基于裂缝宽度统计的水稳碎石微裂技术试验研究*

魏连雨，李 娜，张 静

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

基于裂缝宽度统计的水稳碎石微裂技术试验研究*

魏连雨，李 娜，张 静

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

在解决半刚性基层收缩裂缝问题上，水泥稳定碎石基层微裂技术在我国一直处于研究与发展的初期阶段。通过研究振动压实仪的振动时间与无侧限抗压强度降低百分率之间的关系，确定了微裂程度与振动时间的对应关系；利用裂缝宽度检测仪观测和读取微裂后试件表面的微裂缝宽度值，并借助SPSS软件对实测微裂缝宽度值数据进行处理与统计分析。研究表明：通过描述性统计分析确定出不同微裂程度下微裂缝宽度值的分布范围，为水泥稳定碎石基层微裂技术提供了定量关系的理论参考；同时利用单变量多因素方差分析(UNIANOVA)研究微裂程度与材料结构类型对微裂缝宽度值影响显著性，得出微裂程度对于微裂缝宽度值影响显著，而材料的结构类型对于微裂缝宽度值无显著性影响。

道路工程；水泥稳定碎石；微裂技术；SPSS；描述性统计分析；UNIANOVA

0 引 言

水泥稳定碎石基层微裂技术是在较短的养护时期(一般为1～3 d)，让振动压路机碾压水泥稳定基层，产生细裂缝网络[1]。微裂通过在水泥稳定碎石基层上引入间距很近的微细裂缝网，减少了早期收缩应力，提供了一个使宽收缩裂缝的发展最小化的裂缝模式。因为微裂在养护初期进行并且这些裂缝随水泥的水化反应会自愈，水泥稳定碎石强度将随时间继续增长，故不会影响路面的承载能力[2]。微裂的目标是预防形成严重的宽裂缝，以减少裂缝反射到道路面层而引起路面开裂的危害[3]。奥地利研究者J. LITZKA 等[4]于1995年首先提出微裂概念，德州交通研究所的S. SEBESTA等[5]对微裂技术进行了持续研究，虽然国际上开展微裂技术的研究已有10多年[6]，对于我国而言，尽管微裂技术在实际道路工程中已得到初步应用，但其在理论层面的研究仍处于初期发展阶段，缺少相关的理论依据和技术标准。对于水泥稳定碎石微裂技术微裂缝宽度值范围尚无明确定义，不同微裂程度下微裂缝发展的宽度尚无对应的定量关系，且材料结构类型是否对微裂缝宽度有显著性影响等相关的理论依据也有待进一步完善及扩展。

笔者通过室内试验对两种不同结构的水泥稳定碎石试件分别进行不同程度的微裂，利用裂缝宽度检测仪对微裂后试件表面的微裂缝宽度进行检测，借助SPSS软件中的探索性统计方法将实测数据中的微裂缝宽度极端值剔除后对其进行描述性统计分析[7]；同时利用UNIANOVA[8]研究微裂程度与材料结构类型对微裂缝宽度值的影响是否显著，以便在实际道路施工中提供一定的理论参考价值。

1 微裂程度控制试验

1.1 试验仪器及振动参数的设定

DZY-09型振动压实仪能够用于模拟实际道路施工中振动压路机的工作特点，该室内试验仪器是基于振动压路机的工作原理研发而成的，实现了设备上静压力、激振力、振幅和振动频率等振动参数的可调性，能够充分模拟现场碾压机械的工作状况，可实现室内微裂技术研究的需要。其主要构造及外观如图1、图2。

1—升降系统；2—机架；3—上车系统；4—偏心块；5—转动轴；6—下车系统；7—振动锤；8—试模；9—控制系统；10—转动轴；11—电机图1 振动压实仪的主要构造Fig.1 Main structure of vibration compaction instrument

图2 振动压实仪外观Fig.2 Appearance of vibration compaction instrument

结合JTG E 51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中关于振动压实试验方法的规定，拟定室内微裂损伤程度控制试验所采用DZY-09型振动压实仪的振动参数为：振动频率30 Hz、静压力1 900 N、振幅为25 mm、激振力6 900 N。实际工程中在现有碾压设备条件下现场碾压的功取决于碾压遍数，而室内试验在振动压实仪振动参数确定的情况下振动做功则取决于振动时间[9]，故通过振动压实仪的振动时间来实现对微裂程度的控制。

1.2 微裂程度控制试验过程及结果

试验选用骨架密实型和悬浮密实型两种级配结构，分别在养护2 d对其进行3种不同程度的微裂，以无侧限抗压强度降低百分率作为微裂程度的评价指标，并通过振动压实仪设定不同的振动时间来控制不同程度微裂的实现。在制备不同微裂程度试件过程中，同一水平试件数量为15个，求无侧限强度降低百分率的平均值作为该水平下的微裂程度。试验结果如表1。

表1 微裂程度控制试验结果Table 1 Test results of micro-crack degree control

注：无侧限抗压强度取15个试件测定的平均值；水泥含量均为5%。

由于测定过程中的不稳定性及试件本身存在变异性，表中微裂程度(无侧限抗压强度降低百分率)可近似归纳为20%、30%和40%，上下浮动范围为5%。

由此基本确定微裂程度分别为20%、30%、40%时对应的振动时间为90、150、210 s，利用振动时间的不同确定不同微裂程度下的试件表面微裂缝的不同分布状态，以提取用于观测的微裂缝宽度值。微裂试验中同一水平(结构类型及振动时间相同)试件数量为5个，未微裂的试件表面和不同微裂程度微裂后试件表面的裂缝分布情况如图3。

图3 不同结构试件未微裂和不同微裂程度微裂后效果Fig.3 The effect diagram of different structure specimens with different degrees of micro-crack and without micro-crack

2 微裂缝宽度检测

2.1 裂缝宽度监测方案

试验借助KON-FK(B)裂缝宽度监测仪观测微裂后试件表面微裂缝的宽度值[10]。康科瑞裂缝宽度监测仪主要由主机、探头及信号线组成，如图4，可用于结构表面裂缝宽度值的实时自动测量，且能够自动判读并存储数据。由于其具有智能判读斜向裂缝，自动判读时不要求屏幕必须呈竖直走向，可以自动识别斜向裂缝走向并精确判读出垂直于倾斜方向的真实缝宽值；数据与图像同时存储，U盘可导出数据和图像等特点，故可以较准确方便地观察微裂缝并读取缝宽值。

图4 裂缝宽度监测仪Fig.4 Crack width monitor

为了能够使观测数值范围更加全面地覆盖试件表面，每个试件在顶面选取的观测位置如图5(a)，其中小圆代表探头观测的视野范围。试件顶面直径为150 mm，探头可视范围直径为30 mm，如图5布置观测位置后还剩余4个未布设观测点的空白位置，故可任取其中3个位置用于补充数据的观测。裂缝宽度监测仪的操作过程如图5(b)。每个试件表面取20个观测数据，主机自动识别裂缝并读取缝宽值后将数据存盘以待进一步的分析处理。

图5 观测位置及操作过程Fig.5 Observation position and operation process

2.2 微裂缝宽度值提取

利用U盘将已存盘的检测数据导出，通过机外数据处理软件，即：康科瑞缝宽检测分析软件V1.3(B-1009)，对kfk格式的文件处理分析。软件的操作界面如图6，系统自动计算统计出每个构件中所测裂缝宽度最值及平均值。所有检测裂缝的宽度值(600个)及不同结构类型的试件在不同微裂程度下的裂缝宽度代表值(6个)分别见表2和图7。

图6 缝宽检测分析软件操作界面Fig.6 Interface of crack width detection and analysis software

微裂程度/%骨架密实悬浮密实203040203040微裂缝检测值/mm0．020．200．210．080．120．360．050．230．390．080．050．140．030．210．380．190．200．140．190．200．300．070．110．350．020．190．050．070．110．290．080．300．370．300．100．200．070．200．440．060．040．300．210．130．370．050．050．450．080．190．330．140．140．060．050．110．200．100．190．050．080．080．200．200．180．430．070．100．120．080．210．250．100．370．050．050．140．280．020．140．550．250．020．170．040．210．250．050．110．290．050．100．350．030．040．380．070．210．400．100．360．510．030．120．210．020．220．190．070．190．120．070．150．200．090．260．360．030．140．32

注：由于版面有限，同一水平其他4组平行试验数据省略不写。

图7 不同微裂程度裂缝检测宽度值提取示意Fig.7 Extraction of width value of crack detection with different micro-crack degrees

3 微裂缝宽度值统计与分析

3.1 微裂缝宽度值分析软件

试验实测数据为2种结构类型下3种微裂程度的微裂缝宽度值，并且每种情况设置的平行试验为5组，故共有600个微裂缝宽度值作为原始数据分析。由于SPSS是发展较早且广泛应用于自然科学、技术科学、社会科学各领域的统计分析软件包且具有强大的数据处理和统计分析等功能[11]，因此借助SPSS软件对大量实测微裂缝宽度值进行统计分析。研究需得出微裂程度和结构类型这两种影响因素与微裂缝宽度值单一变量之间的定性及定量关系，故可以利用SPSS软件中描述性统计分析及单变量多因素方差分析(UNIANOVA)等功能对微裂缝宽度值进行统计与分析。

3.2 微裂缝宽度值统计分析过程

3.2.1 建立数据文件

将微裂缝宽度值(width)、结构类型(type)、微裂程度(degree)、平行组编号(parallel)、微裂缝编号(number)定义为变量，其中结构类型的值定义为1-骨架密实型(GM)、2-悬浮密实型(XM)；微裂程度的值定义为1-20%、2-30%、3-40%，定义变量完成后切换到数据视图中输入全部的试验数据，即SPSS数据文件[12]创建完成。变量视图及数据视图内容如图8。

图8 变量视图、数据视图内容Fig.8 Content of variable view and data view

3.2.2 描述性统计分析

为了便于比较结构类型与微裂程度相同时，平行组别之间的数据分散情况是否大体一致且排除各组内离群值和极端值的影响，将数据文件按照结构类型和微裂程度进行拆分，然后利用箱图进行对数据的初步探索性分析[13]。分析结果如图9。

图9 箱线图探索性分析结果Fig.9 Results of exploratory analysis of box line graph

由图9可以看出：当微裂程度较小(20%)时，微裂缝宽度值中的异常值(离群值和极端值)较多，而随着微裂程度的增加，两者的数量逐渐减少直至消失。这是由于微裂程度较小时，试件表面普遍产生宽度值较小的细微裂缝，但是在石料与胶浆界面强度较为薄弱[14]，故会开展较宽的几条裂缝；骨架密实结构的试件在微裂程度较小时出现的异常值数量比悬浮密实结构的试件多，这正是因为骨架密实结构中的粗骨料较多导致胶结面数量增加，从而产生较多的高于这一水平裂缝宽度值的微裂缝，即出现较多的极大端值。当微裂程度较大(40%)时，试件表面产生了普遍较宽的微裂缝，而在强度较大部位裂缝宽度会不同程度的减小，致使微裂缝宽度值分布范围变大。

基于上述原因，将微裂程度为20%～30%微裂缝宽度值数据中的异常值剔除后的平均值作为结果进行分析；微裂程度为40%的微裂缝由于微裂程度较大故选取宽度值数据的下四分位数作为结果进行分析。经多次异常值剔除后的探索性分析，最终结果如表3。

表3 描述性统计资料Table 3 Data of descriptive statistics

由表3可知：骨架密实型结构微裂程度为20%时，微裂缝宽度值取0.058 mm；微裂程度为30%时，微裂缝宽度值取0.184 mm；微裂程度为40%时，微裂缝宽度值0.378 mm。悬浮密实型结构微裂程度为20%时，微裂缝宽度值取0.088 mm；微裂程度为30%时，微裂缝宽度值取0.140 mm；微裂程度为40%时，微裂缝宽度值0.350 mm。

3.2.3 单因变量多因素方差分析(UNIANOVA)

单因变量多因素方差分析[15](UNIANOVA)，是研究多因素(结构类型、微裂程度)对实验结果(微裂后的裂缝宽度值)的影响，以及各因素相互作用对试验的影响。多因素方差分析采用F检验，其零假设是H0：各因素不同水平下观测变量的均值无显著差异。SPSS将自动计算F值，并依据F分布表给出相应的概率P值。由此可以根据相伴概率P值和显著性水平α的大小关系来判断各因素的不同水平对观测变量是否产生了显著性影响。

UNIANOVA结果显示：type因素的P值为0.354，大于显著性水平α=0.05，统计上不显著；degree因素的P值为0.000，小于0.05，统计上显著[16]。说明微裂程度对于微裂缝宽度值影响作用显著，事实上起着较为根本的作用；而结构类型对于试验结果影响作用不显著，即微裂缝宽度值在两种结构类型上表现基本无差异。故确定微裂缝宽度值与微裂程度对应关系时无需分结构类型进行讨论。

4 结 论

1) 通过水泥稳定碎石室内微裂强度试验确定出微裂程度，即无侧限抗压强度降低百分率，与振动时间之间的对应关系，从而能更好地控制试件的微裂程度以便研究其与微裂缝宽度值之间的定量关系。

2) 通过裂缝宽度检测仪收集微裂缝宽度值，并利用SPSS软件描述性统计方法对试验数据进行处理及统计分析，得出微裂缝宽度值与微裂程度之间的定量关系：微裂程度为20%，微裂缝宽度值在(0.05±0.05) mm范围内分布；微裂程度为30%，微裂缝宽度值在(0.15±0.05) mm范围内分布；微裂程度为40%，微裂缝宽度值在(0.3±0.1) mm范围内分布。

3) 通过对微裂缝宽度值进行UNIANOVA分析看出，水泥稳定碎石的结构类型对于微裂缝宽度值无显著性影响，说明水泥稳定碎石基层微裂技术在两种结构类型上均适用，即微裂技术在实际道路施工中的应用范围较为广泛。

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Experimental Study on Micro-cracks Technology of Cement StabilizedMacadam Based on Crack Width Statistics

WEI Lianyu，LI Na，ZHANG Jing

(School of Civil and Transportation Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P. R. China)

For the settlement of shrinkage cracks of semi-rigid base，the micro-crack technology of cement-stabilized macadam base in our country has been at the early stage of research and development. Through the study on the relationship between vibration time of the compaction tester and reducing percentage of unconfined compressive strength，the relationship between the degree of micro-crack and vibration time was determined; the micro-crack width value on the specimen surface after micro-crack was observed and read by the crack width detector; the processing and statistical analysis on the filed measurement data of micro-crack width was carried out with the help of SPSS. The results show that：through descriptive statistical analysis，the range of micro-crack width value at various degrees of micro-crack is determined，which provides the theoretical reference for the quantitative relationship for the micro-crack technology of cement-stabilized macadam base. At the same time，by using univariate analysis of variance (UNIANOVA) to research the impact significance which the micro-crack degree and the type of material structure have on the micro-crack width value，it is concluded that the micro-crack degree has a significant effect on micro-crack width value while the type of material structure has no significant effect on that.

highway engineering; cement-stabilized macadam; micro-crack technique; SPSS; descriptive statistical analysis; UNIANOVA

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.06

2016-09-22；

2017-02-20

魏连雨(1957—)，男，天津人，教授，主要从事道路与交通工程方面的研究。E-mail：wly57@126.com。

李 娜(1992—)，女，天津人，硕士，主要从事道路与交通工程方面的研究。E-mail：15802204052@163.com。

U416.2

A

1674-0696(2017)12-030-06

谭绪凯)