基于弯沉和弯沉差的复合式路面病害处指标研究定稿

基于弯沉和弯沉差的复合式路面病害处指标分析研究摘要：本文结合宁通高速（G328线）仪征段“白加黑”二次改造工程，调查了“白加黑”路面沥青面层的病害类型，分析了“白加黑”路面病害的发展机理，同时借助其大修铣刨旧沥青路面的有利时机，对铣刨沥青面层后的砼板块弯沉进行了弯沉检测。通过对原沥青路面病害位置处砼板块的弯沉数据分析，说明了以位移指标来控制“白加黑”路面病害处治及改造设计和施工的优越性，对传统“白加黑”路面病害的处治及方案设计有一定的指导意义。关键词：原沥青路面病害原理分析板块弯沉相邻板块弯沉差弯沉数据分析小结0前言80年代以来，水泥混凝土路面在我国得到迅猛发展，但是随着水泥混凝土路面损坏、使用品质下降，我国众多水泥混凝土路面已经加铺沥青面层，进行了简单的“白加黑”改造。水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面（CC-AC），是一种“刚柔相济”的路面结构形式，既有刚性路面耐久性的优点，又有柔性路面行车舒适的优点。近年来，随着复合式路面通车里程的快速增长，以及大型车辆的增加，早期改造的白加黑路面在使用中逐年老化，使用性能开始下降，已经不能满足高速行车的要求，因此目前很多复合式路面需要进行“白加黑”二次改造。然而，目前国内对“白加黑”路面的二次改造仍处于研究、试验阶段，尤其在根据板块竖向位移判断板块处理范围和处理方案上还不成熟，还没有相关的规范和规程可以参考。因此本文结合宁通高速（G328线）仪征段“白加黑”二次改造工程，借助其铣刨旧沥青路面的有利时机，对铣刨后上行线板块弯沉进行了检测，通过分析原沥青路面病害位置处的板块弯沉数据，阐述了以位移指标来控制“白加黑”路面病害处置及改造设计和施工的优越性，对传统“白加黑”路面病害的处治有一定的指导意义。1旧路状况G328海宁线仪征段起点八字桥（K133+119），终点宁扬交界（K163+819），全长30.7km，属于宁通高速公路一段，是江苏省“四纵四横四联”公路主骨架的重要组成部分，是我省苏中地区东西方向的交通大动脉。本次改造路段为十五里墩收费站－青山渡槽K158+300~K163+819段路面长5.519km。该段建成于1980年，原为水泥混凝土板块路面，1998年加铺沥青混凝土面层进行“白加黑”高速化完善改造，取得了良好的使用效果。但由于距今已经过接近11年的营运，目前该路段出现了一系列不同程度的病害，以水泥混凝土板块反射裂缝为主，其次行车道与硬路肩刚柔交接处纵向裂缝较为严重，局部路段存在较严重的翻浆现象。现有病害已经大大降低了道路的技术状况指标，为改善其使用性能，2009年我们决定对其进行“白加黑”二次改造。原道路结构图如下：图1原道路结构图根据以上现场调查得到，本项目路面典型病害主要有三种：（1）水泥板块接缝或者裂缝处的反射裂缝，一般每隔5m一道规则的贯穿行车道或半幅路面的横向裂缝；（2）在水泥板块与硬路肩刚柔交接处纵向裂缝，位置位于行车道的轮迹带处，在行车荷载的反复作用促使该位置出现大范围的纵向裂缝。（3）部分行车道和超车道以及裂缝严重路段出现坑槽唧浆等水损害现象。2病害产生及发展机理分析研究表明：在路面结构组合合理和路基稳定的情况下，“白加黑”路面反射裂缝是导致路面出现各种病害的主要原因[1]。从“白加黑”路面的破坏过程可以知道，由于反射裂缝的存在，使得沥青面层丧失整体性，水沿着反射裂缝处渗入至基层顶面，在车辆荷载的重复作用下形成有压水在板底接裂缝处和板边高速流动，对基层顶面进行冲刷，细颗粒从接裂缝处和板边被带到路面上产生翻浆，随着细颗粒的不断带出，板底形成脱空，从而导致沥青混凝土加铺层形成翻浆等更为严重的病害破坏。研究表明基础的脱空范围对接裂缝边缘罩面层内的应力有着较大的影响，随着基础脱空范围的增大，罩面层中的应力也相应地增大，因此在不考虑层间竖向拉开的前提下，脱空极易造成罩面层中的反射裂缝，而且脱空的存在必然引起并扩展罩面层与旧路面板之间的脱开[2]。因此我们可以假定，当沥青路面出现翻浆等严重病害时，板下已经出现不同程度的脱空。2.1反射裂缝产生原理分析本路段的横向裂缝主要是为水泥板基层接缝或者裂缝处的反射裂缝，调查数据表明，该路段裂缝度普遍在一个较高的水平之上，部分路段裂缝度达到200（m/1000m2）以上。反射裂缝类型和产生原理主要有以下两种：（1）荷载型反射裂缝：反射裂缝是“白加黑”路面主要病害之一,研究表明其主要成因与车辆荷载引起的剪切破坏有关(如图2)。主要是是由于车辆通过不连续的板体时，沥青混凝土加铺层中由于接缝或裂缝两侧相邻板块产生竖向位移差，而出现较大的剪切应力，这种剪切应力是沥青混凝土加铺层产生荷载型反射裂缝的最主要原因。旧水泥混凝土路面沥青加铺层脱空弯曲应力剪切应力裂缝尖端的应力裂缝的尖端车轮石灰土基层图2荷载型反射裂缝受力模型（2）温度型反射裂缝：主要是由于路面暴露在大气中，受气温周期性变化的影响，沥青加铺层和旧水泥混凝土面板都会膨胀，产生温度应力(如图3)，由于旧水泥混凝土路面的应力在接缝处不连续，因此沥青加铺层同时承受它本身以及旧路面所产生的温度应力，即板块翘曲应力，特别是在冬季气温较低时，沥青混凝土加铺层会因为与接裂缝对应处的拉应力过大而开裂，形成所谓的温度型反射裂缝。旧水泥混凝土路面沥青加铺层低温高温温度应力接缝或裂缝石灰土基层车轮图3温度型反射裂缝受力模型弯沉是路面结构承载能力的主要设计指标，也是路面检测和评定的主要指标。目前我国公路养护管理部门在制定养护维修对策时，往往首先采用贝克曼梁或者落锤式弯沉仪进行大量的路面弯沉测试，进而评价路面结构状况。研究表明板块板角弯沉与板角底部脱空程度有着密切的联系，可以通过弯沉分析建立起弯沉指标与路面板角脱空范围（即翻浆点）的量化关系[3]，同时研究显示：当荷载作用于板缝一侧时,板缝两侧产生的弯沉差,使沥青层有较大的剪切应力和变形。在荷载重复作用下,就会使疲劳裂缝反射上来。对于这种剪切疲劳破坏,可以使用弯沉差这一位移指标予以控制,如美国AI法规定:旧水泥混凝土路面上沥青加铺层结构在标准荷载(单后轴80kN)作用下相邻板块之间的弯沉差应小于0.05mm[4]。因此，如果我们能找出原沥青路面病害处对应板块弯沉及相邻板块弯沉差的量化关系（即翻浆等严重病害处板块弯沉的范围和反射裂缝处相邻板块弯沉差的范围），这样我们就能根据原沥青路面病害调查，结合板块竖向位移（弯沉）检测，确定“白加黑”路面板块处理范围和处理方案。3病害处弯沉数据分析2009年我们借助宁通高速（G328线）仪征段大修改造工程铣刨沥青面层的有力时机，通过试验段准备，对上行线5.519km砼板块弯沉进行了检测，通过分析原沥青路面病害处对应板块弯沉及相邻板块弯沉差（即翻浆等严重病害处板块弯沉的范围和反射裂缝处相邻板块弯沉差的范围），建立沥青路面病害和相应位置板块弯沉指标的量化关系。3.1试验段说明宁通高速（G328线）仪征段上行线施工过程中，我们先对原沥青路面病害进行了调查并记录位置，在旧沥青路面铣刨后我们有对全线板块病害病害进行了调查并记录，同时我们对全线板块弯沉利用贝克曼梁进行了检测，最后将检测的弯沉数据结合旧沥青路面病害和混凝土板块病害进行了分析。全线共计检测板块2180块，其中旧沥青路面病害共有81处，共对应有362块板，翻浆等严重病害处对应有247块板，反射裂缝处有78块板，其他病害处有37块板。3.2试验段方案板块弯沉检测过程中，我们主要检测板块板角和板边弯沉。每块板检测四个点，具体检测如图4。图3板块检测线路图3.3试验数据分析3.3.1翻浆等严重病害处弯沉分析020406080100120140160180020040060080010001200测点编号弯沉（0.01mm）翻浆无病害051015202530354045500102030405060708090大于90弯沉区间频率翻浆无病害图4翻浆等严重病害处砼板块弯沉检测对比图0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%120.00%0102030405060708090大于90弯沉区间（0.01mm）累计百分率（%）翻浆无病害图5翻浆等严重病害处砼板块弯沉范围图将翻浆处板块同全线无病害处板块弯沉绘制成散点图和频率图，如图4，从图中数据及统计范围可以看出：翻浆等严重病害处板块的弯沉明显大于无病害处的板块弯沉。结合翻浆等严重病害处弯沉范围图（图5）可以得出结论：当板块弯沉大于或等于20（0.01mm）时，我们就可以认为板块此翻浆等病害处处对应板块下面已经脱空。3.3.2反射裂缝处相邻板块弯沉差分析0102030405060708090100110120130140150160020040060080010001200测点编号弯沉差（0.01mm）裂缝无病害010203040506070800102030405060708090大于90弯沉差区间频率裂缝无病害图6反射裂缝处相邻板块弯沉差检测对比图0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%120.00%0102030405060708090大于90弯沉差区间（0.01mm）累计百分率（%）裂缝无病害图7反射裂缝处相邻板块弯沉差检测范围图将反射裂缝处相邻砼板块弯沉差同全线无病害处相邻砼板块弯沉差绘制成散点图和频率图，如图6，从图中数据及统计范围可以看出：反射裂缝处相邻砼板块的弯沉差明显大于无病害处的相邻砼板块弯沉差。结合反射裂缝处相邻砼板块弯沉差范围图（图7）可以得出结论：当相邻板块弯沉差大于或等于10（0.01mm）时，我们就可以认为相邻板块接缝处就容易出现反射裂缝。3.4小结（1）弯沉和弯沉差指标是合适的；（2）我们推荐的范围值：翻浆等严重病害处板块弯沉值大于30（0.01mm），反射裂缝处相邻砼板块弯沉差大于10（0.01mm）；（3）此次改造弯沉不符合设计要求开凿的板块86.9%都在病害处，其余都距离最近的病害在10m的范围内，如果考虑到原路面病害调查、板块病害调查、板块弯沉检测三个工作阶段桩号的误差，病害处换板比例将会更大（90%以上）。施工过程中建议首先调查原沥青路面病害，特别注意翻浆、纵向裂缝和坑塘等病害；在铣刨沥青路面后，对应沥青路面病害标记处，进行目测检查，如出现明显断板和板块间接缝附近有翻浆现象时，应重点关注其弯沉；最后检测病害处板块板角弯沉，另外在病害标记的边缘向外侧多检测5块板块，直到未出现连续3块板块弯沉不符合要求为止；（4）从设置过传力杆的板块弯沉数据来看，横缝两侧的弯沉和弯沉差明显减小,横缝处基本没有翻浆等严重病害，可见设置传力杆增加了板块间的整体性；（5）从旧沥青路面病害处板块弯沉来看：39处翻浆（大部分为连续翻浆），37处有弯沉不符合要求的板块需要换板，占翻浆处的94.9%；27处横缝病害处，有10处有弯沉不符合设计要求的板块，占横缝处数量的37%；其他15处其他病害（如坑塘、拥包等），有6处中有弯沉不符合设计要求的板块，占40%。可见白加黑路面病害处治要重点关注翻浆等严重病害处砼板块。4结语使用弯沉和弯沉差来控制复合式路面病害处砼板块处治范围和处治方案,是以位移指标来判断沥青面层病害处砼板块处治。弯沉指标容易测量,便于实际使用,但要把这一指标真正应用到设计中,还需进一步理论分析及试验研究。参考文献：[1]李刚，储彤，田珣．水泥混凝土路面加铺沥青混凝土改造修复技术的探索[J]公路2008，（8）．[2]周富节，孙立军．复合路面荷载型反射裂缝的力学分析和试验路验证[J]．土木工程学报2002，（2）．[3]曾胜，曾小军，许佳．基于弯沉比的水泥混凝土路面板底脱空识别方法[J]．长沙理工大学学报（自然科学版）2008，（6）．[4]姚祖康．公路设计手册——路面．北京交通出版社，1992．[5]王松根等．旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南．人民交通出版社，2007．