩定，而SMAC在運營期間的結構整體強度降低得相對較快。未來可通過持續跟蹤檢測對比研究連續配筋復合式路面與半剛性基層瀝青路面的結構性能的演變規律。