高速公路沥青路面裂缝注浆灌缝处置后加速加载试验性能验证

王 波

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

1 概述

裂缝病是高等级路面的一项主要病害，如图1所示，裂缝及后续产生的一系列破坏性病害对路面的使用性能及耐久性影响较大。对于此类裂缝，大量研究认为是由半刚性基层的温缩所产生，随后扩展至面层、垫层，最终形成从路表直至土基的贯通型裂缝[1]。此类裂缝形成后，路表水会通过裂缝向结构深度方向浸入，从而使裂缝下方土基含水量增加，从而降低裂缝下方的土基承载能力，继而使裂缝区域弯沉增大、承载能力降低[2]。

图1 典型横向贯通裂缝及其发展

裂缝的产生是在荷载及气候因素耦合作用下的结果。温、湿度的变化易引起半刚性基层的开裂，在荷载作用下逐渐产生反射裂缝。光照及温度引起沥青混合料老化，在荷载反复作用下产生疲劳开裂。路面开裂后在冬春季冻融，夏秋季雨水及行车荷载的综合作用下进一步产生翻浆、基层碎裂及脱空等一系列病害现象。注浆灌缝是一种结构性处置措施，在修补裂缝的同时对裂缝下进行一定程度的结构补强。

本文通过足尺减速加载试验验证注浆灌缝处置前后路面的性能改善，附以弯沉检测、传感器力学数据采集等手段校验注浆灌缝这种结构性处置措施对路面恢复的有效性及耐久性。

2 弯沉检测及布点

首先以10m为间隔，检测了试验待定区段(K807+200～K807+900)的弯沉；随后，对封闭区段内的典型横向裂缝进行标记，检测裂缝两侧边缘的弯沉。检测结果如图2所示。

图2中，按10m间隔测量的试验待定路段的弯沉值在15～20(单位0.01mm)范围内变化；裂缝两侧边缘的弯沉值大于相应位置的连续段弯沉值。由此可见，裂缝区域对FWD的力学响应显然较大，符合上述的推论。

为了进一步验证裂缝区域的力学响应是否符合上述推论，选择了位于K807+312处的一条典型横缝，取行车道外侧轮迹带进行FWD弯沉检测，测点排布如图3(a)图所示：首先在横缝两侧边缘测试，而后分别向外延伸，按1m间隔，检测图示各测点的弯沉，检测结果如图3(b)图所示。

图3 典型裂缝两侧等间距外延测点弯沉检测结果

如图3所示，裂缝两侧边缘的弯沉值明显较大，随着测点据裂缝距离的不断向外增大，弯沉逐渐减小。若将FWD的荷载形式以及此项测试的方式看作是行车荷载从远至近接近裂缝、碾压裂缝、再离开裂缝的过程，那么图3(b)图所示的恰好是上述推论中，行车荷载作用下裂缝区域力学响应明显增大的表现[3]。若继续承受行车荷载的作用，裂缝区域的受力状态会如何变化，裂缝临近区域的承载能力是否会有更为明显的衰变[4-5]，对此两方面问题的解答将成为此项试验的核心问题，由此具体包括：

(1)原路面和加铺结构加载试验中，利用FWD弯沉检测和力学响应监测系统，监测加载期内原路面、加铺结构裂缝区域的弯沉和力学响应的变化，分析原路面裂缝区域承载能力的变化规律、分析其对加铺层耐久性的影响；

(2)在半刚性基层加载试验中，利用FWD和力学响应监测系统，监测加载期内裂缝区域弯沉和力学响应的变化，分析半刚性基层裂缝区域的受力状况及其对半刚性基层疲劳寿命的影响。

课题组为验证注浆处置实际效果依托沈四高速公路加速加载试验，先期进行了100万次加载后的路面，针对已存在裂缝进行了注浆灌缝处置，在养生结束后进行了30万次的加速加载试验，对比了注浆前后路面内部应变的变化。采用标准轴载(100kN)，加载速度6000次/h。

3 传感器布置方案

传感器用于监测路面内部特别是损伤部位在加载过程中应变及环境温度的变化情况，共三大类型：压应变传感器、拉应变传感器、温度补偿传感器[6]。本次试验均采用布拉格光纤光栅式传感器(Fiber Grating Sensor)，精度高±0.5με。具有可靠性高、安装方式多样、使用方便等优点。在本项目中传感器布置方案如图4所示。

图4 传感器布置示意图

4 加速加载试验分析

加速加载试验采用MLS66型加速加载试验机，加载方式为单向直道加载，加载速度6000次/h。注浆灌缝处置段在处置前已进行了累计100万次的加速加载试验，处置后进行了共计30万次的试验。因此本次试验结果主要对比处置后的30万次加载结果与处置前第80万次、90万次、100万次结果。

表1 加速加载试验应变随荷载作用变化结果

为直观反映应变变化，分别截取各传感器动态波形图结果如下：

左轴线水平横向拉应变传感器LTS-1875(图5～图6)。

图5 注浆前LTS-1875加载90～100万次

图6 注浆后LTS-1875加载20～30万次

右轴线水平横向拉应变传感器RTS-1875(图7～图8)。

图7 注浆前RTS-1875加载90～100万次

图8 注浆后RTS-1875加载20～30万次

中轴线水平纵向拉应变传感器CLS-1875(图9～图10)。

图9 注浆前CLS-1875加载90～100万次

图10 注浆后CLS-1875加载20～30万次

5 试验结果分析

加速加载试验采用150kN轴载模拟超载，加载频率均为6000次/h。注浆后裂缝处的力学响应较注浆前明显改善。总结试验结论如下：

(1)从注浆前后的应变曲线来看，路面整体结构变形规律稳定，表明注浆未对路面结构整体性造成影响，

(2)横向拉应变处置后恢复50%以上，基层补强后沥青面层层底弯拉应变减小，路面的抗剪疲劳能力提高。

(3)纵向拉应变处置后恢复50%以上，基层补强后有利于防止路面发生再次开裂，提高路面耐久性可缩短维修养护周期。

(4)处置后路面应变衰减趋势梯度明显减弱50%，基层补强可防止裂缝的发展是路面耐久性得到显著提高。

(5)从总体试验结果来看，加速加载试验可定量化的模拟处置后的使用效果，注浆灌缝处置措施一方面修补的表面裂缝，路面整体性得到完善。另一方面对于宽裂缝下的结构破坏进行了补强。总体上有效地改善路面整体的承载能力及结构耐久性，恢复性可在50%左右。