高速公路服务区开裂路面维修效果快速评价方法研究

李香玲

(内蒙古自治区交通运输教育中心，内蒙古 呼和浩特 010000)

随着我国交通事业的迅猛发展，高速公路建设日新月异，截至2014年底，全国高速公路总里程达11.19万km[1]。服务区作为高速公路的一项重要设施，其建设也日益引起人们的重视和关注。按照《公路工程技术标准》(JTG01-2003)的规定，在高速公路上平均每50km建立一个服务区，两个大服务区之间建1～3个停车区[2]，服务区的路面状况已成为衡量地区高速公路服务水平的重要指标[3，4]。

现在高速服务区的路面结构基本上采用土基、基层加水泥混凝土面板的型式[5]。设计厚度计算采用了《公路水泥混凝土路面设计规范》[6]中有关公式进行计算。但车辆在服务区行驶速度较低，一般在5km/h，受荷载作用一次的时间相当于普通路面上一次荷载作用时间的6倍[5]，而且车辆行驶方向更加不固定。普通水泥混凝土路面的断裂多位于板角位置，但交通荷载的差异造成高速服务区路面经常会在板块中部出现裂缝，而裂缝位置容易产生板底脱空，进而加剧裂缝的拓展，引发板块的整体开裂破坏。

对于水泥混凝土路面较为严重的开裂破坏，仅对裂缝进行灌封处理效果不好，还需要通过注浆处治断裂位置的板底脱空[7～11]。注浆料主要为水泥浆、水泥粉煤灰浆或水泥砂浆，通过充填、挤密作用，达到封堵板底脱空区，延缓板块唧泥、断裂等破坏的目的[12]。板底脱空注浆属于隐蔽性工程，注浆处治效果的检验十分困难[13]。目前各国没有专门针对板底脱空注浆效果检验的指标体系与方法[11]，使得工程实践中难以全面、科学地对板底脱空注浆效果进行评价。

弯沉试验是判别路面开裂破坏和板底脱空最常用的方法[14～16]。由于落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer，FWD)不仅能够快速完成弯沉检测，而且能够获得车辆动态荷载下路面结构的完整弯沉盆[17，18]，所以现在养护部门越来越多地采用FWD进行路面检测。

笔者通过对某高速公路服务区路面断裂位置维修前后的FWD实测数据进行分析，针对高速公路服务区路面开裂维修提出建议方案，并提出评价维修效果的指标及标准。

1 维修及试验方案

如图1所示，某高速公路服务区路面板块尺寸长6m，宽4m，水泥混凝土板块出现连续断裂破坏，裂缝多表现为横贯多块板块中央，裂缝附近板底已经出现脱空，采用板底注浆方法对脱空进行处治，并对裂缝进行灌封处理。注浆孔交错布置在裂缝两侧，每侧相邻注浆孔间的间距为1m。

图1 服务区路面板块FWD检测方案(单位：m)

选择板块中部断裂破坏的连续4块板块，采用FWD测试板块维修前后相同位置的弯沉盆。本研究中采用的FWD检测车荷载盘半径为15cm，施加50kN荷载，共有7个传感器D0～D1500，距荷载中心的距离分别为0、200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm、1 500mm。

如图1所示，每块板块上的6个FWD测点排列在板块与纵边平行的中线上，荷载中心分别位于裂缝两侧距缝0.15m、0.5m、1m的位置。在不同点位测试时，裂缝与传感器的相应位置关系如表1所示，3个测点位置测试时，裂缝分别位于1～2传感器、3～4传感器、5～6传感器之间。

表1 不同测点裂缝与传感器位置关系

2 荷载中心弯沉值

承载板中心的弯沉反映了路面整体弯沉[19]，是进行路面结构性能评价时的重要参数。因此，通过对荷载中心弯沉值的对比分析，能够得到维修前后裂缝附近路面结构状况。

1号板块维修前后荷载中心动态弯沉如图2所示，可以看出维修后各测点弯沉有所降低，但降低幅度不大。这主要是因为1号板处裂缝破坏本身不严重，裂缝宽度比其他板块小很多，所以维修前测点位置弯沉就不大。

图2 1号板块维修前后荷载中心动态弯沉

2号板块维修前后荷载中心动态弯沉如图3所示，可以看出维修前在裂缝附近弯沉已经超过500μm，结构破坏十分严重，而维修处治后，虽然距裂缝1m处测点弯沉变化不大，但距裂缝0.5m和0.15m处弯沉出现大幅降低，最大动态弯沉降为300μm左右，表明路面结构强度得到大幅提升，并且注浆后板块强度分布更加均匀，注浆效果十分明显。

图3 2号板块维修前后荷载中心动态弯沉

3号板块维修前后的荷载中心动态弯沉如图4所示，维修前后弯沉变化同2号板块相似：距裂缝1m处测点弯沉同样变化不大，而距裂缝0.5m和0.15m处弯沉出现大幅降低，最大动态弯沉从500μm降为300μm左右，并且板块强度分布更加均匀。

图4 3号板块维修前后荷载中心动态弯沉

4号板块维修前后的荷载中心动态弯沉如图5所示，维修前裂缝两边板块强度存在较大差异，距裂缝0.15m的一侧动态弯沉值超过450μm，而另一侧仅250μm左右，说明路面裂缝两侧的路面结构强度可能会存在较大差异。注浆后裂缝附近弯沉不仅明显降低，裂缝两侧的路面强度均匀性得到显著提高，均处于100μm～200μm范围。

图5 4号板块维修前后荷载中心动态弯沉

对维修前后荷载中心动态弯沉平均值及标准差进行汇总，结果如表2所示。

表2 维修前后荷载中心动态弯沉平均值及标准差

通过以上分析可以得到如下结论：①在四组测量数据中，距裂缝1m处测点弯沉变化均不大，表明开裂对路面结构强度的影响范围在裂缝两侧各1m范围内，因此在设计维修方案时重点考虑提升裂缝两侧1m范围内的路面结构强度。②1号板块由于原路面本身裂缝破坏不太严重，进行维修后，动态弯沉平均值降低了8%～9%。而对于原路面裂缝破坏严重的2～4号板块，各板块的动态弯沉平均值降低达20%～30%，表明采用注浆与灌封相结合的维修方案对路面结构强度的提升十分显著。 ③经过对裂缝的处治，板块结构强度的均匀性得到极大提高。各板块弯沉标准差降低比例均在30%以上，4号板块降低甚至达到83%。

3 弯沉盆形态参数

FWD弯沉盆中含有丰富的路面结构信息[20]，荷载中心动态弯沉指标主要反映的是维修处治对裂缝附近路面结构强度的提升，尚不能直观反映维修前后裂缝位置传荷能力的变化。对弯沉盆形态参数进行分析，可进一步评价裂缝位置路面传荷能力在维修前后的变化。

当荷载中心距裂缝距离为0.15m时，裂缝位于1、2号传感器之间，即D0和D200之间。如图6所示，在原路面开裂破坏较为严重的2号板块，维修前直接受荷一侧的D0处弯沉会远远大于D200处的弯沉，造成两者之间的斜率S0-200很大。而维修后，裂缝位置传荷能力增强，板块整体性提升，弯沉盆的形态变得更加均匀平坦，S0-200也明显增大。

图6 2号板块维修前后弯沉盆(荷载中心距缝15cm)

当荷载中心距裂缝距离为0.5m时，裂缝位于3、4号传感器之间，即D300和D600之间。如图7所示，在2号板块上，由于裂缝破坏较为严重，裂缝附近路面结构强度低，造成D200和D300甚至比在荷载中心位置的D0还要大，维修后，虽然各传感器位置弯沉都有所降低，但整个弯沉盆形态仍与维修前类似。另外，由于裂缝破坏主要对裂缝两侧1m范围内的路面结构强度影响较大，因此不考虑采用当荷载中心距裂缝距离为1m时的弯沉盆参数。

图7 2号板块维修前后弯沉盆(荷载中心距缝50cm)

综上所述，为了将维修前后弯沉盆形态变化量化表示，选择变化明显的D0与D200之间的比值D0/D200(传荷系数)作为形态参数。参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)[5]中评定接缝传荷能力分级标准，提出裂缝位置传荷能力分级标准如表3所示。

表3 裂缝位置传荷能力分级标准

计算各板块上裂缝传荷系数D0/D200并评定其传荷能力等级，得到结果如表4所示。

从表4可以看出，由于1号板块裂缝破坏不严重，本身传荷能力较强，为“优良”级别，维修后传荷系数提升不明显。而对于2号～4号板块，维修前裂缝破坏严重，传荷能力为“差”级别，3、4号板块维修后，裂缝位置传荷能力均提升到“优良”级，而2号板块裂缝破坏过于严重，虽然维修后传荷能力为“中”级，但传荷系数已经提升了257%。

表4 荷载中心距缝15cm跨缝检测时各板块的传荷系数D0/D200

因此，对于裂缝破坏严重的板块，维修后传荷系数提至原来的3～4倍，表明维修后传荷能力提升很高，受力分布更加均匀，结构强度得到显著强化。

4 结束语

笔者以某高速公路服务区路面维修工程为依托，制定了开裂路面维修方案及维修效果检测方案，以实测FWD数据为基础，通过对荷载中心弯沉值和弯沉盆形态参数的分析，提出基于FWD的高速公路服务区路面维修效果评价指标及标准。根据上述分析，得出以下结论：①采用裂缝两侧注浆处治与灌封相结合的方案，对于处治板块开裂、提高路面结构强度与结构均匀性具有显著效果。破坏严重位置维修后，动态弯沉平均值降低20%～30%，传荷系数提至原来的3～4倍。②采用FWD对缝维修效果进行评价时，建议采用将荷载盘外缘紧贴裂缝，使1号传感器和2号传感器分别位于裂缝两侧的检测方法，将荷载盘中心弯沉D0和传荷系数D0/ D200两个参数作为评价指标。③开裂对路面结构强度的影响范围在裂缝两侧各1m范围内，设计维修方案时着重考虑提升裂缝两侧1m范围内的路面结构强度。