基于弯沉盆几何形态指标的沥青路面裂缝病害定量表征研究

肖满哲 汪 林 成豪杰 于晓贺 罗 蓉

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063) (武汉市汉阳市政建设集团有限公司3) 武汉 430050)

0 引 言

裂缝是沥青路面最常见的破损形式之一，裂缝既影响道路美观，也给行车带来了一定的安全隐患，同时也会极大地影响道路的服役寿命[1].在裂缝病害评价方面，我国现行规范主要依据裂缝在路表的分布情况，即裂缝的长度和形态，以此对裂缝病害进行评价及养护决策，缺少确定裂缝位置处弯沉盆几何形态的手段，而这些信息对于制定合理的养护方案十分重要[2].除了钻芯取样，对路面结构损伤进行评价的方法有弯沉检测、探地雷达检测[3]、超声波检测[4]或混凝土自诊断等技术手段，而弯沉检测目前仍是评价路面结构状态最常用的方法.由于落锤式弯沉仪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形态，所以现在养护部门越来越多的采用落锤式弯沉仪(falling weight deflectometer，FWD)进行路面检测[5].

随着FWD的普及，路面结构层模量反算已成为路面结构性能评价中最为关键的技术之一[6].合理的结构层模量反算分析，必须保证弯沉盆实测路况条件与模量反算所需的理论模型相适应.当前各种模量反算方法，如迭代法、数据库搜索法等，都是以连续介质多层弹性体系理论模型为基础，并在某种收敛精度及迭代次数的要求下不断改变各结构层模量大小，使路表理论弯沉盆与实测弯沉盆之间的拟合度最高[7].当既有沥青路面结构发生裂缝形式的破损后，路表动态弯沉盆的分布呈现出明显的不连续特征，显著不同于完好路面结构的路表弯沉盆分布规律，而且对于同一种路面破损形式，如裂缝，由于裂缝形式和加载点位置的不同，路表弯沉盆的分布特征也不尽相同，此时仍然利用上述反算模型获取各结构层模量，往往存在着较大的变异性，不能客观地反映路面结构各结构层的性能状况.Grenier等[8-9]研究发现凿缝前后的路面弯沉盆明显变化，裂缝使弯沉盆扭曲，建议直接采用弯沉盆参数代替结构层模量，进行裂缝对路面结构影响的评价分析.邱欣等[10]进行了带裂缝CTB沥青路面路表动态弯沉盆分布特征分析，发现半刚性基层沥青路面路表动态弯沉盆分布规律与完好路面结构存在着显著的差异.叶云斌等[11]分析了半刚性基层是否出现开裂时的路表弯沉盆参数变化特性，发现路面裂缝传荷效率和弯沉盆最大斜率可用于判别沥青路面半刚性基层是否开裂.臧国帅等[12]建立了基于FWD的半刚性基层开裂状况无损评价模型，该评价模型适用于不同强度的半刚性基层损坏状况的无损判别.当前利用FWD进行路况弯沉盆检测，通常针对的是完好路面或者含有裂缝病害的路面，无法对不同形式裂缝对应的弯沉盆特征进行系统准确的表征.

文中基于京港澳高速湖北段还有裂缝路段弯沉盆检测数据，通过开展弯沉盆几何形态指标计算，探讨了沥青路面存在不同形式裂缝病害时路表代表弯沉盆指标的分布规律，提出基于0号传感器和1号传感器位移之比,以及0号传感器和1号传感器位移之差这两个指标来定量表征不同形式的沥青路面裂缝病害，并结合依托工程进行了实例分析.

1 沥青路面裂缝状况检测方案

研究路段主线全长339 km，路面结构(土基以上)见图1.该段高速公路沥青路面在逐年递增的行车荷载和“夏季湿热多雨，冬冷严寒”的气候特征的综合作用下，出现了一系列路面损坏，其中以横、纵向裂缝最为突出.

图1 京港澳高速湖北段结构设计示意图

落锤式弯沉仪检测的基本原理：通过计算机控制系统所控制的液压系统，将弯沉锤从一定高度自由落下，通过冲击承载板传力以脉冲荷载的形式锤击路面，使路面在动态荷载的作用下发生瞬时变形，分布在距离中心位置不同距离的位移传感器检测到路面变形后，将数据传输到计算机控制系统，形成动态荷载下的弯沉数据和弯沉盆形态.落锤式弯沉仪原理见图2.

图2 落锤式弯沉仪检测原理示意图

采用7-150 kN型落锤式弯沉检测车进行路面弯沉检测，落锤底面直径为30 cm，采用一级55 kN加载.在横向布置D0～D6共七枚传感器，横向传感器布置情况见图3.

图3 落锤式弯沉仪传感器横向布置示意图

2 沥青路面裂缝病害表征

2.1 弯沉盆几何形态指标

1) 直接弯沉指标 直接弯沉指标是指落锤式弯沉仪上传感器所测得的实际位移值，符号记为Di.

2) 弯沉比、弯沉差指标 弯沉比是指任意传感器测点弯沉值与落锤中心测点的弯沉值比值，弯沉差是指落锤中心测点处弯沉值与任意测点处弯沉值的差值.其中，弯沉比可以有效判断检测点位置的结构承载力水平；弯沉差可以很好的表征沥青面层处荷载沿传感器布设方向(道路横向)的传递水平.弯沉比、弯沉差指标为

Dri=Di/D0

(1)

Ddi=D0-Di

(2)

式中：Dri为弯沉比，i=1,2，…，6；Ddi为弯沉差，μm，i=1,2，…，6；D0为落锤中心测点处传感器位移值，μm；Di为任意测点处传感器位移值，μm.

2.2 横纵向裂缝病害定量表征

1) 横向裂缝处代表弯沉盆几何形态指标分析 选取京港澳高速湖北段的含有横向裂缝的3个路段(行车道)，实际路段区间与路段编号对应换算表见表1.

表1 实际路段区间与路段编号对应换算表

对1号路段5个测点处的相同位置处所测得的位移值进行平均，得到该路段的代表弯沉盆形态，同理得到2号路段、3号路段的代表弯沉盆形态，1～3号路段的代表弯沉盆的形态曲线见图4.

图4 1～3号路段代表弯沉盆形态曲线图

由图4可知：3个路段在0号传感器与1号传感器之间的位移值均处于下降趋势，且2、3号路段下降速率均显著高于1号路段的下降速率，说明横向裂缝病害越严重，测点周边的路面承载力消损的越快速.

2) 纵向裂缝处代表弯沉盆几何形态指标分析 选取京港澳高速湖北段的含有纵向裂缝的2个路段(行车道)，实际路段区间与路段编号对应换算表见表2.

表2 实际路段区间与路段编号对应换算表

对4号路段四个测点的相同位置处所测得的位移值进行平均，得到该路段代表弯沉盆几何形态指标，同理可得到5号路段的代表弯沉盆几何形态指标，根据测点计算得到的4、5号路段的弯沉盆几何形态指标见图5.

图5 4、5号路段代表弯沉盆形态曲线图

由图5可知：①两个路段的测点，弯沉盆在传感器1处出现明显拐点，传感器位移值较传感器0处迅速减小，在其他传感器位置处，5号路段的传感器位移值都高于4号路段的位移值，而且幅度大于横向裂缝，说明纵向裂缝影响范围较横向裂缝更小，测点周边的路面性能较测点处有明显改善，但是5号路段的路面性能明显比4号路段差；②传感器6处弯沉盆变化最小，两个路段在该位置处的位移值基本一样，说明在不同路面状况下，传感器6处数据最为稳定，不同路面状况对该点的影响最小；③两个路段在0号传感器与1号传感器之间的位移值均处于下降趋势，且5号路段下降速率显著高于4号路段的下降速率，说明纵向裂缝病害越严重，测点周边的路面结构承载力减弱的越快速.

2.3 弯沉盆几何形态指标特征分析

通过以上的分析，为准确判定横纵向裂缝对路面的损伤程度与范围，表征裂缝位置处的弯沉盆几何形态指标特征，以1～3号路段横向裂缝的代表弯沉盆和4、5号路段纵向裂缝路段的代表弯沉盆为原始数据，确定出两个弯沉盆特征值指标：0处传感器弯沉值与1处传感器弯沉值的比值Qr1；0处传感器弯沉值与1处传感器弯沉值的差值Qd1；具体计算为

Qr1=D0/D1

(3)

Qd1=D0-D1

(4)

式中：Qr1为弯沉比；Qd1为弯沉差；D0为落锤中心测点处传感器位移值；D1为第一个测点处传感器位移值.

通过特征值Qr1的比较，可以判断裂缝病害对路面结构承载力的损害程度，即对测点周边路面状况的分析；Qd1特征值可以有效判断沥青面层处裂缝对周边路面结构承载力的影响范围，即对检测点位置周边的面层结构承载力的判定.根据横纵向裂缝各测点处的代表弯沉盆指标计算得到1～5号路段的弯沉盆几何形态特征指标值，见表3.

表3 1～5号裂缝路段弯沉盆特征Qr1指标和Qd1指标

由表3可知：

1) 总体上，横向裂缝的弯沉盆特征指标Qr1均位于1.4～2.1，Qd1都大于50 μm；而纵向裂缝Qr1均位于1.2～1.4，Qd1都处在20～40 μm.

2) 横向裂缝Qr1指标平均值为1.855，明显大于纵向裂缝特征指标Qr1的平均值，说明横向裂缝对路面结构承载力的损害程度强于纵向裂缝的损害程度，纵向裂缝位置处的路面承载能力更好；横向裂缝Qd1指标平均值为83 μm，显著大于纵向裂缝的31 μm，说明含有横向裂缝的沥青面层结构承载力明显优于含有纵向裂缝的沥青面层结构承载力.

2.4 工程实例分析

选取2018年京港澳高速湖北段横向裂缝与纵向裂缝路段各2条，其基本信息见表4.

表4 选取验证路段基本信息表

在不同路段裂缝位置处各选取3个测点，按照前述方法，得到横纵向裂缝的代表弯沉盆值，验证路段代表弯沉盆值见表5.

表5 验证路段弯沉盆特征值汇总

对上小节所取得的验证路段代表弯沉盆值按照前文所提出的方法进行弯沉盆特征指标Qr1和指标Qd1计算，横纵向裂缝特征值指标见表6.

表6 验证路段弯沉盆特征值汇总

由表6可知：

1) 横向裂缝的弯沉盆特征指标Qr1都位于1.4～2.1，Qd1也都大于50 μm；而纵向裂缝Qr1均位于1.2～1.4，Qd1都处在20～40 μm，符合上文所总结的基于弯沉盆指标的横纵向裂缝病害表征规律.由此可知，利用弯沉盆特征指标Qr1和Qd1来定量表征京港澳高速湖北段横纵向裂缝路段，效果较好，可用于京港澳高速湖北段主要裂缝类型的定量表征.

2) 横向裂缝路段的弯沉盆特征指标Qr1平均值为1.447，明显大于纵向裂缝指标Qr1的平均值，说明横向裂缝对路面结构承载力的损害程度强于纵向裂缝，纵向裂缝位置处的路面承载能力较好；横向裂缝弯沉盆特征指标Qd1平均值为85 μm，显著大于纵向裂缝的指标Qd1的平均值，说明含有横向裂缝的沥青面层的结构承载力状况明显优于含有纵向裂缝的沥青面层，很好的验证了上文的研究结果.

3) 在养护维修工作中，根据横纵向裂缝的弯沉盆特征值表现，对横纵向裂缝路段制定不同的维修养护方案.Qr1和Qd1指标特征值都表现为轻度的纵向裂缝路段，分析认为该种裂缝路段仅仅是面层出现的疲劳损伤，其损害程度不深，范围不广，维修时仅对面层进行处置，如现场热再生、薄层罩面等，即可起到很好的工程效果；而Qr1和Qd1指标特征值都表现为重度的横向裂缝路段，分析认为该种裂缝是基层反射裂缝引起面层出现损伤，损害深度与范围较大，维修时需对面层进行铣刨，对基层补强后再铺筑面层，才能达到较好的工程效果.

3 结 论

1) 通过开展裂缝病害的弯沉盆几何形态指标计算，系统构建了裂缝类病害在路面内部的弯沉盆特征量化指标，采用基于弯沉盆几何形态特征的定量表征方法，综合分析了两类裂缝的弯沉盆特征指标的分布规律.

2) 弯沉盆指标特征值对横纵向裂缝的影响程度和范围的正确表征，为裂缝路段结构承载力计算提供了更为准确科学的分析方法，其分析结果较单纯的依靠单点弯沉值更为可靠.

3) 在路面裂缝的养护维修工作中，可根据横纵向裂缝的弯沉盆特征值表现来判断裂缝对路面结构承载力的影响程度和范围，以此制定不同形式裂缝的维修养护方案，可以达到较好的工程效果.

4) 文中提出的基于弯沉盆特征指标的横纵向裂缝定量表征方法，合理可靠，但受限于已有的实测弯沉盆检测数据，对于不同类型路面裂缝病害的弯沉盆特征值表征的表现还有待进一步研究.