水泥路面接缝传力杆偏差检测及对比分析

陈 剑，李新凯，彭 鹏，冯德成

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090；2.交通运输部公路科学研究院, 北京 100088)



水泥路面接缝传力杆偏差检测及对比分析

陈 剑1，李新凯1，彭 鹏2，冯德成1

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090；2.交通运输部公路科学研究院, 北京 100088)

为了研究水泥路面接缝传力杆各种偏差状况，本文采用德国生产的MITSCAN2设备在黑龙江省北安至黑河高速公路的6个典型路段，共进行了142条接缝传力杆偏差状况的现场测试和数据采集工作。依据美国和加拿大制定的传力杆偏差控制标准对检测结果进行了评估，同时与美国伊利诺伊州两条公路实际检测数据进行了对比。结果表明：我国的DBI施工工艺尚处于起步阶段，传力杆偏差控制工艺需要提高；我国水泥路面传力杆偏差类型主要包括：水平移动、水平偏转、竖向移动、竖向偏转、纵向移动5种类型；水平移动偏差导致传力杆不可接受水平为1.8%，而竖向偏转偏差导致传力杆不可接受水平高达15.8%。

道路工程；水泥路面；技术措施；传力杆偏差；接缝

0 引言

接缝传荷能力对水泥混凝土路面使用性能有着重要影响，横缝处设置传力杆能够明显提高板间传荷能力，降低板边和板角处竖向变形，从而延缓错台发展速度，保证水泥路面的长期使用性能。国外一些现场调查结果也表明，接缝设置传力杆后，水泥路面错台和板角的开裂率都能够明显降低[1-3]。

近几年我国开始将传力杆布设到重载交通水泥路面横向缩缝位置，由于传力杆自动植入设备(Dowel Bar Inserter)能够明显提高施工效率，DBI方法2006年在广东省首先应用，目前DBI方法是我国水泥路面接缝传力杆主要采用的施工工艺。然而，在施工过程中由于多种因素的影响，传力杆并不能准确达到理想的设计位置，导致传力杆偏差的发生[4-6]。

因此，很多研究开始分析偏差的传力杆对路面使用性能的影响。例如，Yu 等人在1998年通过调查发现传力杆偏差发生后对路面使用性能有着较大影响[1]。2005年，Lechner等人通过室内试验和理论分析发现传力杆埋入深度<5 cm时，接缝传荷能力将明显降低，>10 cm时对接缝传荷影响较小[7]。Leong等人在2006年通过现场调查发现传力杆竖向和水平偏转对接缝处的剥落病害有着重要影响[8]。随着传力杆在我国接缝水泥路面的广泛应用，我国研究者也开始关注传力杆偏差问题，2009年蔡海斌通过有限元模型分析了传力杆偏差后对界面应力和传荷能力的影响[9]；2011年彭鹏，田波等人通过室内拔出和重复弯曲试验分析了不同偏转程度的传力杆工作性能状况[10]。

上述分析表明，传力杆偏差程度已经成为影响水泥路面板间传荷能力变化的关键因素。因此，为了降低传力杆偏差的不利影响，研究人员开始针对传力杆偏差的允许范围进行研究。例如，2001年Lev Khazanovich等人在美国明尼苏达州交通部支持下通过有限元和现场调查分析了传力杆偏差的可接受范围[11]。2006年，Milind L. Prabhu等人通过室内试验总结了传力杆偏差控制的建议值[12]。同时，许多研究机构开始颁布相应的传力杆偏差控制指南，例如2007年，FHWA美国联邦公路管理局在多个工程实践的基础上提出了传力杆偏差控制标准[13]；2013年，美国水泥路面协会ACPA针对DBI设备的广泛应用，提出了DBI植入传力杆的偏差控制标准[14]。

虽然传力杆植入工艺DBI已经在我国开始广泛应用，然而，关于我国的传力杆偏差状况尚缺少实际数据分析。为此，本文采用德国生产的专门用于传力杆三维定位检测分析的MITSCAN2设备对北黑高速公路典型路段(108条接缝)进行现场检测，基于美国ACPA的传力杆偏差控制指南进行评估分析，并与美国伊利诺伊州的两条路段的实际检测结果(23条接缝)进行了对比分析。

1 传力杆偏差类型

传力杆偏差主要在以下两个过程产生，一是传力杆在施工过程；二是路面在使用过程中。施工过程中传力杆偏差是目前的主要原因，路面使用过程中产生的偏差主要是由于接缝处在外部环境和荷载作用下导致传力杆松动发生而形成的偏差。

1986年，美国学者Tayabij针对传力杆偏差问题，将其划分为5种类型[15]，如图1所示。

图1 传力杆偏差的5种类型Fig.1 Five types of dowel bar deviation

由图1可以看到，传力杆偏差的5种类型分别是：(1)水平偏转；(2)水平移动；(3)竖向偏转；(4)竖向移动；(5)纵向移动。需要说明的是，传力杆施工过程中发生的偏差是5种基本偏差类型的组合。

2 传力杆偏差控制标准

我国在水泥路面施工过程中对传力杆的位置也提出了具体要求，但仅规定了传力杆的偏斜误差，并没有提出其他类型的传力杆偏差控制标准[14]。目前，美国和加拿大关于传力杆偏差控制标准的研究较多，相应的技术协会也提出了不同的标准，例如加拿大安大略省2006年颁布了传力杆偏差的控制指标，随着DBI施工工艺在美国的广泛应用，美国水泥路面协会ACPA在2013年提出了针对DBI工艺的传力杆偏差控制指南[16]，如表1所示。

表1 中国、加拿大和美国关于传力杆偏差控制指标

由表1可以看到，两种方法的主要差别是关于纵向移动的控制指标有差别，同时两种方法都没有给出水平移动偏差的控制指标，这主要是已有研究表明水平移动偏差对水泥路面接缝行为的影响并不明显，因此在评估接缝传力杆偏差时都忽略了该种偏差类型。参照表1中的两种偏差控制指标，本文给出了所采用的评估标准，如表2所示。

表2 本项目采用的评估标准

3 现场调查

自从传力杆应用以来，研究者开始尝试用不同的检测方法来获得传力杆位置，例如回弹信号、钢筋定位仪、探地雷达等，然而这些方法均不能准确提供传力杆的三维空间位置并给出偏差量值。2001年，德国针对传力杆的三维位置检测，将电磁断层扫描技术用于传力杆偏差检测，获得了较好的效果，并开发了相应的检测设备MITSCAN2，该设备不仅能检测现有水泥路面，甚至可以检测新浇注水泥路面中的传力杆位置[12]。2003年，lev Khazanovich等人第一次应用MITSCAN2检测了美国加利佛尼亚州的水泥路面传力杆状况[17]，美国联邦公路局对该设备进行了评估，并通过现场开挖对MITSCAN2设备的检测精度进行了验证，发现竖向误差满足±3 mm，水平向误差满足±2 mm，因此认为该设备能够获取传力杆的准确位置[18]。2006年，Shabbir Hossain等人在美国弗吉尼亚州进行了应用，认为该设备具有界面友好、检测数据准确等优点[19]。上述应用表明，在传力杆偏差检测方面，MITSCAN2设备是唯一的能够获取传力杆空间位置，并给出相应5种偏差类型的设备，因此本文中也采用该设备完成了黑龙江省北安至黑河高速公路(北黑高速公路)接缝传力杆偏差的检测。

北黑高速公路是黑龙江省修筑的第一条缩缝均布设传力杆的水泥路面，传力杆的植入方式采用DBI工艺。采用MITSCAN2设备共计完成了6个典型路段(每个路段约1 km)的142条接缝传力杆偏差检测，现场检测及程序输出结果如图2所示。

4 检测结果分析

依据本文提出的评估标准对传力杆偏差检测结果进行评估，6个典型路段传力杆的水平偏转、竖向偏转、纵向移动和竖向移动偏差分布如图3所示。

由图3可以看到，6个路段传力杆的主要偏差各有不同，总体来看竖向偏转在6个典型路段中都比较严重，个别路段的竖向偏转偏差>25 mm的比例达到了80%左右，竖向移动偏差也较为严重，路段3和路段4的传力杆偏差状况最为严重。

5 对比分析

美国伊利诺伊州两个水泥路面路段的23条接缝也是采用该设备进行的传力杆检测，这里采用本文的评估标准对北黑高速和美国伊利诺伊州的接缝传力杆偏差进行了汇总，如图4～图8和表3所示。

由图4～图8和表3的对比可以得到如下结论：

(1)与国外高质量施工水平相比，DBI施工工艺在我国尚处于起步阶段，传力杆偏差控制工艺需要提高。

(2)水平移动偏差导致传力杆不可接受水平，在美国和北黑高速比例分别是0%和1.8%，说明DBI工艺能够较好控制水平移动偏差。

图2 MIT Scan-2在北黑高速的应用Fig.2 MIT Scan-2 applied in Beian-Heihe expressway

图3 6个典型路段的传力杆偏差检测结果分布Fig.3 Dowel deviation detection result of 6 typical sections

图4 北黑高速和美国伊利诺伊州公路接缝传力杆偏差对比(水平移动)Fig.4 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(horizontal movement)

图5 北黑高速和美国伊利诺伊州公路接缝传力杆偏差对比(纵向移动)Fig.5 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(longitudinal movement)

图6 北黑高速和美国伊利诺伊州公路接缝传力杆偏差对比(竖向移动)Fig.6 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(vertical movement)

图7 北黑高速和美国伊利诺伊州公路接缝传力杆偏差对比(水平偏转)Fig.7 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(horizontal deflection)

图8 北黑高速和美国伊利诺伊州接缝传力杆偏差对比(竖向偏转)Fig. 8 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beihei-expressway and US Illinois highway(vertical deflection)

(3)纵向移动偏差导致传力杆不可接受水平在美国和北黑高速分别是1.1%和5.6%，不可接受水平和可接受水平之间比例分别是12.4%和29.3%，传力杆纵向移动和切缝位置密切相关，因此可以通过切缝位置控制降低这部分偏差。

(4)竖向移动偏差方面美国和中国有着较大的差别，两者不可接受水平分别为0.8%和2.9%，但两者在不可接受和可接受水平之间比例分别为3.8%和41.3%，图6显示在北黑高速竖向移动偏差为正值(25～66 mm)比例达到了39.8%，由该设备测量原理可知，偏差为正值主要是由于实际板厚大于设计板厚导致，对于路面使用性能是有益的。

表3 北黑高速与美国Illinois州公路传力杆偏差分布对比

(5)水平偏转偏差导致传力杆不可接受水平在美国和北黑高速分别为2.2%和33.8%，两者之间存在着较大差别，原因尚不明确。

(6)竖向偏转偏差导致传力杆不可接受水平在美国和北黑高速分别为8.2%和15.8%，不可接受和可接受水平之间的比例分别为17.3%和34.3%，说明无论在我国还是在美国，传力杆的竖向偏差都是比较严重的，也是DBI施工过程中难以控制的，应该加强该方面的研究。

6 结论

传力杆偏差控制是接缝水泥路面施工过程的重要环节，随着DBI方法近几年在我国开始应用，传力杆偏差状况尚不清楚。因此，本文采用MITSCAN2设备对黑龙江省北黑高速公路的典型路段传力杆偏差状况进行了检测分析，发现在我国传力杆偏差问题较为严重，尤其是竖向移动和竖向偏转两种偏差类型。同时与美国伊利诺伊州两条公路实际检测数据进行了对比，结果显示我国在水泥施工过程中的传力杆偏差控制方面存在较大差距，除了水平移动偏差外，我国的其他类型偏差都较为严重。

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Detection and Comparative Analysis of Deviation of Cement Pavement Joints

CHEN Jian1, LI Xin-kai1, PENG Peng2, FENG De-cheng1

(1. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150090, China;2 . Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

In order to investigate the deviation status of joint dowel bar in cement pavement, by employing Germany MITSCAN2 equipment in 6 typical sections of Beian-Heihe expressway in Heilongjiang Province, the field test and data acquisition on 142 joint dowel bars are conducted. Then, the test data are analyzed and evaluated according to the control standards of dowel bar deviation proposed by United States and Canada, and the evaluation result is compared with the actual test data of 2 highways in Illinois, US. The test result shows that the DBI construction technology in China is still in the initial stage, and the deviation control technology of dowel bars needs to be improved. The main types of deviation of the cement pavement dowel bars in China include horizontal movement, horizontal deflection, vertical movement, vertical deflection, and vertical movement. Horizontal movement could result in the unacceptable level of 1.8%, and the vertical deflection could cause the unacceptable level as high as 15.8%.

road engineering; cement pavement; technical measure; dowel bar deviation; joint

2015-10-12

国家自然科学基金项目(51108140)；黑龙江省交通运输厅科技项目(HLJJT-2011-009)

陈剑(1980-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生.(chenjian462@sina.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.010

U416.21

A

1002-0268(2016)12-0062-06