高速公路服務區開裂路面維修效果快速評價方法研究

李香玲

(內蒙古自治區交通運輸教育中心，內蒙古 呼和浩特 010000)

隨著我國交通事業的迅猛發展，高速公路建設日新月異，截至2014年底，全國高速公路總里程達11.19萬km[1]。服務區作為高速公路的一項重要設施，其建設也日益引起人們的重視和關注。按照《公路工程技術標準》(JTG01-2003)的規定，在高速公路上平均每50km建立一個服務區，兩個大服務區之間建1～3個停車區[2]，服務區的路面狀況已成為衡量地區高速公路服務水平的重要指標[3，4]。

現在高速服務區的路面結構基本上采用土基、基層加水泥混凝土面板的型式[5]。設計厚度計算采用了《公路水泥混凝土路面設計規范》[6]中有關公式進行計算。但車輛在服務區行駛速度較低，一般在5km/h，受荷載作用一次的時間相當于普通路面上一次荷載作用時間的6倍[5]，而且車輛行駛方向更加不固定。普通水泥混凝土路面的斷裂多位于板角位置，但交通荷載的差異造成高速服務區路面經常會在板塊中部出現裂縫，而裂縫位置容易產生板底脫空，進而加劇裂縫的拓展，引發板塊的整體開裂破壞。

對于水泥混凝土路面較為嚴重的開裂破壞，僅對裂縫進行灌封處理效果不好，還需要通過注漿處治斷裂位置的板底脫空[7～11]。注漿料主要為水泥漿、水泥粉煤灰漿或水泥砂漿，通過充填、擠密作用，達到封堵板底脫空區，延緩板塊唧泥、斷裂等破壞的目的[12]。板底脫空注漿屬于隱蔽性工程，注漿處治效果的檢驗十分困難[13]。目前各國沒有專門針對板底脫空注漿效果檢驗的指標體系與方法[11]，使得工程實踐中難以全面、科學地對板底脫空注漿效果進行評價。

彎沉試驗是判別路面開裂破壞和板底脫空最常用的方法[14～16]。由于落錘式彎沉儀(Falling Weight Deflectometer，FWD)不僅能夠快速完成彎沉檢測，而且能夠獲得車輛動態荷載下路面結構的完整彎沉盆[17，18]，所以現在養護部門越來越多地采用FWD進行路面檢測。

筆者通過對某高速公路服務區路面斷裂位置維修前后的FWD實測數據進行分析，針對高速公路服務區路面開裂維修提出建議方案，并提出評價維修效果的指標及標準。

1 維修及試驗方案

如圖1所示，某高速公路服務區路面板塊尺寸長6m，寬4m，水泥混凝土板塊出現連續斷裂破壞，裂縫多表現為橫貫多塊板塊中央，裂縫附近板底已經出現脫空，采用板底注漿方法對脫空進行處治，并對裂縫進行灌封處理。注漿孔交錯布置在裂縫兩側，每側相鄰注漿孔間的間距為1m。

圖1 服務區路面板塊FWD檢測方案(單位：m)

選擇板塊中部斷裂破壞的連續4塊板塊，采用FWD測試板塊維修前后相同位置的彎沉盆。本研究中采用的FWD檢測車荷載盤半徑為15cm，施加50kN荷載，共有7個傳感器D0～D1500，距荷載中心的距離分別為0、200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm、1 500mm。

如圖1所示，每塊板塊上的6個FWD測點排列在板塊與縱邊平行的中線上，荷載中心分別位于裂縫兩側距縫0.15m、0.5m、1m的位置。在不同點位測試時，裂縫與傳感器的相應位置關系如表1所示，3個測點位置測試時，裂縫分別位于1～2傳感器、3～4傳感器、5～6傳感器之間。

表1 不同測點裂縫與傳感器位置關系

2 荷載中心彎沉值

承載板中心的彎沉反映了路面整體彎沉[19]，是進行路面結構性能評價時的重要參數。因此，通過對荷載中心彎沉值的對比分析，能夠得到維修前后裂縫附近路面結構狀況。

1號板塊維修前后荷載中心動態彎沉如圖2所示，可以看出維修后各測點彎沉有所降低，但降低幅度不大。這主要是因為1號板處裂縫破壞本身不嚴重，裂縫寬度比其他板塊小很多，所以維修前測點位置彎沉就不大。

圖2 1號板塊維修前后荷載中心動態彎沉

2號板塊維修前后荷載中心動態彎沉如圖3所示，可以看出維修前在裂縫附近彎沉已經超過500μm，結構破壞十分嚴重，而維修處治后，雖然距裂縫1m處測點彎沉變化不大，但距裂縫0.5m和0.15m處彎沉出現大幅降低，最大動態彎沉降為300μm左右，表明路面結構強度得到大幅提升，并且注漿后板塊強度分布更加均勻，注漿效果十分明顯。

圖3 2號板塊維修前后荷載中心動態彎沉

3號板塊維修前后的荷載中心動態彎沉如圖4所示，維修前后彎沉變化同2號板塊相似：距裂縫1m處測點彎沉同樣變化不大，而距裂縫0.5m和0.15m處彎沉出現大幅降低，最大動態彎沉從500μm降為300μm左右，并且板塊強度分布更加均勻。

圖4 3號板塊維修前后荷載中心動態彎沉

4號板塊維修前后的荷載中心動態彎沉如圖5所示，維修前裂縫兩邊板塊強度存在較大差異，距裂縫0.15m的一側動態彎沉值超過450μm，而另一側僅250μm左右，說明路面裂縫兩側的路面結構強度可能會存在較大差異。注漿后裂縫附近彎沉不僅明顯降低，裂縫兩側的路面強度均勻性得到顯著提高，均處于100μm～200μm范圍。

圖5 4號板塊維修前后荷載中心動態彎沉

對維修前后荷載中心動態彎沉平均值及標準差進行匯總，結果如表2所示。

表2 維修前后荷載中心動態彎沉平均值及標準差

通過以上分析可以得到如下結論：①在四組測量數據中，距裂縫1m處測點彎沉變化均不大，表明開裂對路面結構強度的影響范圍在裂縫兩側各1m范圍內，因此在設計維修方案時重點考慮提升裂縫兩側1m范圍內的路面結構強度。②1號板塊由于原路面本身裂縫破壞不太嚴重，進行維修后，動態彎沉平均值降低了8%～9%。而對于原路面裂縫破壞嚴重的2～4號板塊，各板塊的動態彎沉平均值降低達20%～30%，表明采用注漿與灌封相結合的維修方案對路面結構強度的提升十分顯著。 ③經過對裂縫的處治，板塊結構強度的均勻性得到極大提高。各板塊彎沉標準差降低比例均在30%以上，4號板塊降低甚至達到83%。

3 彎沉盆形態參數

FWD彎沉盆中含有豐富的路面結構信息[20]，荷載中心動態彎沉指標主要反映的是維修處治對裂縫附近路面結構強度的提升，尚不能直觀反映維修前后裂縫位置傳荷能力的變化。對彎沉盆形態參數進行分析，可進一步評價裂縫位置路面傳荷能力在維修前后的變化。

當荷載中心距裂縫距離為0.15m時，裂縫位于1、2號傳感器之間，即D0和D200之間。如圖6所示，在原路面開裂破壞較為嚴重的2號板塊，維修前直接受荷一側的D0處彎沉會遠遠大于D200處的彎沉，造成兩者之間的斜率S0-200很大。而維修后，裂縫位置傳荷能力增強，板塊整體性提升，彎沉盆的形態變得更加均勻平坦，S0-200也明顯增大。

圖6 2號板塊維修前后彎沉盆(荷載中心距縫15cm)

當荷載中心距裂縫距離為0.5m時，裂縫位于3、4號傳感器之間，即D300和D600之間。如圖7所示，在2號板塊上，由于裂縫破壞較為嚴重，裂縫附近路面結構強度低，造成D200和D300甚至比在荷載中心位置的D0還要大，維修后，雖然各傳感器位置彎沉都有所降低，但整個彎沉盆形態仍與維修前類似。另外，由于裂縫破壞主要對裂縫兩側1m范圍內的路面結構強度影響較大，因此不考慮采用當荷載中心距裂縫距離為1m時的彎沉盆參數。

圖7 2號板塊維修前后彎沉盆(荷載中心距縫50cm)

綜上所述，為了將維修前后彎沉盆形態變化量化表示，選擇變化明顯的D0與D200之間的比值D0/D200(傳荷系數)作為形態參數。參考《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG D40—2002)[5]中評定接縫傳荷能力分級標準，提出裂縫位置傳荷能力分級標準如表3所示。

表3 裂縫位置傳荷能力分級標準

計算各板塊上裂縫傳荷系數D0/D200并評定其傳荷能力等級，得到結果如表4所示。

從表4可以看出，由于1號板塊裂縫破壞不嚴重，本身傳荷能力較強，為“優良”級別，維修后傳荷系數提升不明顯。而對于2號～4號板塊，維修前裂縫破壞嚴重，傳荷能力為“差”級別，3、4號板塊維修后，裂縫位置傳荷能力均提升到“優良”級，而2號板塊裂縫破壞過于嚴重，雖然維修后傳荷能力為“中”級，但傳荷系數已經提升了257%。

表4 荷載中心距縫15cm跨縫檢測時各板塊的傳荷系數D0/D200

因此，對于裂縫破壞嚴重的板塊，維修后傳荷系數提至原來的3～4倍，表明維修后傳荷能力提升很高，受力分布更加均勻，結構強度得到顯著強化。

4 結束語

筆者以某高速公路服務區路面維修工程為依托，制定了開裂路面維修方案及維修效果檢測方案，以實測FWD數據為基礎，通過對荷載中心彎沉值和彎沉盆形態參數的分析，提出基于FWD的高速公路服務區路面維修效果評價指標及標準。根據上述分析，得出以下結論：①采用裂縫兩側注漿處治與灌封相結合的方案，對于處治板塊開裂、提高路面結構強度與結構均勻性具有顯著效果。破壞嚴重位置維修后，動態彎沉平均值降低20%～30%，傳荷系數提至原來的3～4倍。②采用FWD對縫維修效果進行評價時，建議采用將荷載盤外緣緊貼裂縫，使1號傳感器和2號傳感器分別位于裂縫兩側的檢測方法，將荷載盤中心彎沉D0和傳荷系數D0/ D200兩個參數作為評價指標。③開裂對路面結構強度的影響范圍在裂縫兩側各1m范圍內，設計維修方案時著重考慮提升裂縫兩側1m范圍內的路面結構強度。