基于PFWD的水泥路面板底脱空评定可行性研究

顾兴宇, 袁青泉, 倪富健

(东南大学交通学院,江苏 南京 210096)

在旧水泥混凝土路面上直接加铺沥青罩面层是改善行驶性能的一种技术手段。但当水泥混凝土板底存在脱空时,荷载作用下接缝位置处加铺层底将产生应力集中[1],加快了反射裂缝的发生和发展,最终将导致沥青加铺层过早地开裂、破坏。因此,对于加铺前的水泥混凝土路面,如能评判出板下脱空的位置和面积,加铺前采取有效的修复措施,可阻止此类病害的发展。

目前主要通过测定混凝土板的弯沉来评定水泥路面是否存在脱空,常用的弯沉测试方法主要有贝克曼梁法和FWD法[2,3]。贝克曼梁法主要测试板角弯沉值,如果弯沉值或相邻板块间的弯沉差超过某一限值,即认为存在脱空。但是贝克曼梁在应用中存在测试步骤繁琐、速度慢、精度和可靠度低等缺点。FWD法则是实测板边板角弯沉,并绘制成弯沉断面图,当实测弯沉大于标准弯沉值时,则认为混凝土板下存在脱空。但在弯沉检测过程中,FWD很难做到多板多测点位置的精确定位,从而导致检测数据与实际弯沉存在差异,对后期处治工作展开造成不利影响。

手持落锤式弯沉仪(PFWD)在土基、基层和沥青面层的检测中已经有了较深入的研究,具有精度高、速度快、定位准确等优点,但其在刚性路面中的应用研究还比较少。本文依托于界首-阜阳-蚌埠(简称“界阜蚌”)高速公路改建工程,对基于PFWD的水泥路面板脱空评定进行可行性研究。

1 PFWD弯沉检测

1.1 PFWD简介

手持落锤式弯学仪(RFWD)如图 1所示,PFWD脉冲荷载作用如图2所示。

应用PFWD对刚性路面进行弯沉检测时,为了确保路面板弯沉对荷载响应的敏感度,将标准锤重从10 kg加大至20 kg,作用于路面的是直径为30 cm的圆形均布冲击荷载,荷载随时间的变化图式为半正弦波,作用时间为25 ms。

1.2 弯沉检测方法

应用手持落锤式弯沉仪进行弯沉检测包括3个步骤:板块编号;路面弯沉测试;弯沉数据采集。鉴于检测十分便利,为了充分了解混凝土板不同位置的脱空情况,弯沉检测按照板中、板角(4个)和板边(4个板边的中点)共进行9个点的弯沉测量,如图3所示。

图1 手持落锤式弯沉仪(PFWD)

图2 PFWD脉冲荷载作用

图3 PFWD弯沉检测

为了保证检测数据的准确性和可靠度,应对同一点进行3～4次检测,舍去第1次检测的数据,取余下准确数据的平均值。

2 水泥混凝土板脱空规律和评定流程

2.1 板底脱空发展一般规律

根据已有研究成果[4],不设传力杆水泥混凝土路面板底脱空基本规律是:板角最容易脱空,沿着行车方向的前板板底脱空区小于后板;板边脱空发展滞后于板角,并且横向板边脱空区大于纵向板边;除板块断裂外,板中基本不脱空。

2.2 基于实测数据的脱空演化规律统计学验证

界阜蚌高速水泥混凝土路面横缝不设传力杆,现场对在界阜蚌高速公路K337+400～K341+620试验段216块路面板进行了9个点的弯沉检测,通过实测弯沉数据的单因素方差分析,验证了界阜蚌高速水泥混凝土板下脱空发展的规律。

单因素方差分析是对一批试验数据的某一影响因素的方差进行分解和分析,通过F检验,分析是否有系统误差在起作用。单因素方差分析的数据结果有平方和(SS)、自由度(df)、方差(MS)、方差分析统计量(F)和方差分析的临界值(Fcrit)。若F＜Fcrit,则认为所分析的数据来自同一正态分布母体,即没有系统误差的影响,它们之间的差异是由随机误差引起的;反之,则认为存在系统误差,需要进一步确定该因素影响的数量大小。

(1)实测弯沉数据初步分析。根据9个测点弯沉数据统计出弯沉的均值和方差,见表1所列。

表1 各点平均弯沉初步统计分析

从表1可以看出,板中弯沉和方差都是最小的,从小到大分别为板中、板边和板角,这说明板角最容易出现脱空,其次是板边,板中脱空发生的几率最低,即界阜蚌高速混凝土路面板底脱空发展与一般规律基本一致。

(2)板角实测弯沉数据的显著性分析。对各板角进行单因素方差分析,分析结果见表2所列。

表2 板角弯沉单因素方差分析

由方差分析有F＞Fcrit,说明不同位置板角的脱空区域是不同的。由于3号板角和其它板角的弯沉统计数据相差较大,故剔除板角3,对1、7、9号板角进行单因素方差分析,结果见表3所列。

表3 1、7、9号板角弯沉单因素方差分析

表3中,F ＜Fcrit,可以认为1、7、9号板角脱空区域是一样的,它们之间的误差可以认为是施工因素或检测误差造成的。

(3)板边实测弯沉数据的显著性分析。同样对216个板边测点进行单因素方差分析,结果见表4所列。

表4 板边弯沉单因素方差分析

从表4分析同样表明,测点位置对板边脱空区域的影响是不能忽略的。由初步分析可知2、8号板边和4、6号板边的均值和方差相近,进一步分别对2、8号板边和4、6号板边进行单因素方差分析,结果见表5和表6所列。

单因素方差分析得F＜Fcrit,从统计学角度可以认为2号和8号板边、4号和6号板边的脱空区域是一样的,它们之间的差异可以看作是检测误差。

表5 2、8号板边单因素方差分析

表6 4、6号板边单因素方差分析

统计学验证分析表明,界阜蚌高速公路水泥混凝土路面脱空发展演化遵循水泥混凝土板下脱空发展的一般规律,即脱空发展总体趋势是:板角脱空—板角+横边脱空—板角+横边+纵边脱空,板中基本不脱空。

2.3 基于PFWD的脱空评定基本步骤

根据上述脱空演化规律,可确定水泥混凝土板脱空指标的步骤如下:

(1)统计归纳出弯沉分布区间和变化规律,结合路面板病害情况(尤其是断板和脱空病害),初步判断板中脱空对应弯沉指标。

(2)利用有限元计算得到不同脱空面积下板边和板角的弯沉值,回归得到板边和板角理论弯沉和脱空面积的关系式,利用回归关系式,计算当板边和板角脱空面积为零时的板边和板角理论弯沉。

(3)结合PFWD测试精度,最终确定用于脱空评定的板中、板边和板角弯沉指标。

3 路面板底脱空指标分析

统计分析得到板中弯沉标准,并结合路面芯样试验结果,在一定的路面结构尺寸下反算基层顶面的当量回弹模量,并用于板角和板边脱空标准的理论分析,结合弯沉测试的结果,分析板边和板角脱空的弯沉指标[5-7]。

3.1 有限元计算模型

采用大型有限元分析软件ABAQUS建立合适的路面结构力学模型。其中,路面结构和参数模型、平面尺寸模型都是根据试验段的调查结果,荷载模型是对PFWD脉冲荷载的模拟[8-10](见图2)。

由于模型的平面尺寸较大,同时为了与实际路面结构受力状态相符,模型的边界条件[11]为:模型底部所有自由度全部约束,模型的前后端面约束X方向位移,模型的一个侧面约束Y方向的位移。

本力学分析关注变量是模型的最大位移,宜采用三维8节点线性减缩积分单元(C3D8R),既能保证位移计算的精度,又能够提高计算分析的效率。

各模型及参数,如图4所示。

图4 有限元分析模型

3.2 板中弯沉统计分析

由检测的216块路面板板中弯沉值,统计出板中弯沉的分布范围和累计频率,如图5所示。

图5 板中弯沉实测数据频率分布和累计分布

从图5可知,95%的板中实测弯沉数据小于8×0.01 mm,而板中弯沉大于8×0.01 mm的板块都是断板,可初步确定板中不脱空对应弯沉为8×0.01 mm,以此为基础通过反复试算,确定用于板边板角弯沉分析的有限元模型。

3.3 板边弯沉有限元计算分析

根据板中弯沉分析确定的有限元模型,计算分析了不同脱空尺寸组合下的板边理论弯沉,见表7所列。

表7 板边弯沉分析结果

由此得到板边弯沉和脱空尺寸回归关系式,相关系数大于0.966,如图6所示。

由图6可以看出,当板边不脱空时,板边理论弯沉为13.01×0.01 mm。

图6 板边脱空尺寸-理论弯沉关系图

3.4 板角弯沉有限元计算分析

同理,通过有限元计算得到不同脱空尺寸组合下的板角理论弯沉,见表8所列。

表8 板角弯沉分析结果

由此得到板角弯沉和脱空尺寸回归关系式,相关系数达到0.988,如图7所示。从中可以看出,当板底不脱空时,板角理论弯沉为17.29×0.01 mm。

图7 板角脱空尺寸-理论弯沉关系图

通过板中弯沉实测及有限元模拟计算,板中、板边和板角脱空的弯沉指标分别为8.0×0.01 mm 、13.01×0.01 mm 、17.29×0.01 mm,考虑到PFWD弯沉测试存在一定的误差,但其总体变异系数都小于10%,最终确定板中、板边和板角脱空的弯沉指标分别为9.0×0.01 mm、13.5×0.01 mm和18.0×0.01 mm。

4 脱空指标实测验证

根据最终确定的脱空弯沉指标,对界阜蚌高速K337+400～K341+620试验段其余各板进行验证测试,共检测434块板,统计出各测点脱空的板块数和脱空率,见表9所列。

表9 试验段脱空统计表

从表9可以看出,板中基本不脱空,板角脱空最严重,2、8号板边脱空较严重,这是符合统计学分析结论的,即小样本分析结果与整体样本分析具有一致性。因此,通过PFWD弯沉快速检测与评定可以精确确定旧水泥混凝土路面各点的脱空弯沉指标,为脱空的准确定位与修复提供了技术支持。

5 结束语

(1)通过对界阜蚌高速水泥混凝土路面板中、板边和板角弯沉的统计学验证分析,其脱空发展程度是各不相同的,板中一般不脱空,板角最容易脱空;对于不同位置的板边和板角,其脱空程度与行车荷载的反复作用位置和方向有密切关系。

(2)根据水泥混凝土路面的脱空规律,应用数理统计方法可确定出板中不脱空对应的临界弯沉,由此确定有限元分析模型推导出板边和板角的临界弯沉,并通过实测弯沉大致推断脱空面积。

(3)大样本实测弯沉数据的验证分析表明,基于PFWD弯沉检测的评定方法可用于水泥混凝土路面板底脱空的快速精确评判。

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