基于彎沉盆幾何形態指標的瀝青路面裂縫病害定量表征研究

肖滿哲 汪 林 成豪杰 于曉賀 羅 蓉

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063) (武漢市漢陽市政建設集團有限公司3) 武漢 430050)

0 引 言

裂縫是瀝青路面最常見的破損形式之一，裂縫既影響道路美觀，也給行車帶來了一定的安全隱患，同時也會極大地影響道路的服役壽命[1].在裂縫病害評價方面，我國現行規范主要依據裂縫在路表的分布情況，即裂縫的長度和形態，以此對裂縫病害進行評價及養護決策，缺少確定裂縫位置處彎沉盆幾何形態的手段，而這些信息對于制定合理的養護方案十分重要[2].除了鉆芯取樣，對路面結構損傷進行評價的方法有彎沉檢測、探地雷達檢測[3]、超聲波檢測[4]或混凝土自診斷等技術手段，而彎沉檢測目前仍是評價路面結構狀態最常用的方法.由于落錘式彎沉儀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形態，所以現在養護部門越來越多的采用落錘式彎沉儀(falling weight deflectometer，FWD)進行路面檢測[5].

隨著FWD的普及，路面結構層模量反算已成為路面結構性能評價中最為關鍵的技術之一[6].合理的結構層模量反算分析，必須保證彎沉盆實測路況條件與模量反算所需的理論模型相適應.當前各種模量反算方法，如迭代法、數據庫搜索法等，都是以連續介質多層彈性體系理論模型為基礎，并在某種收斂精度及迭代次數的要求下不斷改變各結構層模量大小，使路表理論彎沉盆與實測彎沉盆之間的擬合度最高[7].當既有瀝青路面結構發生裂縫形式的破損后，路表動態彎沉盆的分布呈現出明顯的不連續特征，顯著不同于完好路面結構的路表彎沉盆分布規律，而且對于同一種路面破損形式，如裂縫，由于裂縫形式和加載點位置的不同，路表彎沉盆的分布特征也不盡相同，此時仍然利用上述反算模型獲取各結構層模量，往往存在著較大的變異性，不能客觀地反映路面結構各結構層的性能狀況.Grenier等[8-9]研究發現鑿縫前后的路面彎沉盆明顯變化，裂縫使彎沉盆扭曲，建議直接采用彎沉盆參數代替結構層模量，進行裂縫對路面結構影響的評價分析.邱欣等[10]進行了帶裂縫CTB瀝青路面路表動態彎沉盆分布特征分析，發現半剛性基層瀝青路面路表動態彎沉盆分布規律與完好路面結構存在著顯著的差異.葉云斌等[11]分析了半剛性基層是否出現開裂時的路表彎沉盆參數變化特性，發現路面裂縫傳荷效率和彎沉盆最大斜率可用于判別瀝青路面半剛性基層是否開裂.臧國帥等[12]建立了基于FWD的半剛性基層開裂狀況無損評價模型，該評價模型適用于不同強度的半剛性基層損壞狀況的無損判別.當前利用FWD進行路況彎沉盆檢測，通常針對的是完好路面或者含有裂縫病害的路面，無法對不同形式裂縫對應的彎沉盆特征進行系統準確的表征.

文中基于京港澳高速湖北段還有裂縫路段彎沉盆檢測數據，通過開展彎沉盆幾何形態指標計算，探討了瀝青路面存在不同形式裂縫病害時路表代表彎沉盆指標的分布規律，提出基于0號傳感器和1號傳感器位移之比,以及0號傳感器和1號傳感器位移之差這兩個指標來定量表征不同形式的瀝青路面裂縫病害，并結合依托工程進行了實例分析.

1 瀝青路面裂縫狀況檢測方案

研究路段主線全長339 km，路面結構(土基以上)見圖1.該段高速公路瀝青路面在逐年遞增的行車荷載和“夏季濕熱多雨，冬冷嚴寒”的氣候特征的綜合作用下，出現了一系列路面損壞，其中以橫、縱向裂縫最為突出.

圖1 京港澳高速湖北段結構設計示意圖

落錘式彎沉儀檢測的基本原理：通過計算機控制系統所控制的液壓系統，將彎沉錘從一定高度自由落下，通過沖擊承載板傳力以脈沖荷載的形式錘擊路面，使路面在動態荷載的作用下發生瞬時變形，分布在距離中心位置不同距離的位移傳感器檢測到路面變形后，將數據傳輸到計算機控制系統，形成動態荷載下的彎沉數據和彎沉盆形態.落錘式彎沉儀原理見圖2.

圖2 落錘式彎沉儀檢測原理示意圖

采用7-150 kN型落錘式彎沉檢測車進行路面彎沉檢測，落錘底面直徑為30 cm，采用一級55 kN加載.在橫向布置D0～D6共七枚傳感器，橫向傳感器布置情況見圖3.

圖3 落錘式彎沉儀傳感器橫向布置示意圖

2 瀝青路面裂縫病害表征

2.1 彎沉盆幾何形態指標

1) 直接彎沉指標 直接彎沉指標是指落錘式彎沉儀上傳感器所測得的實際位移值，符號記為Di.

2) 彎沉比、彎沉差指標 彎沉比是指任意傳感器測點彎沉值與落錘中心測點的彎沉值比值，彎沉差是指落錘中心測點處彎沉值與任意測點處彎沉值的差值.其中，彎沉比可以有效判斷檢測點位置的結構承載力水平；彎沉差可以很好的表征瀝青面層處荷載沿傳感器布設方向(道路橫向)的傳遞水平.彎沉比、彎沉差指標為

Dri=Di/D0

(1)

Ddi=D0-Di

(2)

式中：Dri為彎沉比，i=1,2，…，6；Ddi為彎沉差，μm，i=1,2，…，6；D0為落錘中心測點處傳感器位移值，μm；Di為任意測點處傳感器位移值，μm.

2.2 橫縱向裂縫病害定量表征

1) 橫向裂縫處代表彎沉盆幾何形態指標分析 選取京港澳高速湖北段的含有橫向裂縫的3個路段(行車道)，實際路段區間與路段編號對應換算表見表1.

表1 實際路段區間與路段編號對應換算表

對1號路段5個測點處的相同位置處所測得的位移值進行平均，得到該路段的代表彎沉盆形態，同理得到2號路段、3號路段的代表彎沉盆形態，1～3號路段的代表彎沉盆的形態曲線見圖4.

圖4 1～3號路段代表彎沉盆形態曲線圖

由圖4可知：3個路段在0號傳感器與1號傳感器之間的位移值均處于下降趨勢，且2、3號路段下降速率均顯著高于1號路段的下降速率，說明橫向裂縫病害越嚴重，測點周邊的路面承載力消損的越快速.

2) 縱向裂縫處代表彎沉盆幾何形態指標分析 選取京港澳高速湖北段的含有縱向裂縫的2個路段(行車道)，實際路段區間與路段編號對應換算表見表2.

表2 實際路段區間與路段編號對應換算表

對4號路段四個測點的相同位置處所測得的位移值進行平均，得到該路段代表彎沉盆幾何形態指標，同理可得到5號路段的代表彎沉盆幾何形態指標，根據測點計算得到的4、5號路段的彎沉盆幾何形態指標見圖5.

圖5 4、5號路段代表彎沉盆形態曲線圖

由圖5可知：①兩個路段的測點，彎沉盆在傳感器1處出現明顯拐點，傳感器位移值較傳感器0處迅速減小，在其他傳感器位置處，5號路段的傳感器位移值都高于4號路段的位移值，而且幅度大于橫向裂縫，說明縱向裂縫影響范圍較橫向裂縫更小，測點周邊的路面性能較測點處有明顯改善，但是5號路段的路面性能明顯比4號路段差；②傳感器6處彎沉盆變化最小，兩個路段在該位置處的位移值基本一樣，說明在不同路面狀況下，傳感器6處數據最為穩定，不同路面狀況對該點的影響最?。虎蹆蓚€路段在0號傳感器與1號傳感器之間的位移值均處于下降趨勢，且5號路段下降速率顯著高于4號路段的下降速率，說明縱向裂縫病害越嚴重，測點周邊的路面結構承載力減弱的越快速.

2.3 彎沉盆幾何形態指標特征分析

通過以上的分析，為準確判定橫縱向裂縫對路面的損傷程度與范圍，表征裂縫位置處的彎沉盆幾何形態指標特征，以1～3號路段橫向裂縫的代表彎沉盆和4、5號路段縱向裂縫路段的代表彎沉盆為原始數據，確定出兩個彎沉盆特征值指標：0處傳感器彎沉值與1處傳感器彎沉值的比值Qr1；0處傳感器彎沉值與1處傳感器彎沉值的差值Qd1；具體計算為

Qr1=D0/D1

(3)

Qd1=D0-D1

(4)

式中：Qr1為彎沉比；Qd1為彎沉差；D0為落錘中心測點處傳感器位移值；D1為第一個測點處傳感器位移值.

通過特征值Qr1的比較，可以判斷裂縫病害對路面結構承載力的損害程度，即對測點周邊路面狀況的分析；Qd1特征值可以有效判斷瀝青面層處裂縫對周邊路面結構承載力的影響范圍，即對檢測點位置周邊的面層結構承載力的判定.根據橫縱向裂縫各測點處的代表彎沉盆指標計算得到1～5號路段的彎沉盆幾何形態特征指標值，見表3.

表3 1～5號裂縫路段彎沉盆特征Qr1指標和Qd1指標

由表3可知：

1) 總體上，橫向裂縫的彎沉盆特征指標Qr1均位于1.4～2.1，Qd1都大于50 μm；而縱向裂縫Qr1均位于1.2～1.4，Qd1都處在20～40 μm.

2) 橫向裂縫Qr1指標平均值為1.855，明顯大于縱向裂縫特征指標Qr1的平均值，說明橫向裂縫對路面結構承載力的損害程度強于縱向裂縫的損害程度，縱向裂縫位置處的路面承載能力更好；橫向裂縫Qd1指標平均值為83 μm，顯著大于縱向裂縫的31 μm，說明含有橫向裂縫的瀝青面層結構承載力明顯優于含有縱向裂縫的瀝青面層結構承載力.

2.4 工程實例分析

選取2018年京港澳高速湖北段橫向裂縫與縱向裂縫路段各2條，其基本信息見表4.

表4 選取驗證路段基本信息表

在不同路段裂縫位置處各選取3個測點，按照前述方法，得到橫縱向裂縫的代表彎沉盆值，驗證路段代表彎沉盆值見表5.

表5 驗證路段彎沉盆特征值匯總

對上小節所取得的驗證路段代表彎沉盆值按照前文所提出的方法進行彎沉盆特征指標Qr1和指標Qd1計算，橫縱向裂縫特征值指標見表6.

表6 驗證路段彎沉盆特征值匯總

由表6可知：

1) 橫向裂縫的彎沉盆特征指標Qr1都位于1.4～2.1，Qd1也都大于50 μm；而縱向裂縫Qr1均位于1.2～1.4，Qd1都處在20～40 μm，符合上文所總結的基于彎沉盆指標的橫縱向裂縫病害表征規律.由此可知，利用彎沉盆特征指標Qr1和Qd1來定量表征京港澳高速湖北段橫縱向裂縫路段，效果較好，可用于京港澳高速湖北段主要裂縫類型的定量表征.

2) 橫向裂縫路段的彎沉盆特征指標Qr1平均值為1.447，明顯大于縱向裂縫指標Qr1的平均值，說明橫向裂縫對路面結構承載力的損害程度強于縱向裂縫，縱向裂縫位置處的路面承載能力較好；橫向裂縫彎沉盆特征指標Qd1平均值為85 μm，顯著大于縱向裂縫的指標Qd1的平均值，說明含有橫向裂縫的瀝青面層的結構承載力狀況明顯優于含有縱向裂縫的瀝青面層，很好的驗證了上文的研究結果.

3) 在養護維修工作中，根據橫縱向裂縫的彎沉盆特征值表現，對橫縱向裂縫路段制定不同的維修養護方案.Qr1和Qd1指標特征值都表現為輕度的縱向裂縫路段，分析認為該種裂縫路段僅僅是面層出現的疲勞損傷，其損害程度不深，范圍不廣，維修時僅對面層進行處置，如現場熱再生、薄層罩面等，即可起到很好的工程效果；而Qr1和Qd1指標特征值都表現為重度的橫向裂縫路段，分析認為該種裂縫是基層反射裂縫引起面層出現損傷，損害深度與范圍較大，維修時需對面層進行銑刨，對基層補強后再鋪筑面層，才能達到較好的工程效果.

3 結 論

1) 通過開展裂縫病害的彎沉盆幾何形態指標計算，系統構建了裂縫類病害在路面內部的彎沉盆特征量化指標，采用基于彎沉盆幾何形態特征的定量表征方法，綜合分析了兩類裂縫的彎沉盆特征指標的分布規律.

2) 彎沉盆指標特征值對橫縱向裂縫的影響程度和范圍的正確表征，為裂縫路段結構承載力計算提供了更為準確科學的分析方法，其分析結果較單純的依靠單點彎沉值更為可靠.

3) 在路面裂縫的養護維修工作中，可根據橫縱向裂縫的彎沉盆特征值表現來判斷裂縫對路面結構承載力的影響程度和范圍，以此制定不同形式裂縫的維修養護方案，可以達到較好的工程效果.

4) 文中提出的基于彎沉盆特征指標的橫縱向裂縫定量表征方法，合理可靠，但受限于已有的實測彎沉盆檢測數據，對于不同類型路面裂縫病害的彎沉盆特征值表征的表現還有待進一步研究.