水泥混凝土路面板底脱空快速评定方法.pdf

公路交通技术 2 0 1 0年 6月 第 3期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t J u n 2 0 1 0 N o 3 水泥混凝土路面板底脱空快速评定方法 陈云勇 ，胡 政 ，李丽民 ，刘翠莲 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆4 0 0 0 6 7 ；2 中交二航局技术中心，武汉4 3 0 0 4 0 ； 3 湖南城市学院，湖南 益阳4 1 3 0 0 0 ；4 益阳工程公司，湖南 益阳4 1 3 0 0 ) 摘要：通过对第 1 传荷状态临界荷载及其对应弯沉影响因素的分析 ，发现以与第 1传荷状态临界荷载相对应弯沉 作为板底脱空评 定指标是 可行的 。通过试验路 实体工程验证 ，该板底 脱空评 定方法是合理的 。 关键词：水泥混凝土路面；第 1 传荷状态临界荷栽；脱空；对应弯沉 文章编号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 4 1 0 4 中图分类号 ：U4 1 6 2 1 6 文献标识码 ：A Qu i c k As s e s s me n t Me t h o d f o r Vo id o f Un d e r s i d e o f Ce me n t Co n c r e t e Pa v e me n t Pla t e CHEN Yun y o n g ，HU Zh e n g 2 ,LI Li mi n ，L I U Cui l i a n Abs t r a c t ：Ba s e d o n t h e a n a l ys i s f o r c r i t i c a l l o a d of t h e fir s t l o a d t r a ns f e r s t a t u s a nd i t s i n flue nc i ng f a c t o r s for c o r r e s p o n d i n g d e fle c t i o n ， t h i s p a p e r h a s f o u n d o u t t h e d e fl e c t i o n c o r r e s p o n d i n g t o c r i t i c a l l o a d o f t h e fi r s t l o a d t r a n s f e r s t a tus a s an a s s e s s me n t i n d e x f o r v o i d o f u n d e r s i d e o f p l a t e i s f e a s i b l e Be i n g v e r i fi e d b y p r a c t i c a l p r o j e c t o f r o a d u n d e r e x p e ri me n t ， t h i s a s s e s s me n t me t h o d f o r v o i d o f u n d e r s i d e o f p l a t e i s r e a s o n a bl e Ke y wo r d s ：c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t ；c ri t i c a l l o a d o f t h e fi r s t l o a d t r a n s f e r l o a d ； v o i d ； c o r r e s p o n d i n g d e fle c t i o n 水泥混凝土路面板底脱空会引起错 台损坏和路 面板应力增加 ，从而造成结构断裂；路面板一旦发 生断裂， 修复非常困难 。因此 ，对已经脱 空的水泥 混凝土路面必须及时采取修补措施 ，以防止板体 出 现断裂和破碎 ，而快速评定脱空状况是采取有效修 补措施 的基础 。 目前最常用 的脱空判定方 法是 用落锤式弯沉仪( F WD) 3 级荷载弯沉测定待测板边 或板角 的弯沉 ，根据所得的荷载 一弯沉 曲线 的截 距大小来判定板下是否脱空，当弯沉截距大于 2 0 时认为有脱空 。为考察该 方法 的可靠性 ，在 实 验室内铺筑试验板进行 了研究 ，结果表明 ，截距的 大小与脱空并无很好的相关性 。例如 ，图 1 、图 2 中弯沉截距小于 2 0也有脱空 。传统的脱空判定 方 法将脱空和接缝传荷能力对弯沉的影响独立地考 虑 ，很少考虑到其相互作用的关联性及对变形的共 同作用 ，评定脱空的关键应是区分接缝传荷能力变 化与地基脱空对脱空区弯沉造成的影响。针对这种 情况四 ，本 文用有限元法建立弹性地基板位移计算 模型 ，提出了一种以与第 1 传荷状态临界荷载相对 应的弯沉为指标 ，根据 F WD实测弯沉值快速评定 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 1 - 1 6 作者简介 ：陈云勇( 1 9 8 1 一 ) ，男 ，重庆市人 ，本科 ，工程师 板底脱空的新方法 。 1 脱 空评定指标 图 1 板角脱空 1 2 0 2 m x 0 2 i n荷载 一弯沉曲线 荷载 t 图 2 板角脱空 1 1 2 X 0 3 in0 3 in荷载 一弯沉曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 公路交通技术 2 0 1 0鱼 1 1 第 1 传荷状态临界荷载 P J J 1 评定脱空的关键是区分接缝传荷能力变化与板 底脱空对脱空区弯沉造成的影响。接缝传荷能力衰 减与板底脱空都是长期重复荷载作用的结果。大量 试验表 明，重复荷载下 ，传 力杆都会发生松动现 象 ，接缝处荷 载 一弯沉关 系 曲线存在转 折 点 6 - 8 。 东南大学环道试验路某接缝在轮载作 用 4 0 0 0 0次 后所测得的荷载 一弯沉分段线性关系 线见图 3 。 文献 9 中试验路 未经重 复荷载作用 ，在接缝 系统 完好的情况下 ，人工掏空形成脱空区的板角荷载 一 弯沉关系曲线未出现分段线性 ，这证实了脱空并不 能造成板角或缝边荷载 一弯沉关 系曲线分段线性 ， 这一分段线性特性反映的是接缝传荷 系统工作状 态。因此 ，可以利用此分段线性曲线 区分接缝传力 变化与脱空对弯沉的影 响。采用文献 1 0 1 中路面传 力杆接缝力学模型研究重复荷载下的水泥混凝土路 面接缝工作规律，研究发现，实际使用中传力杆接 缝水泥混凝土路面缝边荷载 一 弯沉曲线是分段线性 的( 图4 ) ， 各传力杆并不是同时工作， PW曲线上 的第 1 个转折点对应的荷载是路面传荷系统传荷与 不传荷 的分界点 ，即第 1 传荷 状态 临界荷 载 。 当施加荷载 PP L 时 ，则传荷系统开始传荷 ；当 施加荷 载 P 时 ，传荷 系统未起作用 。所 以 ， 当测试荷载 P f 。 时，仅仅是板体与地基性质影 响弯沉，而接缝传荷系统对弯沉影响则不作考虑。 1 2 有限元计算模型及验证 某环道试验路 面结构为 1 5 c m厚 的砂基层及 2 0 c m厚的水泥混凝土面层 ，板弹性模量 =3 4 X 弯沉 0 O 1 ln m 图 3 无脱空接缝处荷载 一弯沉曲线 图4 接缝处荷载 一弯沉曲线 1 0 MP a ，混凝土泊松比 =0 1 5 ，混凝土支承模量 B ：1 61 0 MP a ；荷载作用 面积 2 5 c m x 2 5 c m， 传力杆直径 D=2 0 c m， 白 松 比 =0 3 ，模量 = 2 1 X 1 0 6 MP a ，缝宽 B =1 5 c m，地基泊松 比 P ,s = 0 3 5 ，地基弹模 =1 8 0 0 MP a ，在缝边 中部 的重 复荷载作用次数为 4 0 0 0 0 次。采用弹性地基上小 挠度薄板假定， 用有限单元法建立水泥混凝土路面 位移计算模型( 图 5 ) 。鉴于 目前混凝土路面基层大 都采用整体性较好 的半刚性基层 ，故有限元分析 中 地基模型采用文克勒地基。有限元模型中弹性地基 对面板的支承体现在地基刚度矩阵中，采用对地基 刚度矩阵修正的方法处理脱空问题；并假定横缝处 脱空为矩形，板角处脱空为三角形，纵缝处假定不 存在脱空 ，第 1 传荷状态临界荷载荷位分另 取为缝 边中部与板角对角线处。对文克勒地基模型，单元 控制方程为： l f 。 + ) 6 = F， = J 。 式 中， 为单元 面积 ；K o 为文克勒地基 的反应模 量 ； N I 为形 函数 。单元 区域 内面板与地基 完全接 触 ，则地基刚度矩阵 是整个单元面积 内的积分 结果 ；单元范 围内地基存 在脱空时的示意见 图 6 ， 则有 = K o N d ly K o A q N a A 。 ( 2 ) 盖 式中，tf， 为脱空区域。采用该计算模型编制相应有 限元计算程序 w e i y i j i s u a n f o r 进行计算 ，计算 和实 测结果见图 7 。从 图中可看出实测 P L 1 =1 5 k N，计 算 =1 5 6 3 k N ，计算结果与实测数据基本吻合， 表明该模型用于水泥混凝土板底脱空评定计算是合 适 的 。 1 3 脱空评定指标的可行性 g 2 n 8 3 n l l 4 8 n - _ 8 5 n 8 6 n 8 7 n ( 对称 ) 毫 单位 ：m m 图 5 两板系统有限元模型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 3期 陈云勇，等：水泥混凝土路 面板底脱空快速评定方法 4 3 J ， 口 a i J 脱空区域 6 J r X b Z 挺 图 6 文克勒地基单元脱空示意 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 弯沉 0 O l mm 图 7 计算 与实测弯沉 采用计算模型 w e i y i j i s u a n f o r 求解 以上不同结 构参数组合 的第 1 传荷状态临界荷载 对应弯沉 。 ，脱空量对 的影响见图 8 ，地基模量对 的影响见图 9 ，板体几何性质对弯沉 的影响见 表 1 。结果表明，板长与板宽对弯沉影响很小，可 忽略不计 ；板厚与地基支撑状况对弯沉影 响较大 ， 脱 空对弯沉 的影 响显著 。只要板厚 、地基模量确 定，弯沉与脱空量之间就存在着对应关系，脱空评 定可在单板上进行 。文献【 5 的研究表 明 ，均匀支 承下 的单板系统 ，只要地基模量合理取值 ，有限元 计算弯沉与实测弯沉曲线拟合良好。因此，采用与 1 54 5 0 3 04 5 0 6 04 5 0 9 04 5 0 缝边 脱空量， c r n 2 ( a )缝边脱空 量对 。 的影 响 1 51 5 3 03 0 6 06 0 1 2 01 2 0 板 角脱 空量， c m ( b)板角脱空量对 。 的影响 图 8 不同地基模量的脱空量对 w 的影响 0 O 5 0 0 4 n 0 3 0 0 2 0 01 0 n07 0 0 6 0 0 5 g 0 0 4 0 03 OO 2 0 01 0 8 0 0 1 2 O 0 I 6 0 0 20 0 0 缝边地基模量E MP a ( a)缝边地基模量对 的影响 l O l 5 2 0 2 5 板角地基模量K f M P a ( b)板角地基模量对 。 的影响 图 9 不同脱空量的地基模量对 w 的影响 表 1 板体 几何性质对弯沉 H ， L 1 的影响 荷位 m H =2 0 c m H =24 c m H =28 cm 注 ：L为板体长 ，B为板体宽 ，H为板体厚。 第 1 传荷状态临界荷载相对应弯沉作为评定地基脱 空指标是可行 的。 2 脱空评定方法 1 )对于设传力杆 的路面板 ，首先应对待评定 的混凝 土路面进行外观调查 ，一般缝 边唧泥 、错 台 ，可能是地基脱 空所致 ，应作为脱空检测重点 。 然后 ，由 F WD实测缝边板 中、缝边板角 的多级荷 载 一 弯沉曲线，确定第 1 传荷状态临界荷载 及 其对应弯沉 w lL l ，与有限元计算的无脱空状态时该 I 临界荷载对应 的标准弯沉值 进行 比较 ，考虑测 试误差与计算误差 的影响 ，若 =( W+1 0 ) i n ， 则认为混凝土板下存在脱空。 2 )对于未设传力杆的接缝 ，则不 需测定荷载 一 弯沉曲线，直接测最大测试荷载的对应弯沉 及传荷系数 岛 ，计算在该测试荷载下板完全传荷 ( 岛为 1 0 0 ) 时的理论弯沉值和板完全丧失传荷能 力( 岛为 O ) 时 2种情况下各 自的理论弯沉值 ，再用 实际传荷系数 白 ( = x 1 0 0 ，式 中 为未受 5 4 5 3 5 2 5 l 5) 。 g 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 0生 荷板接缝边缘处 的弯沉值 ， 为受荷板接缝边缘 处的弯沉值 ) 内插得出标准弯沉值 w，再用实测弯 沉值与标准弯沉值比较，若 W 1 ( w+ 1 0 ) m，则 认为混凝土板下存在脱空。 3 脱空判定方法实体工程验证 采用脱空评定 方法 中 W1 ( +l O ) m方法 对试验路脱空进行快速判定 。选取试验路 K 5 0 0+ 0 0 0一 K 4 9 9+0 0 0和 K 3 7 8+0 0 0K 3 7 7+0 0 0段 用 落锤式弯沉仪和探地雷达进行现场实地调查。用探 地雷达对调查路段进行了全程扫描 ，部分图像见图 l 0 、图 1 1 。对 于 K 5 0 0+0 0 0K 4 9 9+0 0 0段 ，从 探地雷达 图像上 看 ，在整个剖 面上 K 5 0 0+0 0 0 K4 9 9 +8 8 0、 K49 9 + 5 6 0 一 K49 9 +5 25、 K4 99 + 2 8 0 K 4 9 9+2 6 5三段共约 1 8 0 m 的剖面上 问题较 严重，其底基层和基层的破碎和松散都有一定的规 模 ，面层有裂隙 ，与基层之间有一定 的脱空现象 ； F WD实测 4 7 个点，评定出有 7 块板下存在不同程 度的脱空。对于 K 3 7 8+0 0 0一K 3 7 7+ 0 0 0段 ，在整 个 剖面上 K 3 7 7+9 6 0K 3 7 7+9 2 0 、K 3 7 7+7 9 0一 K 3 7 7+7 5 2 K 3 7 7+0 8 6 K 3 7 7+0 2 9三 段 共 约 1 4 0 m的剖面为裂隙带 ，其底基层和基层 的破碎和 图 1 0 K 7 2 8 + 9 6 0K 7 2 8 + 8 6 0 探地雷达扫描图像 T 图 1 1 K 7 1 4 + 8 5 0K 7 1 4 + 6 5 0探地雷达扫描图像 松散都有一定的规模 ，面层有裂隙，与基层之间有 一 定 的脱 空现象 ；F WD实测 5 6个点 ，评定 出有 1 4块板下存在不 同程度的脱空 。本文脱空快速判 定方法的判定结果与实际观测及探地雷达扫描结果 吻合 良好。 4结论 1 )室 内试验板试验结果表明 ，截距的大小与 脱空并无很好 的相关性 ，目前常用 的 F WD 3级荷 载弯沉测定待测板边或板角的弯沉，再根据所得的 荷载 一弯沉曲线的截距大小来判定板下是否脱空 的脱空判定方法是不合适的。 2 ) 与第 1 传荷状态临界荷载相对应弯沉为指 标 ，根据 F WD实测弯沉值判定水泥路面板底脱空 的快速判定方法是可行性。 参 考 文 献 1 潘艳珠 ， 王端宜， 谭宝龙 水泥混凝土路面板底脱空的原 因及防治措施【 J 1 广州大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 1 ) ： 1 3 1 7 【 2 1 林有贵 ， 凌桂芳 ， 周书林， 等水泥混凝土路面板底脱空 检测方法研究 J 】 _ 公路交通科技， 2 0 0 5 ， 3 2 ( 4 ) ： 4 7 - 4 9 3 】 张宁 水泥混凝土路面板下地基脱空状况的评定与分 析 J 1 公路交通科技， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 1 4 1 7 4 】 胡章立， 羊明， 何国锋 F WD在旧水泥混凝土路面板 底脱空判定中的应用f J 华东公路 ， 2 0 0 9 ， 2 1 ( 5 ) ： 3 2 3 5 5 】 交通部水泥混凝土路面推广组水泥混凝土路面研究 【 M】 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 5 6 王阔应用落锤式弯沉议( F WD) 进行模量反算的误 差分析【 J 】 东北公路 ， 2 O O 3 ( 4 ) ： 2 1 - 3 0 7 1 王陶， 王复明， 王钊弹性地基接缝板模量反演和地 基脱空判定f J 1 岩土力学 ， 2 0 0 3 ( ) ： 2 4 3 2 8 】 薛忠军 ， 王佳妮， 张肖宁， 等动荷载作用下板底脱空对 水泥板 弯沉 的影响I J 1 哈尔滨工业 大学学报 ， 2 0 0 9 ， 1 3 2 ( 4) ： 2 5 2 7 f 9 1 唐伯明 路面结构状况的评价与分析 D 】 南京： 东南大 学 ， 1 9 9 0 f l 0 】雷丽君 水泥混凝土路面板脱空评定及压浆技术研究 【 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m