测点偏移对水泥混凝土路面板角弯沉测试的影响

刘海军,王子彬,牛晓霞,李 浩

(1.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心，广东 广州 510420；2.广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420)

0 引 言

板角脱空是水泥混凝土路面最常见的病害之一，治理板角脱空病害是水泥混凝土路面养护的关键，也是延长水泥混凝土路面使用寿命的重要环节，而板角脱空的准确识别是基础。

JTJ 073.1—2001《公路水泥混凝土路面养护技术规范》[1]规定以板角弯沉值是否超过0.2 mm作为板角脱空的判定标准；JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》[2]规定用落锤式弯沉仪(FWD)或贝克曼梁弯沉仪进行现场测定；JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面设计规范》[3]建议根据板角隅处的多级荷载弯沉测试结果判定板底脱空；JTG E60—2008《公路路基路面现场测试规程》[4]仅给出了沥青路面弯沉的测试方法和步骤。可见，现阶段对于水泥混凝土路面板角弯沉的测量没有相关规范或操作规程，导致采用贝克曼梁、落锤式弯沉仪(FWD)进行测试时，车轮加载位置、贝克曼梁梁头及落锤的位置不明确。因此，众多学者对此类问题开展了大量研究。李想等[5-7]分析了行车荷载作用下车辆参数、路面板参数以及板底脱空对路面结构作用力的影响；王乾[8]分析了在荷载和温度作用下不同路面板底脱空位置、面积、路面板厚度等因素对水泥混凝土路面板弯沉的影响；曾小军[9]分析了接缝传荷、板底脱空状况、弯沉测试温度等因素对FWD实测弯沉值的影响，结果表明路面板接缝传荷、板底脱空状况对弯沉值影响显著。可见，现有研究中对板底脱空的检测及识别方法有较为深入的研究，却鲜有关于测试位置的不确定性对测试结果可靠性影响的研究。

在此背景下，开展了轮胎加载位置、贝克曼梁梁头及落锤摆放位置的偏移对水泥混凝土板角弯沉值影响研究，提出采用贝克曼梁弯沉法和FWD测试水泥混凝土板角弯沉时测试位置偏移需控制的范围，以规范水泥混凝土路面板角弯沉现场测试方法，同时满足水泥混凝土路面养护的需要。

1 现场测试方案

1.1 准备工作

为避免周边交通对测试造成影响，选取某旧收费广场围闭成的临时空地。先采用Dynatest-8002型落锤式弯沉仪(FWD)对试验场的水泥板块逐板检测、进行初步的脱空判定，判定原则参照美国《新建和修复路面力学-经验设计指南》[10]：利用FWD进行5 t-7 t-9 t多级加载后进行线性回归，当截距≥50 μm时表明板下可存在脱空。根据初步判定的结果选定连续的3块板作为测试对象，沿行车方向分别命名为A#、B#、C#板。A#、B#、C#水泥板长×宽×厚=600 cm×550 cm×30 cm，水泥板间均设有传力杆。对A#、C#板水泥板分别采用FWD、贝克曼梁进行弯沉测试。

考虑温度对弯沉测试结果造成的影响[11-12]，为尽量减小其影响，现场测试选择天气晴朗、气温变化较小的时间段内完成。

测试前分别对A#、B#、C#水泥板沿纵、横边按间隔5 cm布点划线。沿行车方向约定每块板右下角、右上角、左下角、左上角分别为点位1、点位3、点位7、点位9，点位采用“板块编号+点位编号”命名，如C#水泥板右下角为C1，B#水泥板右上角为B3；沿行车方向约定每块板右纵缝、左纵缝、下横缝、上横缝分别为YZ、ZZ、XH、SH，编号采用“板块编号+缝编号”命名，如C#水泥板右纵缝、下横缝分别为CYZ、CXH。

移动对象与参照对象之间距离的命名规则约定如表1和表2。如弯沉车右后侧轮胎外边缘接地点(移动对象)与C#水泥板右边纵缝CYZ(参照对象)的距离为S1。各符号意义如图1和图2。

表1 贝克曼梁测试命名规则Table 1 Naming rules in Beckman beam tests

表2 FWD测试命名规则Table 2 Naming rules in FWD tests

图1 符号示意(贝克曼梁测试)Fig. 1 Symbols schematic(Beckman beam tests)

图2 符号示意(FWD测试)Fig. 2 Symbols schematic(FWD tests)

1.2 测试方案

1.2.1 贝克曼梁测试方案

测试的主要目的在于研究轮胎加载位置和贝克曼梁梁头摆放位置的偏移对水泥混凝土板角弯沉值影响。每次测试时，同时测试B#非受荷板、C#受荷板的板角弯沉值。

测试总体原则：约定初始位置为轮胎外边缘、贝克曼梁梁头与纵缝和横缝相距5 cm；测点不动时，梁头始终位于初始位置，仅荷载移动；测点、荷载同步偏移时，梁头紧贴轮胎外边缘而同步偏移，且认为梁头、轮胎外边缘与纵缝距离相等。

经前期初步筛选，C1板角脱空，C7板角不脱空。针对C1板角有如下3个测试方案：

方案1：测点不动，荷载横向偏移。保持D1=D2=L1=L2=S2=5 cm，控制S1以研究荷载横向偏移对弯沉值的影响。控制S1的原则为：S1初始值为5 cm；当S1小于1 m时，依次增加5 cm；当S1大于1 m时，依次增加10 cm，直至S1=210 cm，共测试31次。

方案2：测点不动，荷载纵向偏移。保持D1=L1=L2=5 cm，S1=10 cm，控制S2、D2以研究荷载纵向偏移对弯沉值的影响。控制S2的原则为：S2、D2初始值均为5 cm，依次增加5 cm，直至S2=70 cm，共测试14次。

方案3：测点、荷载同步横向偏移。保持S2=5 cm，控制S1、L1、L2、D1、D2以研究测试位置偏移对弯沉值的影响。控制S1、L1、L2、D1、D2的原则为：S1、L1、L2、D1、D2初始值均为5 cm，当S1小于1 m时，依次同步增加5 cm；当S1大于1 m时，依次同步增加10 cm，直至210 cm，共测试31次。

针对C7板角有如下两个测试方案：

方案4：测点不动，荷载横向偏移。

保持D2=D3=L2=L3=S2=5 cm，控制S3以研究荷载横向偏移对弯沉值的影响。控制S3的原则为：S3初始值为10 cm，依次增加10 cm，直至S3=100 cm，共测试10次。

方案5：测点、荷载同步横向偏移。保持S2=5 cm，控制S3、L2、L3、D2、D3以研究测试位置偏移对弯沉值的影响。控制S3、L2、L3、D2、D3的原则为：S3、L2、L3、D2、D3初始值均为10 cm，依次同步增加10 cm，直至100 cm，共测试10次。

1.2.2 FWD测试方案

测试的主要目的在于研究FWD加载位置的偏移对水泥混凝土板角弯沉值影响。

经前期初步筛选，A1、A7板角均脱空。下述方案6针对A7板角，方案7针对A1板角。FWD采用5吨加载模式。

方案6：荷载横向偏移。保持N2=20 cm，控制M1以研究横向加载位置对弯沉值的影响。控制M1的原则为：M1初始值为20 cm，依次增加30 cm，直至M1=350 cm，共测试12次。

方案7：荷载纵向偏移。保持N1=20 cm，控制N2以研究纵向加载位置对弯沉值的影响。控制N2的原则为：N2初始值为20 cm，依次增加30 cm，直至N2=350 cm，共测试12次。

2 测试结果分析

2.1 贝克曼梁法测试结果分析

2.1.1 脱空板角C1弯沉测试结果分析

方案1(测点不动，荷载横向偏移)的测试结果如图3。

图3 方案1测试结果Fig. 3 Test results of scheme 1

非受荷板、受荷板板角弯沉值均随着S1增大呈线性下降趋势，拟合公式为：

y=-0.262 8×S1+61.2，R2=0.98(受荷板)

(1)

y=-0.079 6×S1+20.3，R2=0.9(非受荷板)

(2)

式中：自变量S1物理意义如图1；因变量y为受荷板或非受荷板板角弯沉值。

可见，受荷板弯沉下降幅度大于非受荷板。受荷板板角弯沉值对荷载横向偏移敏感度大于非受荷板，现场测试时，应控制受荷板荷载的横向位置。

方案2(测点不动，荷载纵向偏移)的测试结果见图4。

图4 方案2测试结果Fig. 4 Test results of scheme 2

如图4，非受荷板、受荷板板角弯沉值均随着S2增大呈线性下降趋势，拟合公式为：

y=-0.486 2×S2+61.8，R2=0.91(受荷板)

(3)

y=-0.334 1×S2+23.4，R2=0.95(非受荷板)

(4)

式中：自变量S2物理意义如图1；因变量y为受荷板或非受荷板板角弯沉值。

与方案1(测点不动，荷载横向偏移)相比，在自变量S1、S2由5 cm变化至50 cm的范围内，方案1受荷板弯沉由0.62 mm减小为0.50 mm，方案2受荷板弯沉由0.54 mm减小为0.42 mm，两者减小幅度相当。表明在一定范围内，受荷板横向、纵向偏移对弯沉的影响相当。

方案3(测点、荷载同步横向偏移)的测试结果如图5。非受荷板、受荷板板角弯沉值均随着S1增大呈线性下降趋势，拟合公式为：

y=-0.211 7×S1+55.8，R2=0.92(受荷板)

(5)

y=-0.049 7×S1+23.9，R2=0.73(非受荷板)

(6)

式中：自变量S1物理意义如图1；因变量y为受荷板或非受荷板板角弯沉值。

图5 方案3测试结果Fig. 5 Test results of scheme 3

对比方案3与方案1(测点不动，荷载横向偏移)的测试结果如图6。

图6 方案1与方案3对比Fig. 6 Comparisonof scheme 1 and scheme 3

如图6，对于受荷板，在S1≤120 cm时，方案1测试得到的弯沉值大于方案3；当S1≥120 cm时，方案1测试得到的弯沉值小于方案3。对于非受荷板，方案3测试得到的弯沉值大于方案1。表明受荷板和非受荷板贝克曼梁梁头的位置对弯沉值的测试结果均有一定的影响。

综合以上分析可得，各方案的测试结果均表明板角弯沉值与偏移距离呈线性关系。表3给出了各方案在线性拟合下各测点的拟合值，以偏移5 cm的测试值为基准，分别将不同偏移距离下的拟合值与基准值作比较，比值见表3。

如表3，方案1(测点不动，荷载横向偏移)和方案2(测点不动，荷载纵向偏移)在贝克曼梁梁头测点不动、仅荷载横向或纵向偏移的情况下，工程应用容许误差以5%～10%计算，两种方案均表明荷载偏移10 cm、20 cm可分别满足容许误差5%、10%的要求。

方案3在贝克曼梁梁头测点和荷载同步横向偏移的情况下，工程应用容许误差以5%～10%计算，结果表明同步偏移10 cm、20 cm可分别满足容许误差5%、10%的要求。

考虑贝克曼梁测试时轮胎、梁头位置的摆放习惯(沿行车方向，梁头总是位于轮胎的外侧)，相对于初始位置，梁头只要在在轮胎荷载横向或纵向偏移10～20 cm的范围内，可以满足容许误差5%～10%的要求，但建议梁头尽量位于初始位置。

表3 贝克曼梁3种方案拟合结果Table 3 Fitting results obtained by three kinds of schemes of Beckman beam

2.1.2 非脱空板角C7弯沉测试结果分析

方案4和方案5的弯沉测试结果如表4。

表4 非脱空板角C7弯沉测试结果Table 4 Deflection results of C7

如表4，方案4测试结果表明在板角不脱空时，荷载的偏移对测试结果无影响；方案五的测试结果表明，在板角不脱空时，测点的偏移对测试结果也无影响。

2.2 FWD测试结果分析

FWD方案6、方案7测试结果如表5。

表5 FWD弯沉测试结果Table 5 Deflection results of FWD

如表6，A1、A7板角弯沉值随着N2、M1增大呈线性下降趋势，拟合公式为：

y=-0.6565×N2+274，R2=0.88(A1板角)

(7)

y=-0.5715×M1+268，R2=0.98(A7板角)

(8)

式中：自变量N2和M1物理意义如图2；因变量y为受荷板或非受荷板板角弯沉值。

由以上分析可得，方案6和方案7的测试结果均表明板角弯沉值与偏移距离呈线性关系。表6给出了两个方案在线性拟合下各测点的拟合值，以偏移20 cm的测试值为基准，分别将不同偏移距离下的拟合值与基准值作比较，比值见表6。

表6 FWD两种方案拟合结果Table 6 Fitting results obtained by two kinds of schemes of FWD

考虑偏移距离对弯沉测试结果可靠性的影响，工程应用容许误差以5%～10%计算，3种方案一致表明偏移20 cm可满足容许误差5%的要求，偏移30 cm可满足容许误差10%的要求。

3 结 语

通过利用贝克曼梁弯沉仪、落锤式弯沉仪开展了轮胎加载、贝克曼梁梁头及落锤位置的偏移对水泥混凝土板角弯沉值影响研究，得到如下结论：

1)在板角脱空的情况下，两种方法测试得到的弯沉值均与偏移距离存在较好线性相关性，随着偏移距离的增加，板角弯沉近似线性减小。

2)贝克曼梁法检测板角弯沉时，荷载偏移10 cm、20 cm以内可分别满足工程应用容许误差5%、10%的使用要求，贝克曼梁梁头建议摆放于距板角横、纵缝5 cm的位置。

3)落锤式弯沉仪检测板角弯沉时，偏移20 cm、30 cm以内可分别满足工程应用容许误差5%、10%的使用要求。