水泥混凝土路面板底脱空评判方法研究——以梅观高速为例

肖　鑫，张起森，李　强

(1. 长沙理工大学　交通运输工程学院，湖南　长沙　410004；2.深圳市海川实业股份有限公司，广东　深圳　518040)



水泥混凝土路面板底脱空评判方法研究
——以梅观高速为例

肖鑫1,2，张起森1，李强1

(1. 长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004；2.深圳市海川实业股份有限公司，广东深圳518040)

摘要：为准确有效地评定水泥混凝土路面的脱空状况，通过对现场贝克曼梁(BB)、落锤弯沉仪(FWD)、路面雷达(GPR)和钻芯取样检测结果的分析和计算，并充分参考梅观高速路面的实际情况，提出了以板角弯沉、横缝中点弯沉和接缝传荷系数3个指标作为水泥混凝土路面脱空的判断标准。研究表明：据此评判标准与方法判定的脱空状况与钻芯取样结果基本一致，对板底脱空情况判断的准确率高达86.7%，对脱空等级判断的准确率达到80%，说明该评定方法具有较高的准确度与可靠性，能够满足水泥混凝土路面板底脱空判别与评价的需要。

关键词：道路工程；水泥混凝土路面;板角弯沉；接缝中部弯沉；接缝传荷系数；脱空

0引言

水泥混凝土路面板底脱空现象较为普遍，是影响水泥混凝土路面使用寿命的重要因素之一[1-5]。脱空的出现对水泥混凝土路面的受力是极为不利的，特别是板角、板边部位，在行车荷载的作用下，其受力状态类似于悬臂梁，将产生过大的应力、应变和弯沉，严重影响水泥混凝土路面板的使用性能和疲劳寿命，最终导致路面的损坏。为了提高使用寿命，及时处治板底脱空病害就显得尤为重要，而准确地评定脱空状况是有效处治脱空病害的关键。国内外学者对板底脱空的评价主要有[6-9]：基于经验的脱空检测方法、基于贝克曼梁的方法、基于落锤式弯沉仪(FWD)的脱空检测方法及基于探地雷达(GPS)的脱空检测方法。而由于脱空机理十分复杂及影响因素众多，要想准确有效地评定混凝土板脱空状况是很困难的，目前仍然缺少完备有效的评定方法。基于此，本文以梅观高速公路为依托，结合现场贝克曼梁(BB)、落锤弯沉仪(FWD)、路面雷达(GPR)和钻芯取样的检测结果及现场脱空试验路的分析计算，提出适合梅观高速公路板底脱空的评价方法，为类似工程选定有效的脱空评定方法提供参考。

1空检测方法与结果分析

1.1基于贝克曼梁(BB)法的板底脱空检测1.1.1检测原理与方法

参照规范[10-12]规定采用5.4 m 长杆贝克曼梁在板角进行检测，凡弯沉超过0.2 mm的，则确定为面板脱空。这一方法的优点是快速简便，现场即可判定，是目前国内应用最为普遍的方法。但除了测试手段本身所具有的缺陷外，还有 3 个主要缺点：限值的给定缺乏足够的理论依据；忽视或没有较好地考虑接缝传荷效率对板角弯沉的影响；没有反映不同基层类型对板角弯沉限值的影响[8]。

1.1.2检测结果分析

每车道按照每块板布置一个测点进行检测。上行和下行方向面板的脱空率见表1。

表1　梅观高速公路水泥混凝土面板脱空率评价结果

注：部分板块检测了两个以上的板角或接缝边缘中部弯沉，只要有一个检测结果满足严重脱空的弯沉条件，即判断为严重脱空板块。

从表1可知，梅观高速公路上行和下行方向板底脱空情况比较严重，但下行方向板底脱空状况略好于上行方向；行车道1和行车道2(慢车道)的脱空率非常高。参考路面状况和接缝的传荷能力，发现采用贝克曼梁法评定的板底脱空率明显偏高，与实际路面状况显得不符。

1.2基于落锤弯沉仪(FWD)法的板底脱空检测

1.2.1检测原理与方法

采用多级荷载回归法的截距法进行脱空判别。该方法的基本步骤为：(1)测试板角弯沉，作用荷载设定为3个级别；(2)以荷载为横坐标，弯沉值为纵坐标，把对应3个荷载级别的弯沉值标注在坐标图上并进行线性拟合，然后延长直线与坐标轴相交(如图1所示)；(3)如果板下支撑情况较好，延长线将穿过坐标原点，或距离原点0.05 mm以内。若大于0.05 mm即认为脱空存在。通常越偏离原点，脱空情况越严重。

图1　板底脱空判别示意图Fig.1　Schematic diagram of judgment of void beneath slab

该方法的优点是快速简便，不需要较深的理论基础，适于现场评定。但需要指出的是：限值0.05 mm 的制订主要通过经验总结而来，忽视了路面结构的差异，缺乏足够的理论支持，且该方法也没有考虑接缝传荷效率的影响。

1.2.2检测结果分析

选择了5 km路面采用FWD与BB法进行了对比检测。根据路面状况，分别选择优良、中、次不同等级的路段利用FWD进行抽检，抽检频率为每隔50 m选择一块板，在板角位置进行检测，测点位置与贝克曼梁的测点位置相同。分析得到的脱空情况如表2所示。

从表2可以看出：

(1)检测路段的脱空率还是比较高的；

(2)FWD脱空检测结果得到的脱空率大多远小于BB脱空检测结果；

(3)为了对比两种方法对脱空分析的差异，定义脱空判断相同的板块数与总评价板块数之比为一致率，并用百分数(%)表示。从表2可知上行方向有一定的相关性，而下行方向差异较大。

1.3基于路面雷达(GPR)的板底脱空检测

1.3.1检测原理与方法

GPR是根据雷达波的穿透性，当雷达波穿透地层，遇到不同地层介质时，雷达波反射的回波信号不同，从而通过接受天线获得回波信号并处理以确定路面结构层厚度和内部空洞情况[13-15]，如表3所示。

表2　FWD脱空检测路段脱空率汇总表

表3　路面雷达(GPR)法判断板底脱空的原理

GPR法可在高速下操作(速度可达60 km/h)，工作效率高，对路面无损伤，采样点数多(可连续采样)，厚度结果的代表性强。但由于雷达的电磁波信号在水泥混凝土路面板中衰减很快，使得探地雷达在水泥混凝土路面脱空判别方面的应用受到一定阻碍，而且在 GPR 的使用过程中，需要专门的软件才能把发射信号和接收信号进行处理[8]，这也使得大范围推广应用成为一个难点。

1.3.2检测结果分析

利用路面雷达对梅观高速公路超车道混凝土板底脱空进行检测。检测出的病害特征如图2～图4所示。

图2　结构层局部变形与沉陷示意图Fig.2　Schematic diagram of local deformation and settlement of structure layer

图3　桥头过渡段示意图Fig. 3　Schematic diagram of bridge end transition section

图4　结构层局部变形与板底脱空示意图Fig.4　Schematic diagram of local deformation of structure layer and void beneath slab

根据路面雷达判定结果可知：

(1) 超车道的板底脱空状况较轻，且主要集中在桥头过渡段。上行超车道的脱空率为10.3%，下行超车道的脱空率为8.7%；

(2)与BB法检测结果相比：①除少数几个点外，采用GPR 检测为脱空的板块，采用BB法检测也判断为脱空板块；但BB法检测判断为脱空的板块，GPR 检测却不一定为脱空板块。②当BB法检测的平均弯沉大于等于0.3时，除个别点外，GPR 相对应的检测结果为脱空。当采用BB法检测的板角弯沉在0.3～0.4 mm时，GPR检测的板底脱空状况一般为轻度脱空或中度脱空；当弯沉大于0.4 mm时，采用GPR 检测的板底脱空状况一般为严重脱空。

2脱空现场验证试验

2.1试验方法

根据弯沉检测数据，初步选取30块水泥混凝土面板进行脱空验证试验，其中包括不脱空板、轻度脱空板、中度脱空板以及严重脱空板块。采用灌浆方法通过灌浆孔往板块灌注水泥浆，待浆液硬化后，将混凝土板和浆液芯样取出，观察并测量水泥混凝土板的厚度和凝固浆液厚度，根据凝固浆液的观测情况和测量厚度判断板底实际脱空情况。检测结果如表4所示。

表4　钻芯实测脱空情况

2.2试验检测结果与脱空分析

注浆施工完成2周后，相继对脱空试验段的30块板进行BB弯沉检测、取芯量测等，BB检测结果如表5所示，共计89个芯样。芯样图片如图5～图8所示。根据芯样和各板块灌浆量的分析，确定的各板块脱空程度如表5所示。

表5　灌浆后各板块BB弯沉检测结果

图5　轻度脱空Fig.5　Mild void

图6　中度脱空Fig.6　Moderate void

图7　严重脱空Fig.7　Serious void

图8　基层脱空Fig.8　Void of base course

从表5可以看出，检测时由于路上行车的干扰，不可避免对弯沉读数造成一定的影响，由于接缝弯沉的读数大多数比较小，导致交通荷载对读数的影响比较大(体现为弯沉差为负值)。

通过比较表4和表5可以看出：灌浆后板块的板角弯沉和接缝平均弯沉大幅度减少。

根据对灌浆后所钻取的芯样分析发现：

(1)采用普通水泥浆液对板底脱空进行注浆时，浆液凝固后与水泥混凝土板的黏结力比较差，要完整取得如图7所示的包括凝固浆液层的芯样比较困难。但可以通过观察芯样底部是否粘有浆液层以及观察取芯孔底部的情况来了解水泥混凝土板底脱空的情况。

(2)梅观高速公路大多数水泥混凝土路面板下的脱空并不是一个完全的空洞，而是基层因水的冲刷变松散后，细料被挤出而留下粗骨料的不完全空洞。

(3)部分脱空产生在基层下或内部，即上部基层与水泥混凝土板紧密相连，脱空产生在与水泥混凝土板相连的基层下。可能是在水泥混凝土板块施工时，水泥浆液下渗入水泥稳定碎石基层，使得上部水泥稳定碎石基层与水泥混凝土板紧密相连，由于路基沉陷或路面水下渗唧泥引起基层脱空。

3板底脱空判断方法改进

一般而言，水泥混凝土路面板的脱空大多起始于板角部位，随后在重复荷载和动水压力的作用下向板缝和板中心呈圆弧状扩展。因此，由于脱空原因，水泥混凝土面板板角和横缝中点产生的弯沉存在一定的相关性。

当荷载作用于板角时，根据威斯特卡德法，能够求得板角隅作用圆面积均布荷载时的挠度近似公式，也就是采用贝克曼梁法测得的板角挠度(弯沉)为：

式中,Q为外加荷载；l为板的相对刚性半径；x为沿板角分角线方向距角顶的距离；a为荷载作用圆的半径。

考虑到BB法、FWD法与GPR法脱空评定结果的差异性，本文结合3种评定方法及其评定对比结果，并充分参考梅观高速公路水泥混凝土路面的实际状况，提出了以板角弯沉和横缝中点弯沉作为评定脱空的指标。水泥混凝土面板出现脱空时板角弯沉的临界值取为0.28mm，此时相对应的横缝中点受荷板弯沉的临界值为0.23mm，即当板角弯沉≥0.28mm且板横缝中点受荷板弯沉≥0.23mm时，水泥混凝土板块就判断为脱空。

上述方法是建立在水泥混凝土路面板块四边自由情形下的。实际上公路水泥混凝土路面板四周是受限的，特别是设置传力杆和拉杆的水泥混凝土板块。因此，对于水泥混凝土板横缝中点受荷板的弯沉来说，受荷板的弯沉受接缝传荷能力的影响：在板下支承条件相同的情况下，接缝传荷系数越大，板横缝中点受荷板的弯沉值越小。因此，在进行水泥混凝土路面板底脱空判断时，还必须考虑接缝传荷系数的影响。

综合考虑上述各种因素，本文提出了改进的水泥混凝土路面板底脱空判断方法：以板角弯沉为基本条件，联合考虑板块横缝中点受荷板的弯沉值，并且横缝中点弯沉临界值应随接缝传荷系数进行相应的折减，据此建立公路水泥混凝土路面板底脱空程度判断标准和判断方法。

4脱空判断改进方法实例应用

依据上述板底脱空判断方法，结合梅观高速水泥混凝土板底脱空的现场验证分析结果，总结提出梅观高速水泥混凝土板底脱空评定标准，并绘制了脱空判断诺模图，如图9所示。

备注：板角弯沉在0.20～0.28 mm，横缝中点弯沉在0.1～0.16 mm且接缝传荷系数≥85%宜判断为脱空板块，特别是接缝传荷系数较大时。图9　水泥混凝土路面板底脱空判断诺模图(单位：mm)Fig.9　Nomogram of judgment of void beneath cement concrete pavement(unit:mm)

(1)判断为不脱空的情形：

板角弯沉<0.20 mm；板角弯沉在0.20～0.28 mm且横缝中点弯沉<0.16 mm；板角弯沉在0.28～0.40 mm且接缝传荷系数(Kj)≤55%；其他不满足脱空的情形。

(2)判断为轻度脱空的情形：

板角弯沉在0.20～0.28 mm，横缝中点弯沉在0.10～0.16 mm且接缝传荷系数≥85%；板角弯沉在0.20～0.40 mm，横缝中点弯沉在0.16～0.32 mm且接缝传荷系数在55%～80%之间。

(3)判断为中度脱空的情形：

板角弯沉在0.20～0.28 mm，横缝中点弯沉≥0.23 mm且接缝传荷系数>80%；板角弯沉在0.28～0.40 mm，横缝中点弯沉≥0.32 mm,且接缝传荷系数≤80%；板角弯沉≥0.40 mm，横缝中点弯沉<0.32 mm且接缝传荷系数>55%。

(4)判断为严重脱空的情形：

板角弯沉在0.28～0.40 mm，横缝中点弯沉≥0.32 mm且接缝传荷系数>80%；板角弯沉在≥0.40 mm且横缝中点弯沉≥0.32 mm；板角弯沉≥0.40 mm且接缝传荷系数≤55%。

按照该判断标准，对照表4所列的检测结果进行脱空情况评定，在进行评定时，应按严重脱空、中度脱空、轻度脱空、不脱空的判断顺序依次进行评定。评定结果表明只有6块板的等级判断与灌浆验证结果不符，脱空情况判断的一致率高达86.7%，脱空等级判断一致率达到80%。由此说明改进的脱空判断标准适合梅观高速公路的实际情况，进而表明该评定标准具有较高的准确度与可信度。

5结论

(1)采用目前常用的脱空检测方法贝克曼梁(BB)、落锤弯沉仪(FWD)与路面雷达(GPR)对水泥混凝土路面的脱空情况进行评定，3种评价方法的评定结果存在一定的差异性。

(2)采用现场灌浆法对路面进行脱空验证试验，钻取芯样，观察并测量水泥混凝土板的厚度和凝固浆液厚度，通过凝固浆液的观测情况和测量厚度判断板底实际脱空情况,把试验板块分为不脱空板、轻度脱空板、中度脱空板以及严重脱空板块。

(3)结合贝克曼梁(BB)、落锤弯沉仪(FWD)与路面雷达(GPR)的评定结果，并充分参考梅观高速公路路面的实际情况，提出水泥混凝土板底脱空评定标准以板角弯沉、接缝中部弯沉与接缝传荷系数3个指标控制。采用该方法检测判定的脱空状况与钻芯取样结果基本一致。目前该评判标准和方法已在广东深圳梅观高速公路水泥混凝土板维修中得到了应用，取得了很好的应用效果。

参考文献：

References:

[1]曾胜,赵健,邹金锋,等.水泥混凝土路面板底脱空注浆的有效性检验指标[J].中国公路学报，2010,26(6):7-14.

ZENG Sheng, ZHAO Jian, ZOU Jin-feng,et al.Inspection Index of Grouting Treatment Validity for Void Beneath Cement Concrete Slab[J]. China Journal of Highway and Transport, 2010,26(6):7-14.

[2]薛彦卿,黄晓明.基于NDT技术的脱空判别改进方法[J].东南大学学报：自然科学版，2012,42(6):1187-1193.

XUE Yan-qing, HUANG Xiao-ming. Improvement on Recognition Method of Void beneath Slab Based on Nondestructive Testing Technology[J]. Journal of Southeast University： Natural Science Edition,2012,42(6):1187-1193.

[3]银力,韩振中,文畅平.水泥路面板底脱空处治技术研究[J].筑路机械与施工机械化,2009,26(12):59-62.

YIN Li, HAN Zhen-zhong,WEN Chang-ping. Study on Treatment Technique of Void under Cement Concrete Pavement Slab [J]. Road Machinery & Construction Mechanization, 2009,26(12):59-62.

[4]张宏，凌建明，袁捷，等.基于板底脱空的水泥混凝土道面结构理论分析[J].同济大学学报：自然科学版，2012,40(11):1677-1679.

ZHANG Hong，LING Jian-ming，YUAN Jie,et al. Theory Analysis of Cement Concrete Pavement Structure Based on Existence of Disengaging Under Slab [J].Journal of Tongji University：Natural Science Edition,2012,40(11):1677-1679.

[5]邱丽章,王端宜. 水泥混凝土路面脱空及其检测方法[J].中南公路工程,2007,32(3)：106-108.

QIU Li-zhang,WANG Duan-yi. Voids under the Concrete Slabs and the Detective Methods [J]. Journal of Central South Highway Engineering，2007,32(3)：106-108.

[6]薛忠军，王端宜，张肖宁，等. 水泥混凝土路面不同脱空检测方法识别率的对比验证[J].公路，2007(1):90-93.

XUE Zhong-jun, WANG Duan-yi, ZHANG Xiao-ning, et al. Contrast and Verification of Identifying Ratios of Different Void Detective Methods of Cement Concrete Pavement [J].Highway，2007(1):90-93.

[7]张显安. 水泥混凝土路面板下脱空状况的分析与评定[D].长沙：长沙理工大学，2005.

ZHANG Xian-an. Analysis and Evaluation of Void beneath Slab in CCP [D]. Changsha :Changsha University of Science & Technology,2005.

[8]彭俊文.旧水泥混凝土路面板角脱空情况的评定[D].长沙：长沙理工大学，2010.

PENG Jun-wen. Evaluation of Void Beneath Slab in Old Concrete Pavement[D]. Changsha:Changsha University of Science & Technology,2010.

[9]潘名伟.水泥混凝土路面脱空识别技术研究[D].郑州：郑州大学，2007.

PAN Ming-wei. Research on Identification Technology for Cement Concrete Pavement Void[D]. Zhengzhou：Zhengzhou University,2007.

[10]JTG D40—2011,公路水泥混凝土路面设计规范[S].

JTG D40—2011,Specifications for Design of Highway Cement Concrete Pavement [S].

[11]JTG E60—2008，公路路基路面现场测试规程[S].

JTG E60—2008, Field Test Methods of Subgrade and Pavement for Highway Engineering[S].

[12]JTJ073.1—2001,公路水泥混凝土路面养护技术规范[S].

JTJ073.1—2001,Technical Specifications of Cement Concrete Pavement Maintenance for Highway[S].

[13]姜洪，王选仓. 探地雷达对路面板脱空现象检测时的信号分析与处理[J].公路交通科技，2010，27(1): 22-27.

JIANG Hong，WANG Xuan-cang．Signal Analysis and Processing for Detecting Void Phenomenon under Concrete Pavement by Using Ground Penetrating Radar[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development，2010，27(1): 22-27.

[14]SONYOK D R，ZHANG J.Ground Penetration Radar for Highway Infrastructure Condition Diagnostics: Overview of Current Applications and Future Development [C]∥Proceedings of TRB 2008 Annual Meeting．Washington, D.C.，USA：TRB，2008.

[15]王雯珊，向阳开，熊潮波. 地质雷达在路面脱空检测中的应用[J].重庆交通大学学报：自然科学版,2012,31(4):811-814.

WANG Wen-shan，XIANG Yang-kai，XIONG Chao-bo. Application of Ground Penetrating Radar on Detecting Voids of Pavement[J].Journal of Chongqin Jiaotong University：Natural Science Edition,2012,31(4):811-814.

Study of Method for Identify Void Beneath Cement Concrete Pavement Slabs：A Case Study of Meiguan Expressway

XIAO Xin1,2，ZHANG Qi-sen1，LI Qiang1

(1. School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410004,China；2. Oceanpower Industrial Co., Ltd.，Shenzhen Guangdong 518040，China)

Abstract：In order to assess the void beneath cement concrete pavement slab accurately and effectively, through analyzing and calculating the test findings discovered by on-site Benkelman beam(BB), falling weight deflectometer(FWD),ground penetrating radar(GPR) and core-drilling sample, and considering the real pavement condition of Meiguan expressway, it is put forward that slab corner deflection, transverse joint midpoint deflection and joint load-transfer coefficient are verified to be the judgment criterion for void beneath cement concrete pavement slab. The result shows that the void condition acquired by this assessing criterion and method is essentially in agreement with the result of the core drilling sample, the judgment accuracy rate of void beneath slab reached 86.7%, and the accuracy rate of void grades judgment reached 80%, proving that this evaluation method is of high accuracy and reliability, it is able to meet the needs of judgment and evaluation of void beneath cement concrete pavement slab.

Key words：road engineering; cement concrete pavement; slab corner deflection; joint midpoint deflection; joint load-transfer coefficient; void

中图分类号：U416.216

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)04-0039-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.007

作者简介：肖鑫(1984-)，女，湖南隆回人，博士后.(cszcgz420@sina.com)

收稿日期：2015-02-09